基于ARM和Linux的嵌入式平臺(tái)的構(gòu)建

摘要： 首先介紹了嵌入式系統(tǒng)的概念， 及相關(guān)硬件平臺(tái)和軟件版本。然后， 主要介紹了嵌入式Linux 的引導(dǎo)程序U-Boot 的移植， 以及開源、免費(fèi)操作系統(tǒng)Linux2.6.32.2 的移植。最后， 構(gòu)建了基于Nand Flash 存儲(chǔ)器的Yaffs2 文件系統(tǒng)，利用BusyBox 創(chuàng)建根文件系統(tǒng)。基于ARM 和嵌入式Linux 的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)搭建基本完成，可以在此平臺(tái)上添加更多驅(qū)動(dòng)，以便更好地開發(fā)應(yīng)用程序。

進(jìn)入后PC 時(shí)代以來， 伴隨著設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展， 集成電路從當(dāng)初的晶體管集成發(fā)展到現(xiàn)在的IP 集成， 即SoC（System ON Chip ） 設(shè)計(jì)技術(shù)。促使嵌入式系統(tǒng)滲透到了當(dāng)今社會(huì)中的各個(gè)行業(yè)， 并且發(fā)揮越來越重要的作用。嵌入式系統(tǒng)一般可定義為以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、適用于應(yīng)用系統(tǒng)且對(duì)功能、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它的主要特點(diǎn)是嵌入、應(yīng)用。

隨著各種嵌入式設(shè)備功能越來越強(qiáng)大， 在設(shè)備中使用嵌入式操作系統(tǒng)也成為必然。Linux 操作系統(tǒng)具有開放源代碼、易于移植、資源豐富、免費(fèi)等特點(diǎn)， 在嵌入式領(lǐng)域的地位越來越重要。嵌入式Linux 和PC 上的Linux是同一套內(nèi)核代碼， 只是裁剪的程度不一樣， 所以， 很多在PC 上開發(fā)的軟件， 經(jīng)過交叉編譯后可以直接在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行。本文主要涉及到Bootloader 移植和Linux-2.6.32.2 內(nèi)核的移植、根文件系統(tǒng)移植、在S3C2440平臺(tái)上構(gòu)建完整的嵌入式開發(fā)平臺(tái)三個(gè)方面。

1 交叉開發(fā)環(huán)境的建立

在進(jìn)行嵌入式軟件開發(fā)之前， 必須要在PC 上建立ARM 的交叉編譯環(huán)境。交叉編譯就是在PC 平臺(tái)上生成可以在ARM 平臺(tái)上運(yùn)行的代碼。其中主要包括ARM 的交叉編譯器arm-elf-gcc 和交叉連接器arm-elf-ld 。本文采用的交叉編譯器的版本是gcc -3.4.5 -glibc -2.3.6 。

交叉編譯流程如圖1 所示。

圖1 嵌入式系統(tǒng)交叉編譯流程

2 BootLoader 引導(dǎo)加載程序

BootLoader 是一段在系統(tǒng)上電時(shí)開始執(zhí)行的程序，用以初始化硬件設(shè)備， 準(zhǔn)備好軟件環(huán)境， 設(shè)置好啟動(dòng)參數(shù)， 最后引導(dǎo)操作系統(tǒng)， 與PC 上的BIOS 程序相似。當(dāng)前開放源碼的Linux 引導(dǎo)程序主要有x86 架構(gòu)的LILO、GRUB， 對(duì)于ARM 架構(gòu)的主要有Vivi 和U-Boot 。本文使用U-Boot 作為引導(dǎo)程序。U-Boot（Universal Boot Loader） ，即通用的BootLoader ， 遵循GPL 條款開放源代碼。U-Boot相對(duì)于Vivi 功能更加強(qiáng)大， 也更方便后續(xù)程序的調(diào)試。

BootLoader 的啟動(dòng)一般分為兩個(gè)階段， 第一階段的代碼主要是用匯編語言編寫， 主要的功能是完成硬件設(shè)備的初始化， 為加載第二階段的代碼準(zhǔn)備RAM 空間， 設(shè)置好堆棧； 第二階段主要用C 語言編寫， 檢測(cè)內(nèi)存映射， 將內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)從Nand Flash 讀到RAM中， 為內(nèi)核啟動(dòng)設(shè)置參數(shù)， 引導(dǎo)內(nèi)核。

　　U-Boot 的源代碼可以從ftp://ftp.denx.de/pub/u-boot/進(jìn)行下載， 本文使用的U-Boot 版本是U-Boot2009.08 。

移植U-Boot 的關(guān)鍵步驟如下：

（1） 首先， 將include/configs 目錄下的smdk2410.h 復(fù)制并改名為MINI2440.h ， 根據(jù)U-Boot 的說明可以知道，如果要使用開發(fā)板board/board_name > ， 則先執(zhí)行“make board_nAME > ”_config 命令進(jìn)行配置， 然后執(zhí)行“make all ” ， 生成可執(zhí)行文件。所以， 修改U-Boot 頂層的Makefile 文件， 添加下面一行mini2440_config : unconfig@ $ （MKCONFIG） $ （@:_config = ） arm arm920t mini2440frank s3c24x0 。這里有幾個(gè)重要的參數(shù)，arm 指CPU 的架構(gòu)，arm920t 指CPU 的類型，s3c24x0 指CPU 的型號(hào)。這樣就可以使用make mini2440_config 這條命令進(jìn)行配置。

（2）本文使用的U-Boot 是從Nand Flash 啟動(dòng)的， CPU可以直接訪問Nand Flash 中前4 KB 代碼， 利用這4 KB代碼把U-Boot 中絕大部分代碼拷貝到內(nèi)存中[ 3]。其中下面的代碼就是調(diào)用C 語言中的Nand Flash 的讀寫函數(shù)， 該函數(shù)主要把Nand Flash 中4 KB 以后的代碼復(fù)制到RAM 中。在編寫nand_read_ll 的函數(shù)時(shí)， 注意參考Nand Flash 的數(shù)據(jù)手冊(cè)， 對(duì)大頁和小頁的Nand Flash ， 其讀寫的命令和時(shí)序是不同的。

　　@copy U-Boot to RAM

　　ldr r0,=teXT_BASE

　　mov r1,#0x0

　　mov r2,#0x60000

　　bl nand_read_ll

　　tST r0,#0x0

　　beq ok_nand_read

由于在后面加載Linux 內(nèi)核和根文件系統(tǒng)時(shí)， 使用的是tftp 方式， 所以必須添加DM9000EP 網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)。在mini2440.h 文件中， 其主要的配置如下：

　　#define CONFIG_DRIVER_DM9000 1

　　#define CONFIG_NET_MULTI 1

　　#define CONFIG_DM9000_NO_SROM 1

　　#define CONFIG_DM9000_BASE 0x20000300

　　#define DM9000_DATA （CONFIG_DM9000_BASE +4）

其中，CONFIG_DM9000_BASE 宏是最重要的， 因?yàn)樗x的是網(wǎng)卡的地址， 不同的網(wǎng)卡有不同的地址，DM9000EP 訪問的基址為0x20000000, 之所以再偏移0x300 是由它的特性決定的。

（3） 要正確引導(dǎo)Linux 內(nèi)核， 還需要配置下面幾個(gè)重要的宏定義， 這幾個(gè)宏定義不同， 意味著引導(dǎo)Linux 內(nèi)核的方式也不同。

　　#define CONFIG_BOOTARGSnoinitrd root=/dev/mtdblock3

　　init=/linuxrc console=ttySAC0,115200 mem=64M
其中，root =/dev/mtdblock3 是由Linux 中的Nand Flash 分區(qū)所決定的， 意味著Nand Flash 的第4 個(gè)分區(qū)為根文件系統(tǒng)。

　　#define CONFIG_BOOTCOMMANDnand read 0x32000000 0x60000 0x560000;bootm 0x32000000

這個(gè)宏定義是將Nand Flash 中0x60000 -0x560000（ 和kernel 分區(qū)一致） 的內(nèi)容讀到內(nèi)存0x32000000 中， 然后用bootm 命令來執(zhí)行。

要正常地引導(dǎo)Linux 內(nèi)核， 必須要具備如下幾個(gè)條件：

　　（1）CPU 寄存器

　　R0=0 ；

　　R1= 機(jī)器類型ID ； 對(duì)于ARM 結(jié)構(gòu)的CPU， 其機(jī)器類

　　型ID 在linux/arch/arm/tools/mach-types ；

　　R2=啟動(dòng)參數(shù)標(biāo)記列表在RAM 中起始基地址。

（2）CPU 工作模式

　　必須禁止中斷（IRQs 和FIQs ） ；

　　CPU 必須為SVC 模式。

（3）Cach 和MMU 的設(shè)置

　　MMU 必須關(guān)閉；

　　指令Cach 可以打開也可以關(guān)閉；

　　數(shù)據(jù)Cach 必須關(guān)閉。

3 Linux2.6.32.2 內(nèi)核的移植

3.1 內(nèi)核的獲取

　　Linux 內(nèi)核的更新很快， 可以從http://www.kernel.org/pub/linux/kernel/ 得到最新的Linux 內(nèi)核版本， 本文使用的Linux 內(nèi)核版本是Linux -2.6.32.2, 交叉編譯工具使用符合EABI 標(biāo)準(zhǔn)的arm-linux-gcc-4.3.2 。

3.2 內(nèi)核的移植

可以在內(nèi)核的根目錄下， 運(yùn)行make menuconfig 命令， 對(duì)內(nèi)核進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉簦?以適應(yīng)硬件平臺(tái)。

　　對(duì)內(nèi)核進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉簦?以適應(yīng)硬件平臺(tái)。

（1） 修改Makefile 文件

欲設(shè)置Linux 的默認(rèn)平臺(tái)為ARM 平臺(tái)， 需進(jìn)入Linux-2.6.32 文件夾中， 修改此目錄下的Makefile 文件。

　　export KBUILD_BUILDHOST := $（SUBARCH）

　　ARCH ?=arm // 使用的目標(biāo)平臺(tái)

　　CROSS_COMPILE ?=arm-linux- // 使用的交叉編譯器，

這里使用系統(tǒng)默認(rèn)的編譯器

（2） 關(guān)于機(jī)器碼

在啟動(dòng)內(nèi)核時(shí)， 根據(jù)BootLoader 傳入的機(jī)器碼（MACH_TYPE） 來決定應(yīng)啟動(dòng)哪種目標(biāo)平臺(tái)[ 6]， 本開發(fā)平臺(tái)的機(jī)器碼為1999 。機(jī)器碼存放在文件opt/kernel/linux-2.6.32.2/arch/arm/tools/mach-types 中。

　　mini2440 MACH_MINI2440 MINI2440 1999 // 機(jī)器碼

如果機(jī)器碼不匹配， 引導(dǎo)內(nèi)核不成功， 則會(huì)出現(xiàn)如下的錯(cuò)誤提示：

　　Uncompressing

　　Linux……………………………………………………………………………done, booting the kernel.

（3） 修改時(shí)鐘源

將/kernel/linux -2.6.32.2/arch/arm/mach -s3c2440/ 目錄下的mach-smdk2440.c 文件改名為mach-mini2440.c。

因?yàn)閙ini2440 和mach-smdk2440.c 極其相似， 以該文件為基礎(chǔ)進(jìn)行修改， 在mach -mini2440.c 文件中將staticvoid__init smdk2440_map_io （ void ） 函數(shù)中的晶振頻率修改為mini2440 開發(fā)板上實(shí)際使用的12000000。

（4） 為內(nèi)核打上yaffs2 補(bǔ)丁

①Yaffs2 文件系統(tǒng)是專門針對(duì)嵌入式設(shè)備， 特別是使用Nand Flash 作為存儲(chǔ)器的嵌入式設(shè)備而創(chuàng)建的一種文件系統(tǒng)， 使用yaffs2 就可以支持大頁的Nand Flash。

進(jìn)入yaffs2 源代碼目錄執(zhí)行如下命令：

　　#./patch -ker.sh c /opt/FriendlyARM/mini2440/linux -2.6.32.2

②配置內(nèi)核以支持Yaffs2 文件系統(tǒng)

在Linux 內(nèi)核源代碼根目錄運(yùn)行make xconfig， 在“File systems ” 選項(xiàng)中， 找到“Miscellaneous filesystems ” 菜單項(xiàng)， 找到“YAFFS2 file system support ” 并選中它， 這樣就在內(nèi)核中添加了yaffs2 文件系統(tǒng)的支持， 保存并退出。然后在命令行中， 執(zhí)行make zImage 。

（5） 修改Nand Flash 分區(qū)信息

①在mach-mini2440.c 文件中添加Nand Flash 的分區(qū)信息， 下面的代碼將Nand Flash 分成了4 個(gè)分區(qū)， 第1 分區(qū)也是BootLoader 所在的分區(qū)， 對(duì)應(yīng)dev/mtdblock0 ；第2 個(gè)分區(qū)是U-Boot 的參數(shù)分區(qū)， 對(duì)應(yīng)dev/mtdblock1 ；第3 個(gè)分區(qū)是內(nèi)核分區(qū)， 對(duì)應(yīng)dev/mtdblock2 ； 第4 個(gè)分區(qū)為根文件系統(tǒng)分區(qū)對(duì)應(yīng)dev/mtdblock3 。分區(qū)結(jié)構(gòu)圖如表1 所示。

表1 128 MB Nand Flash 的分區(qū)結(jié)構(gòu)圖

其部分實(shí)現(xiàn)代碼如下：

　　static struct mtd_partition mini2440_default_nand_part[] ={

　　[0] = {

　　.name=U-boot,

　　.offset= 0,

　　.size= 0x00040000,

　　}

其中name 是分區(qū)的名字，offset 是偏移的開始地址，size是分區(qū)的大小， 其余部分的分區(qū)與此類似。

②下面代碼是添加Nand Flash 的設(shè)置表， 因?yàn)榘遄由现挥幸黄琋and Flash， 因此也就只有一個(gè)設(shè)置表。

　　static struct s3c2410_nand_set mini2440_nand_sets[] = {

　　[0] = {

　　.name= NAND,

　　.nr_chips= 1,

　　.nr_partitions=

　　ARRAY_SIZE（mini2440_default_nand_part），

　　.partitions= mini2440_default_nand_part,

　　}

　　}

③上面的設(shè)置完成后， 還需要將Nand Flash 設(shè)備注冊(cè)到系統(tǒng)中。下面這段代碼就是將Nand Flash 設(shè)備添加到開發(fā)板的設(shè)備列表結(jié)構(gòu)。

　　static struct platform_device *mini2440_devices [] __initdata

　　= {

　　s3c_device_nand,

　　}

④在mini2440_machine_init 函數(shù)中添加平臺(tái)的數(shù)據(jù)信息。

　　static void __init mini2440_machine_init（void）{

　　s3c_device_nand.dev.platform_data=mini2440_nand_info;

　　}

現(xiàn)在可以進(jìn)入kernel/linux-2.6.32.2/arch/arm/boot 目錄，然后執(zhí)行下面的命令， 就會(huì)在該目錄下生成uImage.img格式的、U-Boot 可以引導(dǎo)的內(nèi)核鏡象。

　　Mkimage – n ‘linux-2.6.32.2 ’ –A arm – O linux–T kernel –C none – a 0x30008000 – e 0x30008000 –d zImage uImage.img

至此， 可以把生成的uImage.img 格式的鏡像文件復(fù)制到tftp 目錄下， 使用tftp 進(jìn)行下載。

3.3 文件系統(tǒng)

所謂根文件系統(tǒng)， 就是創(chuàng)建各個(gè)目錄， 例如在/bin 、/sbin/ 目錄下存放各種可執(zhí)行的程序， 在/etc 目錄下存放配置文件， 在/lib 目錄下存放庫文件。

可以利用Busybox 工具創(chuàng)建根文件系統(tǒng)，Bosybox 是一個(gè)遵循GPL v2 協(xié)議的開源項(xiàng)目， 它在編寫過程中對(duì)文件大小進(jìn)行優(yōu)化， 并考慮了系統(tǒng)資源有限（ 例如內(nèi)存）的情況， 使用Busybox 可以自動(dòng)生成根文件系統(tǒng)所需的bin、sbin、usr 目錄和linuxrc 文件， 可以使用make menuconfig對(duì)Busybox 的選項(xiàng)進(jìn)行配置。

（1） 進(jìn)入opt/kernel, 創(chuàng)建一個(gè)shell 腳本用于構(gòu)建根文件系統(tǒng)的各個(gè)目錄， 并且為其增加執(zhí)行權(quán)限；（2）Linux 中的init 進(jìn)程會(huì)根據(jù)etc/inittab 文件創(chuàng)建其他子進(jìn)程， 下面代碼是inittab 文件中的內(nèi)容， 說明了系統(tǒng)啟動(dòng)后首先執(zhí)行的腳本文件是rcS， 虛擬的終端是串口0， 當(dāng)按下ctr+alt+del 時(shí)重啟系統(tǒng)，inittab 文件的作用就是控制系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)和啟動(dòng)后一些程序的運(yùn)行。

　　#etc/inittab

　　::sysinit:/etc/init.d/rcS

　　s3c2410_serial0::askfirst:-/bin/sh

　　::ctrlaltdel:/sbin/reboot

　　::shutdown:/bin/umount -a-r

（3） 創(chuàng)建etc/init.d/rcS 文件， 這是一個(gè)腳本文件， 可以在里面添加要自動(dòng)執(zhí)行的一些命令。

　　#! /bin/sh

　　PATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin

　　runlevel=S // 運(yùn)行的級(jí)別

　　prevlevel=N

　　umask 022 // 文件夾的掩碼

　　mount -a // 掛載/etc/fstab/ 文件指定的所有的文件系統(tǒng)

　　mdev-s

　　/bin/hostname -F /etc/sysconfig/HOSTNAME// 主機(jī)的名字

使用yaffs 源碼提供的工具制作文件系統(tǒng)的映像文件。由于128 MB 的Nand Flash 是大頁結(jié)構(gòu)， 所以需要使用相應(yīng)的大頁制作工具； 使用命令mkyaffs2image rootfsrootfs.img 生成根文件系統(tǒng)映像文件。

本文通過對(duì)U-Boot 移植和Linux 內(nèi)核移植的討論，給出了移植U-Boot 和Linux 到大多數(shù)開發(fā)板的關(guān)鍵部分。由于移植的復(fù)雜性， 不可能包括全部步驟， 但通過本文的闡述可以了解移植的基本流程和關(guān)鍵點(diǎn)， 為移植不同版本到其他硬件平臺(tái)提供了參考， 也為應(yīng)用程序的開發(fā)搭建了一個(gè)比較完整的嵌入式平臺(tái)。