一種嵌入式Linux平臺(tái)的軟硬件設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種嵌入式Linux操作系統(tǒng)--uClinux，給出了一種MCF5272硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了uClinux在該目標(biāo)板上的移植，講述了MCF5272處理器平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)和uClinux板移植的一般性方法。

關(guān)鍵詞：uClinux MCF5272　移植

1 操作系統(tǒng)uClinux

Linux是一種很受歡迎的類UNIX操作系統(tǒng)，它免費(fèi)并開放源代碼，在個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。更重要的是，Linux采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)際應(yīng)用中可以定制，因此Linux也適用于嵌入式領(lǐng)域。uClinux正是Linux的一個(gè)嵌入式版本，其內(nèi)核的二進(jìn)制映像文件可以做到小于512KB。

uClinux針對無內(nèi)存管理單元MMU(Memory Management Unit)的處理器設(shè)計(jì)，支持多任務(wù)，具有完備的TCP/IP協(xié)議棧并支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。uClinux還支持多種文件系統(tǒng)，如ROMFS、NFS、FAT16/32。實(shí)際上，uClinux已經(jīng)成功應(yīng)用于路由器、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、機(jī)頂盒、PDA等諸多領(lǐng)域。

另外，uClinux可移植性很強(qiáng)，用戶通過重新配置、編譯內(nèi)核，很方便將其移植到68K、Dragon Ball、ColdFire、Power PC、ARM等多種處理器計(jì)算平臺(tái)。當(dāng)前uClinux提供2.0和2.4兩個(gè)內(nèi)核版本。從內(nèi)核版本2.2開始，Linux被設(shè)計(jì)成與IEEE POSIX標(biāo)準(zhǔn)兼容的系統(tǒng)，這意味著大部分已有的UNIX程序，源代碼不經(jīng)修改就可以進(jìn)行編譯并移植到新的目標(biāo)平臺(tái)。筆者選擇了2.4內(nèi)核的uClinux作為平臺(tái)操作系統(tǒng)。

2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 處理器

目標(biāo)平臺(tái)CPU采用Motorola公司生產(chǎn)的ColdFire嵌入式處理器MCF5272。MCF5272采用ColdFfireV2可變長RISC處理器核和DigitalDNA技術(shù)，在66MHz時(shí)鐘下能夠達(dá)到63MIPS@Dhrystone2.1的優(yōu)良處理能力。其內(nèi)部SIM(System Integrated Module)單元集成了豐富的通用模塊，如10/100Mbps快速以太網(wǎng)控制器、USB1.1接口等，并且能夠與常用的外圍設(shè)備(如SDRAM、ISDN收發(fā)器)實(shí)現(xiàn)無縫連接，從而簡化了外圍電路設(shè)計(jì)，降低了產(chǎn)品成本、體積和功耗。

2.2 系統(tǒng)內(nèi)存

系統(tǒng)內(nèi)存由三部分組成。MCF5272內(nèi)部集成了4K字節(jié)的SRAM(靜態(tài)RAM)以及片外擴(kuò)展的FLASH(閃爍存儲(chǔ)器)和SDRAM(同步動(dòng)態(tài)RAM)。FLASH容量為1M×16Bit，AMD29LV系列，片選信號為CS0，用于存放矢量表、uClinux內(nèi)核映像及ROMFS文件系統(tǒng)。SDRAM采用兩片HY系列4M×16Bit的SDRAM，共同組成16M、32位寬的系統(tǒng)主存儲(chǔ)器。SDRAM片選信號為CS7。

2.3 通用外設(shè)

MCF5272內(nèi)部集成了UART、USB控制器，只需很少的外圍芯片就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)RS232串口和一個(gè)USB Slave接口。MCF5272還內(nèi)嵌一個(gè)FEC(快速以太網(wǎng)控制器)，片外擴(kuò)展一片LXT971，可方便地實(shí)現(xiàn)了一個(gè)100/10 Base T的以太網(wǎng)接口。

2.4 調(diào)試接口

ColdFire系列處理器支持背景調(diào)試模式(BDM)，它提供了對底層硬件的調(diào)試手段。在背景調(diào)試模式下，通過向CPU發(fā)送命令，可以實(shí)現(xiàn)對CPU寄存器、系統(tǒng)存儲(chǔ)器的訪問。使用Motorola推薦的26針插座接到BDM仿真頭，實(shí)現(xiàn)代碼的下載和調(diào)試。

3 移植uClinux到目標(biāo)平臺(tái)

3.1 uClinux的啟動(dòng)過程

uClinux的啟動(dòng)通常經(jīng)歷三個(gè)階段。首先，它必須完成CPU和存儲(chǔ)器的硬件初始化。在系統(tǒng)RAM中建立程序堆棧和數(shù)據(jù)段(包括DATA和BSS數(shù)據(jù)段)，建立程序的運(yùn)行時(shí)環(huán)境。如果ROMFS是RAM駐留的，也必須對其進(jìn)行初始化。

最初的初始化完成后，uClinux內(nèi)核就取得了CPU的控制權(quán)，開始操作系統(tǒng)自身的初始化。這包括建立RAM中斷矢量表、加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、內(nèi)存管理模塊等。這一切完成后，uClinux啟動(dòng)一個(gè)最初的init線程，進(jìn)入到第三階段。這時(shí)候內(nèi)核已經(jīng)正常運(yùn)行，外圍模塊也都就緒，開始執(zhí)行一些腳本文件(如/etc/rc腳本文件)。這通常是嵌入式開發(fā)者最感興趣的一個(gè)切入點(diǎn)。

3.2 編寫硬件相關(guān)代碼

作為源代碼公開的免費(fèi)操作系統(tǒng)，uClinux源代碼可以從www.uclinux.org得到。這個(gè)源代碼也在不斷更新。筆者使用的是于2002年5月發(fā)布的Greg Ungerer(gerg@snapgear.com)版本。該版本的uClinux包含了對Motorola公司M5272C3和其他幾款MCF5272評估板的支持。但與筆者的目標(biāo)平臺(tái)相比，硬件資源并不完全相同，且為RAM版本，并不能直接固化到ROM中。于是決定直接在M5272C3的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，以減少工作量。

需要添加三個(gè)文件：crt0_rom.S、sysinit.c和rom.ld。crt0_rom.S可以由crt0_ram.S修改得到，它提供一個(gè)ROM矢量表以供CPU上電時(shí)讀取，并初始化CPU寄存器，設(shè)置程序堆棧，并最終跳轉(zhuǎn)到uClinux內(nèi)核。MEM_SIZE也必須修改為實(shí)際容量。

……

#define MEM_SIZE 0x01000000 //實(shí)際的SDRAM為16M

……

_vectors: //矢量表起始地址

.long 0x0, _start, _fault, _fault,… //初始化1K字節(jié)矢量表

……

_start: nop

move.w #0x2700, %sr //關(guān)中斷

move.l #_vectors, %d0

move.c %d0, %VBR //VBR指向FLASH

move.l #0x10000001， %d0

move.c %d0， %MBAR //SIM單元基地址

0x10000000

move.l #0x20000001， %a0

//SRAM起始地址0x20000000

move.c %a0， %RAMBAR0

//初始化SRAM作為堆棧

move.l #0x20001001， %a7 //設(shè)置堆棧指針

……

下面對MCF5272的UART、GPIO以及SIM單元進(jìn)行初始化。Motorola網(wǎng)站提供了這樣的例程(sysinit.c)。需要針對實(shí)際情況做必要的修改，主要就實(shí)際占用的片選資源CS0~CS7、SDRAM控制寄存器SDCR、SDTR作一些修改以適應(yīng)目標(biāo)板。以下的程序片段描述了對SDRAM的初始化。

……

/*初始化CS7 16MB SDRAM *／

MCF5272_WR_CS_CSBR7(imm，　0

|MCF5272_CS_BR_BASE(SDRAM_ADDRESS)

|MCF5272_CS_BR_SDRAM

|MCF5272_CS_BR_PS_LINE

|MCF5272_CS_BR_EN);

MCF5272_WR_CS_CSOR7(imm， 0

|MCF5272_CS_OR_MASK_16M

|MCF5272_CS_OR_WS(0x1F));

……

/*初始化SDRAM控制寄存器SDCTR、SDCCR*/

MCF5272_WR_SDRAMC_SDCTR(imm，　0xF539);

MCF5272_WR_SDRAMC_SDCCR(imm，　0x4311);

由于代碼在SDRAM中運(yùn)行的速度比在FLASH中更快，而且在該目標(biāo)平臺(tái)中，SDRAM是32位數(shù)據(jù)總線，而FLASH是16位總線，因此代碼在ROM中運(yùn)行和在RAM中運(yùn)行的速度有著顯著差異?？紤]到這些因素，采取將uClinux內(nèi)核和ROMFS文件系統(tǒng)復(fù)制到SDRAM中運(yùn)行的模式。這雖然會(huì)犧牲一些系統(tǒng)的啟動(dòng)速度，并導(dǎo)致一些額外的系統(tǒng)內(nèi)存開銷，但是換來的是系統(tǒng)整體性能的提高，因此是值得的。

uClinux會(huì)從內(nèi)存中的某個(gè)位置加載ROMFS作為根文件系統(tǒng)。當(dāng)ROMFS為RAM駐留時(shí)，缺省位置緊接著BSS段(參考drivers/block/blkmem，c)。ROMFS文件系統(tǒng)的二進(jìn)制映像romfs.img在ROM中的實(shí)際存放地址可以根據(jù)rom.ld文件計(jì)算。由于BSS數(shù)據(jù)段存放的是未初始化的數(shù)據(jù)，直到運(yùn)行時(shí)才建立，因此使用m68k-elf-objcopy生成的內(nèi)核二進(jìn)制映像文件linux.bin中并無BSS段。Romfs.img的起始地址應(yīng)該是： ROM代碼段結(jié)束地址+RAM代碼段長度+DATA數(shù)據(jù)段長度；而復(fù)制的目標(biāo)地址就是BSS段的結(jié)束地址，這是一個(gè)VMA地址，可以從rom.ld文件中直接獲得。

3.3 修改啟動(dòng)腳本

在uClinux完成內(nèi)核初始化后，由init(void *)內(nèi)核線程調(diào)用/bin/init，然后執(zhí)行/etc/rc腳本中的命令。可以利用這個(gè)腳本完成系統(tǒng)上電后的自動(dòng)配置，或者運(yùn)行用戶程序。ROMFS文件系統(tǒng)中/etc/rc的源文件是/vendors/Generic/big/etc/rc。

一個(gè)典型的rc文件如下所示。它完成以太網(wǎng)的設(shè)置并執(zhí)行用戶程序/bin/usrapp。

#設(shè)置主機(jī)名

hostname uClinux

/bin/expand /etc/ramfs.img /dev/ram0

mount -t proc proc /proc

mount -t ext2 /dev/ram0 /var

ifconfig lo 127.0.0.1

route add -net 127.0.0.0 netmask 255.0.0.0 lo

#配置網(wǎng)卡IP和路由

ifconfig eth0 202.119.45.98

ifconfig eth0 broadcast 202.119.45.255

route add -net 202.119.45.0 eth0

route add default gw 202.119.45.1

#執(zhí)行用戶程序

/bin/usrapp

3.4 內(nèi)核的配置和編譯

需要建立一個(gè)交叉編譯環(huán)境來完成內(nèi)核和應(yīng)用程序的編譯，生成ROMFS文件系統(tǒng)，并最終形成一個(gè)固化文件。www.uclinux.org也提供這樣一個(gè)工具包。正確安裝后，就可以進(jìn)行編譯了。首先進(jìn)入源代碼目錄uClinux-dist，執(zhí)行make xconfig，在彈出的對話框中選擇Target Platform Selection，出現(xiàn)圖1所示的對話框。

由于直接對M5272C3評估板的代碼進(jìn)行修改，因此目標(biāo)板選擇M5272C3。內(nèi)核版本號選擇2.4，采用uC-libc庫。另外選中Customize Kernel Settings以定制需要的內(nèi)核。在內(nèi)核配置對話框中，將RAM大小配置為16MB，確認(rèn)ROMFS為RAM駐留。為了可以直接mount宿主機(jī)硬盤以方便調(diào)試，還需給內(nèi)核添加對NFS文件系統(tǒng)的支持。

配置完畢后，在源代碼目錄執(zhí)行make dep以及make，就得到了需要的二進(jìn)制內(nèi)核映像image.bin，可以直接下載到目標(biāo)板運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

1 MCF5272 ColdFire Integrated Microprocessor User's Manual，　Rev. 1，02/2001

2 Daniel P.Bovet, Marco Cesati. Understanding the Linux Kernel， 1st Edition，　October 2000

3 M5272C3 Evaluation Board Schemetic. Rev. 1.2， 2000