基于ARM的嵌入式Linux移植真實體驗（3）――操作系統(tǒng)
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嵌入式操作系統(tǒng)并不總是必須的，因為程序完全可以在裸板上運行。盡管如此，但對于復(fù)雜的系統(tǒng)，為使其具有任務(wù)管理、定時器管理、存儲器管理、資源管理、事件管理、系統(tǒng)管理、消息管理、隊列管理和中斷處理的能力，提供多任務(wù)處理，更好的分配系統(tǒng)資源的功能，很有必要針對特定的硬件平臺和實際應(yīng)用移植操作系統(tǒng)。鑒于Linux的源代碼開放性，它成為嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域的很好選擇。國內(nèi)外許多知名大學(xué)、公司、研究機構(gòu)都加入了嵌入式Linux的研究行列，推出了一些著名的版本：
Ø RT-Linux提供了一個精巧的實時內(nèi)核，把標準的Linux核心作為實時核心的一個進程同用戶的實時進程一起調(diào)度。RT-Linux已成功地應(yīng)用于航天飛機的空間數(shù)據(jù)采集、科學(xué)儀器測控和電影特技圖像處理等廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。如NASA(美國國家宇航局)將裝有RT-Linux的設(shè)備放在飛機上，以測量Georage咫風(fēng)的風(fēng)速；
Ø uCLinux（Micro-Control-Linux，u表示Micro，C表示Control）去掉了MMU（內(nèi)存管理）功能，應(yīng)用于沒有虛擬內(nèi)存管理的微處理器/微控制器，它已經(jīng)被成功地移植到了很多平臺上。
本章涉及的mizi-linux由韓國mizi公司根據(jù)Linux 2.4內(nèi)核移植而來，支持S3C2410A處理器。
1.Linux內(nèi)核要點
和其他操作系統(tǒng)一樣，Linux包含進程調(diào)度與進程間通信(IPC)、內(nèi)存管理(MMU)、虛擬文件系統(tǒng)(VFS)、網(wǎng)絡(luò)接口等，下圖給出了Linux的組成及其關(guān)系：
Linux內(nèi)核源代碼包括多個目錄：
（1）arch：包括硬件特定的內(nèi)核代碼，如arm、mips、i386等；
（2）drivers：包含硬件驅(qū)動代碼，如char、cdrom、scsi、mtd等；
（3）include：通用頭文件及針對不同平臺特定的頭文件，如asm-i386、asm-arm等；
（4）init：內(nèi)核初始化代碼；
（5）ipc：進程間通信代碼；
（6）kernel：內(nèi)核核心代碼；
（7）mm：內(nèi)存管理代碼；
（8）net：與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧相關(guān)的代碼，如ipv4、ipv6、ethernet等；
（9）fs：文件系統(tǒng)相關(guān)代碼，如nfs、vfat等；
（10）lib：庫文件，與平臺無關(guān)的strlen、strcpy等，如在string.c中包含：
char * strcpy(char * dest,const char *src)
{
char *tmp = dest;
while ((*dest++ = *src++) != )
/* nothing */;
return tmp;
}
（11）Documentation：文檔。
在Linux內(nèi)核的實現(xiàn)中，有一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使用非常頻繁，對研讀內(nèi)核的人來說至為關(guān)鍵，它們是：
1.task_struct
Linux內(nèi)核利用task_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)代表一個進程，用task_struct指針形成一個task數(shù)組。當(dāng)建立新進程的時候，Linux為新的進程分配一個task_struct結(jié)構(gòu)，然后將指針保存在task數(shù)組中。調(diào)度程序維護current指針，它指向當(dāng)前正在運行的進程。
2.mm_struct
每個進程的虛擬內(nèi)存由mm_struct結(jié)構(gòu)代表。該結(jié)構(gòu)中包含了一組指向vm-area_struct結(jié)構(gòu)的指針，vm-area_struct結(jié)構(gòu)描述了虛擬內(nèi)存的一個區(qū)域。
3.inode
Linux虛擬文件系統(tǒng)中的文件、目錄等均由對應(yīng)的索引節(jié)點(inode)代表。
2.Linux移植項目
mizi-linux已經(jīng)根據(jù)Linux 2.4內(nèi)核針對S3C2410A這一芯片進行了有針對性的移植工作，包括：
（1）修改根目錄下的Makefile文件
a.指定目標平臺為ARM：
#ARCH := $(shell uname -m | sed -e s/i.86/i386/ -e s/sun4u/sparc64/ -e s/arm.*/arm/ -e s/sa110/arm/)
ARCH := arm
b.指定交叉編譯器：
CROSS_COMPILE = arm-linux-
（2）修改arch目錄中的文件
根據(jù)本章第一節(jié)可知，Linux的arch目錄存放硬件相關(guān)的內(nèi)核代碼，因此，在Linux內(nèi)核中增加對S3C2410的支持，最主要就是要修改arch目錄中的文件。
a.在arch/arm/Makefile文件中加入：
ifeq ($(CONFIG_ARCH_S3C2410),y)
TEXTADDR = 0xC0008000
MACHINE = s3c2410
Endif
b.在archarmconfig.in文件中加入：
if [ "$CONFIG_ARCH_S3C2410" = "y" ]; then
comment S3C2410 Implementation
dep_bool SMDK (MERI TECH BOARD) CONFIG_S3C2410_SMDK $CONFIG_ARCH_S3C2410
dep_bool change AIJI CONFIG_SMDK_AIJI
dep_tristate S3C2410 USB function support CONFIG_S3C2410_USB $CONFIG_ARCH_S3C2100
dep_tristate Support for S3C2410 USB character device emulation CONFIG_S3C2410_USB_CHAR $CONFIG_S3C2410_USB
fi # /* CONFIG_ARCH_S3C2410 */
archarmconfig.in文件還有幾處針對S3C2410的修改。
c.在arch/arm/boot/Makefile文件中加入：
ifeq ($(CONFIG_ARCH_S3C2410),y)
ZTEXTADDR = 0x30008000
ZRELADDR = 0x30008000
endif
d.在linux/arch/arm/boot/compressed/Makefile文件中加入：
ifeq ($(CONFIG_ARCH_S3C2410),y)
OBJS += head-s3c2410.o
endif
加入的結(jié)果是head-s3c2410.S文件被編譯為head-s3c2410.o。
e.加入archarmbootcompressed head-s3c2410.S文件
#include
#include
#include
.section ".start", #alloc, #execinstr
__S3C2410_start:
@ Preserve r8/r7 i.e. kernel entry values
@ What is it?
@ Nandy
@ Data cache, Intstruction cache, MMU might be active.
@ Be sure to flush kernel binary out of the cache,
@ whatever state it is, before it is turned off.
@ This is done by fetching through currently executed
@ memory to be sure we hit the same cache
bic r2, pc, #0x1f
add r3, r2, #0x4000 @ 16 kb is quite enough...
1: ldr r0, [r2], #32
teq r2, r3
bne 1b
mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 @ drain WB
mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 @ flush I & D caches
#if 0
@ disabling MMU and caches
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ read control register
bic r0, r0, #0x05 @ disable D cache and MMU
bic r0, r0, #1000 @ disable I cache
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0
#endif
/*
* Pause for a short time so that we give enough time
* for the host to start a terminal up.
*/
mov r0, #0x00200000
1: subs r0, r0, #1
bne 1b
該文件中的匯編代碼完成S3C2410特定硬件相關(guān)的初始化。
f.在archarmdef-configs目錄中增加配置文件
g.在archarmkernelMakefile中增加對S3C2410的支持
no-irq-arch := $(CONFIG_ARCH_INTEGRATOR) $(CONFIG_ARCH_CLPS711X)
$(CONFIG_FOOTBRIDGE) $(CONFIG_ARCH_EBSA110)
$(CONFIG_ARCH_SA1100) $(CONFIG_ARCH_CAMELOT)
$(CONFIG_ARCH_S3C2400) $(CONFIG_ARCH_S3C2410)
$(CONFIG_ARCH_MX1ADS) $(CONFIG_ARCH_PXA)
obj-$(CONFIG_MIZI) += event.o
obj-$(CONFIG_APM) += apm2.o
h.修改arch/arm/kernel/debug-armv.S文件，在適當(dāng)?shù)奈恢迷黾尤缦玛P(guān)于S3C2410的代碼：
#elif defined(CONFIG_ARCH_S3C2410)
.macro addruart,rx
mrc p15, 0, rx, c1, c0
tst rx, #1 @ MMU enabled ?
moveq rx, #0x50000000 @ physical base address
movne rx, #0xf0000000 @ virtual address
.endm
.macro senduart,rd,rx
str rd, [rx, #0x20] @ UTXH
.endm
.macro waituart,rd,rx
.endm
.macro busyuart,rd,rx
1001: ldr rd, [rx, #0x10] @ read UTRSTAT
tst rd, #1 << 2 @ TX_EMPTY ?
beq 1001b
.endm
i.修改arch/arm/kernel/setup.c文件
此文件中的setup_arch非常關(guān)鍵，用來完成與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的初始化：
void __init setup_arch(char **cmdline_p)
{
struct tag *tags = NULL;
struct machine_desc *mdesc;
char *from = default_command_line;
ROOT_DEV = MKDEV(0, 255);
setup_processor();
mdesc = setup_machine(machine_arch_type);
machine_name = mdesc->name;
if (mdesc->soft_reboot)
reboot_setup("s");
if (mdesc->param_offset)
tags = phys_to_virt(mdesc->param_offset);
/*
* Do the machine-specific fixups before we parse the
* parameters or tags.
*/
if (mdesc->fixup)
mdesc->fixup(mdesc, (struct param_struct *)tags,
&from, &meminfo);
/*
* If we have the old style parameters, convert them to
* a tag list before.
*/
if (tags && tags->hdr.tag != ATAG_CORE)
convert_to_tag_list((struct param_struct *)tags,
meminfo.nr_banks == 0);
if (tags && tags->hdr.tag == ATAG_CORE)
parse_tags(tags);
if (meminfo.nr_banks == 0) {
meminfo.nr_banks = 1;
meminfo.bank[0].start = PHYS_OFFSET;
meminfo.bank[0].size = MEM_SIZE;
}
init_mm.start_code = (unsigned long) &_text;
init_mm.end_code = (unsigned long) &_etext;
init_mm.end_data = (unsigned long) &_edata;
init_mm.brk = (unsigned long) &_end;
memcpy(saved_command_line, from, COMMAND_LINE_SIZE);
saved_command_line[COMMAND_LINE_SIZE-1] = ;
parse_cmdline(&meminfo, cmdline_p, from);
bootmem_init(&meminfo);
paging_init(&meminfo, mdesc);
request_standard_resources(&meminfo, mdesc);
/*
* Set up various architecture-specific pointers
*/
init_arch_irq = mdesc->init_irq;
#ifdef CONFIG_VT
#if defined(CONFIG_VGA_CONSOLE)
conswitchp = &vga_con;
#elif defined(CONFIG_DUMMY_CONSOLE)
conswitchp = &dummy_con;
#endif
#endif
}
j.修改arch/arm/mm/mm-armv.c文件（arch/arm/mm/目錄中的文件完成與ARM相關(guān)的MMU處理）
修改
init_maps->bufferable = 0;
為
init_maps->bufferable = 1;
要輕而易舉地進行上述馬拉松式的內(nèi)核移植工作并非一件輕松的事情，需要對Linux內(nèi)核有很好的掌握，同時掌握硬件特定的知識和相關(guān)的匯編。幸而mizi公司的開發(fā)者們已經(jīng)合力為我們完成了上述工作，這使得小弟們在將mizi-linux移植到自身開發(fā)的電路板的過程中只需要關(guān)心如下幾點：
（1）內(nèi)核初始化：Linux內(nèi)核的入口點是start_kernel()函數(shù)。它初始化內(nèi)核的其他部分，包括捕獲，IRQ通道，調(diào)度，設(shè)備驅(qū)動，標定延遲循環(huán)，最重要的是能夠fork“init”進程，以啟動整個多任務(wù)環(huán)境。
我們可以在init中加上一些特定的內(nèi)容。
(2)設(shè)備驅(qū)動：設(shè)備驅(qū)動占據(jù)了Linux內(nèi)核很大部分。同其他操作系統(tǒng)一樣，設(shè)備驅(qū)動為它們所控制的硬件設(shè)備和操作系統(tǒng)提供接口。
本文第四章將單獨講解驅(qū)動程序的編寫方法。
(3)文件系統(tǒng)：Linux最重要的特性之一就是對多種文件系統(tǒng)的支持。這種特性使得Linux很容易地同其他操作系統(tǒng)共存。文件系統(tǒng)的概念使得用戶能夠查看存儲設(shè)備上的文件和路徑而無須考慮實際物理設(shè)備的文件系統(tǒng)類型。Linux透明的支持許多不同的文件系統(tǒng)，將各種安裝的文件和文件系統(tǒng)以一個完整的虛擬文件系統(tǒng)的形式呈現(xiàn)給用戶。
我們可以在K9S1208 NAND FLASH上移植cramfs、jfss2、yaffs等FLASH文件系統(tǒng)。
3. init進程
在init函數(shù)中“加料”，可以使得Linux啟動的時候做點什么，例如廣州友善之臂公司的demo板在其中加入了公司信息：
static int init(void * unused)
{
lock_kernel();
do_basic_setup();
prepare_namespace();
/*
* Ok, we have completed the initial bootup, and
* were essentially up and running. Get rid of the
* initmem segments and start the user-mode stuff..
*/
free_initmem();
unlock_kernel();
if (open("/dev/console", O_RDWR, 0) < 0)
printk("Warning: unable to open an initial console.n");
(void) dup(0);
(void) dup(0);
/*
* We try each of these until one succeeds.
*
* The Bourne shell can be used instead of init if we are
* trying to recover a really broken machine.
*/
printk("========================================n");
printk("= Friendly-ARM Tech. Ltd. =n");
printk("= [url]http://www.arm9.net [/url] =n");
printk("= [url]http://www.arm9.com.cn [/url] =n");
printk("========================================n");
if (execute_command)
execve(execute_command,argv_init,envp_init);
execve("/sbin/init",argv_init,envp_init);
execve("/etc/init",argv_init,envp_init);
execve("/bin/init",argv_init,envp_init);
execve("/bin/sh",argv_init,envp_init);
panic("No init found. Try passing init= option to kernel.");
}
這樣在Linux的啟動過程中，會額外地輸出：
========================================
= Friendly-ARM Tech. Ltd. =
= [url]http://www.arm9.net [/url] =
= [url]http://www.arm9.com.cn [/url] =
========================================
4.文件系統(tǒng)移植
文件系統(tǒng)是基于被劃分的存儲設(shè)備上的邏輯上單位上的一種定義文件的命名、存儲、組織及取出的方法。如果一個Linux沒有根文件系統(tǒng)，它是不能被正確的啟動的。因此，我們需要為Linux創(chuàng)建根文件系統(tǒng)，我們將其創(chuàng)建在K9S1208 NAND FLASH上。
Linux的根文件系統(tǒng)可能包括如下目錄（或更多的目錄）：
（1）/bin (binary)：包含著所有的標準命令和應(yīng)用程序；
（2）/dev (device)：包含外設(shè)的文件接口，在Linux下，文件和設(shè)備采用同種地方法訪問的，系統(tǒng)上的每個設(shè)備都在/dev里有一個對應(yīng)的設(shè)備文件；
（3）/etc (etcetera)：這個目錄包含著系統(tǒng)設(shè)置文件和其他的系統(tǒng)文件，例如/etc/fstab(file system table)記錄了啟動時要mount 的filesystem；
（4）/home：存放用戶主目錄；
（5）/lib(library)：存放系統(tǒng)最基本的庫文件；
（6）/mnt：用戶臨時掛載文件系統(tǒng)的地方；
（7）/proc：linux提供的一個虛擬系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動時在內(nèi)存中產(chǎn)生，用戶可以直接通過訪問這些文件來獲得系統(tǒng)信息；
（8）/root：超級用戶主目錄；
（9）/sbin：這個目錄存放著系統(tǒng)管理程序，如fsck、mount等；
（10）/tmp(temporary)：存放不同的程序執(zhí)行時產(chǎn)生的臨時文件；
（11）/usr(user)：存放用戶應(yīng)用程序和文件。
采用BusyBox是縮小根文件系統(tǒng)的好辦法，因為其中提供了系統(tǒng)的許多基本指令但是其體積很小。眾所周知，瑞士軍刀以其小巧輕便、功能眾多而聞名世界，成為各國軍人的必備工具，并廣泛應(yīng)用于民間，而BusyBox也被稱為嵌入式Linux領(lǐng)域的“瑞士軍刀”。
此地址可以下載BusyBox：[url]http://www.busybox.net[/url]，當(dāng)前最新版本為1.1.3。編譯好busybox后，將其放入/bin目錄，若要使用其中的命令，只需要建立link，如：
ln -s ./busybox ls
ln -s ./busybox mkdir
4.1 cramfs
在根文件系統(tǒng)中，為保護系統(tǒng)的基本設(shè)置不被更改，可以采用cramfs格式，它是一種只讀的閃存文件系統(tǒng)。制作cramfs文件系統(tǒng)的方法為：建立一個目錄，將需要放到文件系統(tǒng)的文件copy到這個目錄，運行“mkcramfs 目錄名 image名”就可以生成一個cramfs文件系統(tǒng)的image文件。例如如果目錄名為rootfs，則正確的命令為：
mkcramfs rootfs rootfs.ramfs
我們使用下面的命令可以mount生成的rootfs.ramfs文件，并查看其中的內(nèi)容：
mount -o loop -t cramfs rootfs.ramfs /mount/point
此地址可以下載mkcramfs工具：[url]http://sourceforge.net/projects/cramfs/[/url]。
4.2 jfss2
對于cramfs閃存文件系統(tǒng)，如果沒有ramfs的支持則只能讀，而采用jfss2（The Journalling Flash File System version 2）文件系統(tǒng)則可以直接在閃存中讀、寫數(shù)據(jù)。jfss2 是一個日志結(jié)構(gòu)(log-structured)的文件系統(tǒng)，包含數(shù)據(jù)和原數(shù)據(jù)(meta-data)的節(jié)點在閃存上順序地存儲。jfss2記錄了每個擦寫塊的擦寫次數(shù)，當(dāng)閃存上各個擦寫塊的擦寫次數(shù)的差距超過某個預(yù)定的閥值，開始進行磨損平衡的調(diào)整。調(diào)整的策略是，在垃圾回收時將擦寫次數(shù)小的擦寫塊上的數(shù)據(jù)遷移到擦寫次數(shù)大的擦寫塊上以達到磨損平衡的目的。
與mkcramfs類似，同樣有一個mkfs.jffs2工具可以將一個目錄制作為jffs2文件系統(tǒng)。假設(shè)把/bin目錄制作為jffs2文件系統(tǒng)，需要運行的命令為：
mkfs.jffs2 -d /bin -o jffs2.img
4.3 yaffs
yaffs 是一種專門為嵌入式系統(tǒng)中常用的閃存設(shè)備設(shè)計的一種可讀寫的文件系統(tǒng)，它比jffs2 文件系統(tǒng)具有更快的啟動速度，對閃存使用壽命有更好的保護機制。為使Linux支持yaffs文件系統(tǒng)，我們需要將其對應(yīng)的驅(qū)動加入到內(nèi)核中fs/yaffs/，并修改內(nèi)核配置文件。使用我們使用mkyaffs工具可以將NAND FLASH中的分區(qū)格式化為yaffs格式（如/bin/mkyaffs /dev/mtdblock/0命令可以將第1個MTD塊設(shè)備分區(qū)格式化為yaffs），而使用mkyaffsimage（類似于mkcramfs、mkfs.jffs2）則可以將某目錄生成為yaffs文件系統(tǒng)鏡像。
嵌入式Linux還可以使用NFS（網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)）通過以太網(wǎng)掛接根文件系統(tǒng)，這是一種經(jīng)常用來作為調(diào)試使用的文件系統(tǒng)啟動方式。通過網(wǎng)絡(luò)掛接的根文件系統(tǒng)，可以在主機上生成ARM 交叉編譯版本的目標文件或二進制可執(zhí)行文件，然后就可以直接裝載或執(zhí)行它，而不用頻繁地寫入flash。
采用不同的文件系統(tǒng)啟動時，要注意通過第二章介紹的BootLoader修改啟動參數(shù)，如廣州友善之臂的demo提供如下三種啟動方式：
（1）從cramfs掛接根文件系統(tǒng)：root=/dev/bon/2()；
（2）從移植的yaffs掛接根文件系統(tǒng)：root=/dev/mtdblock/0；
（3）從以太網(wǎng)掛接根文件系統(tǒng)：root=/dev/nfs。
5.小結(jié)
本章介紹了嵌入式Linux的背景、移植項目、init進程修改和文件系統(tǒng)移植，通過這些步驟，我們可以在嵌入式系統(tǒng)上啟動一個基本的Linux。
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