構建基于ARM920T的嵌入式Linux系統(tǒng)

　　引言

　　目前，嵌入式操作系統(tǒng)的種類很多，如VxWorks，Windows CE和Linux等。在這些操作系統(tǒng)中，Linux是發(fā)展最快，應用最廣泛的。由于使用費用、開放源代碼程度和使用習慣等各方面因素，Linux是得到較多推廣的操作系統(tǒng)之一。由于Linux支持從x86到嵌入式處理器的多種處理器，使得Linux桌面PC上開發(fā)的很多資源可以輕松的移植到各種嵌入式平臺上，這種便利使得在嵌入式系統(tǒng)中使用Linux操作系統(tǒng)具有很大吸引力。

　　開發(fā)環(huán)境

　　硬件環(huán)境

　　本系統(tǒng)中使用目標平臺S3C2410(SAM SUNG公司使用ARM920T處理器內(nèi)核開發(fā)的一款嵌入式處理器)。ARM920T核由ARM9TDMI，存儲管理單元(MMU)和高速緩存三部分組成。

　　S3C2410的資源還包括外圍存儲設備(SDRAM和NandFlash)，外圍顯示設備(觸摸屏和LCD)與外圍接口設備(串口、網(wǎng)口與并口)。

　　軟件平臺

　　嵌入式Linux系統(tǒng)從軟件系統(tǒng)的角度通?？梢苑譃橐韵?個部分。

　　·引導加載程序。包括固化在固件中的啟動代碼(可選)和Bootloader。

　　·內(nèi)核。特定于嵌入式板子的定制內(nèi)核以及控制內(nèi)核引導系統(tǒng)的參數(shù)。

　　·文件系統(tǒng)。包括根文件系統(tǒng)和建立于Flash內(nèi)存設備之上的文件系統(tǒng)。它是提供管理系統(tǒng)的各種配置文件以及系統(tǒng)執(zhí)行用戶應用程序的良好的運行環(huán)境的載體。

　　·用戶應用程序。特定于用戶的應用程序。有時在用戶應用程序和內(nèi)核層之間可能還會有一個嵌入式圖形用戶界面。同時裝有Bootloader、內(nèi)核啟動參數(shù)、內(nèi)核映象和根文件系統(tǒng)。

　　嵌入式Linux系統(tǒng)移植的實現(xiàn)

　　引導加載程序

　　Boot Loader 是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序。大多數(shù) Boot Loader 都分為 stage1 和 stage2 兩大部分。Stage1主要包含依賴于CPU的體系結(jié)構硬件初始化的代碼，通常都用匯編語言來實現(xiàn)。這個階段的任務有：(1)為基本的硬件設備初始化(屏蔽所有的中斷、關閉處理器內(nèi)部指令/數(shù)據(jù)cache等)，(2)為第二階段準備RAM空間(如果是從某個固態(tài)存儲媒質(zhì)中，則復制Bootloader的第二階段的代碼到RAM)，(3)設置堆棧并跳轉(zhuǎn)到第二階段的C程序入口點。Stage2通常用C語言完成，以便實現(xiàn)更復雜的功能，也使程序有更好的可讀性和可移植性。這個階段的任務有：(1)初始化本階段要使用到的硬件設備，檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射。(2)將內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像從Flash讀到RAM。(3)為內(nèi)核設置啟動參數(shù)，調(diào)用內(nèi)核。

　　本系統(tǒng)中采用的BootLoader是韓國Mizi公司開發(fā)的vivi，適用于ARM9處理器。在配置編譯之前，首先要建立交叉編譯環(huán)境。把cross-2.95.3.tar.bz2、arm-linux-gcc-3.4.1.tar.bz2軟件包拷貝到/usr/local/arm目錄下，分別解壓這兩個包以構成本系統(tǒng)的交叉編譯環(huán)境。

　　編譯Bootload vivi 主要步驟如下：

　　[1]解壓vivi源文件 tar jxvf vivi.tar.bz2

　　[2]進入vivi目錄 編譯 makefile ，主要修改如下：

　　LINUX_INCLUDE_DIR = /usr/local/arm/2.95.3/include
　　CROSS_COMPILE = /usr/local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-
　　ARM_GCC_LIBS = /usr/local/arm/2.95.3/lib/gcc-lib/arm-linux/2.95.3

　　[3]編譯vivi/arch/s3c2410/smdk.c，根據(jù)實際板子的實際情況對NandFlash進行分區(qū)。需要注意的是要和下面Linux內(nèi)核配置編譯配合起來。本開發(fā)板提供的64M的NandFlash做為存儲設備，其空間分配表如表1所示。

　　[4] make  menuconfig

　　[5] make

　　至此，可以生成vivi的bin文件，通過開發(fā)板JTAG口和PC機并口建立連接，把vivi移植 到開發(fā)板上，重新加電，這樣就可以引導內(nèi)核。

　　Linux內(nèi)核的移植

　　Linux的內(nèi)核版本發(fā)行同Linux對嵌入式處理器支持程度的發(fā)展是不同步的。因此，需要對特定的處理器體系結(jié)構選擇合適的核。本系統(tǒng)采用的是linux-2.6.14.1.tar.bz2的版本，與2.4的版本相比，2.6版本對資源的定義進行了分類，代碼相當精練，可讀性很好，條理清晰，修改起來容易。

　　而且支持標準的高級電源管理apm。事實上，Samsung S3C2410已經(jīng)成為linux的一個標準支持平臺。

　　編譯配置內(nèi)核主要步驟如下：

　　[1]進入內(nèi)核源代碼目錄，修改Flash分區(qū)表部分的源碼，與vivi對NandFlash的分區(qū)相匹配。即定義文件arch/arm/mach-s3c2410/devs.c中的分區(qū)表結(jié)構體static struct mtd_partition partition_info[]中的分區(qū)名，偏移量和分區(qū)大小。同時加入NandFlash分區(qū)，即定義結(jié)構體struct s3c2410-nand-set nandset[]。與此同時，修改結(jié)構體struct s3c2410-platform-nandsupperlpplatform[]以建立對Nand Flash芯片的支持。

　　最后，加入Nand Flash芯片支持到Nand Flash驅(qū)動。

　　[2]對內(nèi)核進行適當?shù)呐渲?。在本系統(tǒng)中，配置過程的關鍵在于是：在對MTD配置時，選擇支持MTD驅(qū)動以及支持NAND FLASH驅(qū)動；選擇支持要用到的各類文件選擇支持要用到的各類文件系統(tǒng)。如果要建立及安裝模塊，則要在配置內(nèi)核時選擇模塊的支持。選擇交叉編譯工具arm-linux-gcc-3.4.1編譯內(nèi)核源碼之后，會在kernel/arch/arm/boot/下生成名為zImage的內(nèi)核映象。在vivi的命令提示模式下使用下載命令完成內(nèi)核加載到開發(fā)板的存儲設備上。

　　根文件系統(tǒng)

　　Linux系統(tǒng)采用文件系統(tǒng)組織系統(tǒng)的文件與設備，為設備和用戶程序提供統(tǒng)一的接口。文件系統(tǒng)的存在使得數(shù)據(jù)和設備可以被有效而透明地存取訪問。

　　本系統(tǒng)使用CRAMFS格式的根文件系統(tǒng)，它是具備最基本特性的文件系統(tǒng)，主要用于嵌入式系統(tǒng)，優(yōu)點是將文件數(shù)據(jù)以壓縮形式存儲，在需要運行的時候進行解壓縮，具有很大的壓縮比，可以做到高效的隨機讀取。

　　在本系統(tǒng)中，首先，在根文件目錄rootfs下通過輸入下面的命令：

　　mkdir dev proc etc mnt bin sbin lib tmp

　　建立上述的目錄。沒有建立home目錄是因為其內(nèi)容只是針對工作站與服務器的設置有用，在嵌入式Linux中即使有也是空的。然后把所需要的配置文件，動態(tài)函數(shù)庫放到相應的目錄。

　　采用BusyBox是縮小根文件系統(tǒng)的一個好方法。BusyBox非常形象地稱為嵌入式Linux系統(tǒng)的“瑞士軍刀”，因為它將許多常用的UNIX命令與工具結(jié)合到了一個單獨的可執(zhí)行程序中。雖然與相應的GNU工具比較起來，BusyBox所提供的功能和參數(shù)略少，但在嵌入式系統(tǒng)中，已經(jīng)足夠了。

　　將busybox -1.1.3 .tar.gz放到上述tmp目錄下，進行解壓：

　　tar busybox -1.1.3 .tar.gz
　　make distclean
　　make menuconfig
　　make  TARGET_ARCH=arm
    　　CROSS=arm-linux-
　　PREFIX＝/home/arm/dev_home/rootfs/my_rootfs/all install ，其中PREFIX指明了安裝路徑即我們根文件系統(tǒng)所在路徑。

　　由于根文件系統(tǒng)采用的是CRAMFS格式，所以使用mkcramfs生成cramfs映象，具體的命令是：mkcramfs my_rootfs my_rootfs.cramfs。根文件系統(tǒng)映象文件就完成了。同內(nèi)核加載一樣，通過vivi命令提示把根文件系統(tǒng)映象加載到開發(fā)板上。
按照上面的安排，一個基本的嵌入式Linux系統(tǒng)構建完畢。其啟動過程如圖1所示。

　　結(jié)語

　　本工作對嵌入式Linux系統(tǒng)的啟動加載程序bootloader進行配置，對Linux內(nèi)核進行裁剪，完成對根文件系統(tǒng)的制作，將嵌入式Linux移植到基于ARM920T處理器目標板，為開發(fā)者提供了在ARM9平臺上構建嵌入式Linux系統(tǒng)的方法的參考。實驗表明其系統(tǒng)具有很好的實時性、穩(wěn)定性。