1. 引言

ARM處理器是當今應用最為廣泛的處理器芯片，它功耗小、成本低、性能優(yōu)越，在消費電子類產品中占據主導地位。Linux操作系統(tǒng)近年來在嵌入式領域中發(fā)展很快，由于其強大的性能和開源免費的特點，越來越受到嵌入式系統(tǒng)開發(fā)商的青睞，信息家電、網絡設備、手持終端等都是嵌入式Linux應用的廣大市場。

在嵌入式開發(fā)中，把操作系統(tǒng)移植到開發(fā)板是進行嵌入式應用開發(fā)的前提和基礎。ARM Linux是針對ARM體系結構的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。本文主要闡述了將ARM Linux系統(tǒng)移植到基于PXA255處理器的開發(fā)板CSB226上的方法和關鍵技術。

2. 軟硬件平臺環(huán)境

2.1. 硬件平臺

（1）PXA255處理器

Intel PXA255是基于XScale微架構的一款嵌入式應用處理器，它在XScale結構的基礎上集成了眾多的外設接口，如：PCMCIA控制器、LCD控制器、多媒體通信口等，是專為高性能、低功耗的便攜式手持設備而開發(fā)的。CSB226是基于PXA255處理器而設計的一款開發(fā)板，本文的移植工作就是在此開發(fā)板上進行的。CSB226還配置有許多外設，包括：64MB SDRAM內存、32MB Flash、CS8900A以太網控制器、CF接口等。CSB226開發(fā)板系統(tǒng)結構框圖^[2]如圖1所示。

圖1 CSB226開發(fā)板系統(tǒng)結構框圖

（2）硬件環(huán)境搭建

嵌入式開發(fā)通常采用宿主機―目標機的主從開發(fā)模式^[3]。宿主機指開發(fā)主機，由一臺通用PC機或工作站構成；目標機即指嵌入式設備，在本文中是CSB226開發(fā)板。硬件的連線圖如圖2所示，開發(fā)板和宿主機之間通過串口、以太網或JTAG口等進行通信，采用“交叉”開發(fā)方式。本文采用硬件仿真工具BDI2000進行軟件的調試，仿真器一端通過JTAG口與目標機相連，另一端用網線與宿主機相連。

圖2 主機和目標機的連線圖

2.2. 軟件環(huán)境

本文開發(fā)主機采用RedHat9.0操作系統(tǒng)。首先需要對開發(fā)主機和目標機做一些設置，然后搭建交叉編譯和調試環(huán)境，具體步驟如下：

在開發(fā)主機上需要做以下設置：（1）啟動NFS服務，為目標機使用NFS文件系統(tǒng)做準備；（2）安裝TFTP服務器，為目標機從主機上下載文件提供服務；（3）啟動Telnet服務；（4）安裝Minicom工具，它是Linux環(huán)境下的超級終端工具，用它與目標機進行串口通信。另外，目標機上需要設置IP地址，與開發(fā)主機設置在同一網段。

對于交叉編譯環(huán)境，使用最廣泛的ARM Linux交叉工具鏈為arm-linux-toolchain，由bin、include、lib三部分組成。調試環(huán)境的搭建使用GNU/GDB調試工具，安裝后生成ARM平臺的交叉調試工具arm-linux-gdb。

3. 基于PXA255的ARM Linux移植關鍵技術

3.1. 內核定制

Linux內核和文件系統(tǒng)是嵌入式Linux的兩個核心部分。首先進行內核的編譯，在開發(fā)主機上配置編譯ARM Linux內核，生成一個針對CSB226平臺的Linux內核映像zImage。

本文使用2.4.19版本的標準內核，編譯內核的步驟如下：（1）準備Linux內核源代碼linux-2.4.19.tar和平臺相關的系列補丁：patch-2.4.19-rmk7.gz、diff-2.4.19-rmk7-pxa2.gz、linux-2.4.19-rmk7-pxa2-ptx14.diff。（2）解壓源碼包并按順序打上幾個補丁，再對內核源碼的配置文件作適當的修改，然后用make dep，make zImage命令進行編譯，如果編譯成功會在Linux源碼arch/arm/boot目錄下生成內核映像文件zImage。

在內核成功編譯之前，關鍵是對內核源碼做適當的修改，以適應特定的開發(fā)平臺。本文中對源碼的修改有如下幾點：（1）將Makefile文件中的編譯器改為交叉編譯器arm-linux-gcc，體系結構改為ARM。（2）本文中使用NFS方式掛載文件系統(tǒng)，因此，需要在CSB226的默認配制文件linux/arch/arm/def-configs/csb226中設置配置命令行的屬性：CONFIG_CMDLINE ="root=/dev/nfs rw nfsroot=10.0.0.1:/home/busybox ip=10.0.0.2 mem=64M console=tty0 console=ttyS0,38400"，其中“root=/dev/nfs”指定設備文件，“10.0.0.1:/home/busybox”是文件系統(tǒng)所在開發(fā)主機的IP地址和目錄位置，10.0.0.2是目標機的IP地址。主機端和目標機的串口通信波特率要一致，本項目中是38400。（3）在源碼linux/arch/arm/tools/目錄下的mach-types文件中添加CSB226的宏定義和機器號，CSB226的機器號是216，這個整數是唯一的，在啟動初始化的時候會把它賦給微處理器的R1寄存器。（4）用make menuconfig命令對默認配置做一些調整，比如添加外設、網絡協(xié)議和文件格式等選項。

成功生成映像文件zImage后，就可以下載到目標機運行了，但只有這個內核還無法與系統(tǒng)交互，還需要一個文件系統(tǒng)。

3.2. 文件系統(tǒng)

（1）嵌入式文件系統(tǒng)制作

本文采用Busybox工具包組建嵌入式文件系統(tǒng)。直接配置編譯Busybox就可以創(chuàng)建/bin、/sbin、/usr等目錄，其中包含了大部分常用的命令，但Busybox并不提供與登錄相關的命令如：login、getty、passwd等，這需要用Tinylogin軟件包生成。/lib目錄的動態(tài)庫文件可以用Glibc生成。/dev目錄下是系統(tǒng)所用的設備節(jié)點，只需要根據當前平臺對外設的支持情況逐個地添加即可。/etc目錄是系統(tǒng)配置文件和子目錄，比如啟動配置、網絡配置等，需要針對特定應用啟動相應的服務和進程。

（2）文件系統(tǒng)的掛載

創(chuàng)建好文件系統(tǒng)的目錄結構后，還需要將目錄制作成某種格式的文件系統(tǒng)，掛載到Linux內核下使用。常用的掛載方式有Ramdisk、JFFS2、NFS，其中NFS（Network File System）是網絡文件系統(tǒng)，它的優(yōu)點是可以從主機上直接修改文件系統(tǒng)，方便開發(fā)。本文使用NFS的掛載方式，將根文件系統(tǒng)是放在開發(fā)主機上，開發(fā)主機提供網絡共享服務，目標機在啟動時通過NFS方式掛載根文件系統(tǒng)。

3.3. 設備驅動移植

將Linux內核移植到CSB226開發(fā)板上后，還需要移植常用外設的驅動程序，如：LCD液晶屏、鼠標、鍵盤、CF卡等。下面重點闡述LCD液晶屏和CF卡的移植過程。

（1）LCD液晶屏的驅動移植

Linux中的Framebuffer幀緩沖驅動分為三層^[4]，中間層及上層是設備無關的軟件層，底層是與硬件相關的幀緩沖驅動，因此，LCD驅動移植主要是驅動幀緩沖硬件設備，在本文中對應于CSB226平臺上的LCD控制器和其外接的TFT LCD顯示器。

基于PXA255微處理器的不同平臺的差異主要在于外接的LCD顯示屏硬件的差異，因此對于不同平臺的幀緩沖驅動程序的差別主要是在LCD控制寄存器中顯示屏規(guī)格參數的設置上有不同。LCD寄存器中的初始規(guī)格參數是在頭文件drivers/video/pxafb.h的宏定義中設置的，因此對于不同的硬件平臺只要更改硬件的規(guī)格參數即可。這些參數是在初始化函數pxafb_init()中進行配置的。

（2）CF卡的驅動移植

CF（Compact Flash）接口是一種標準的擴展接口，主要用于擴展存儲空間，如本文使用的128M CF存儲卡，也可以外接其他設備，如CF接口的modem、無線網卡等。

在Linux系統(tǒng)下，由于CF卡與PCMCIA設備控制器兼容，通常把CF卡當作PC Card設備進行驅動和管理。PCMCIA的插槽驅動和PC卡驅動與硬件直接相關，是驅動移植中需要重新實現的部分。CF存儲卡的驅動可以直接使用標準的ATA/IDE設備驅動ide-cs模塊，因此在CSB226平臺上驅動CF存儲卡，只需要編寫PCMCIA控制器的驅動。

PXA225片上的PCMCIA控制器驅動的初始化函數為pxa_pcmcia_driver_init()，它調用底層PCMCIA接口函數初始化具體平臺上的插槽接口設備。這些底層函數是板級驅動與插槽驅動之間的標準接口，定義在結構體struct pcmcia_low_level中。CF卡驅動移植的主要工作就是實現pcmcia_low_level結構體中底層平臺相關的5個接口函數。pcmcia_low_level數據結構如下：

struct pcmcia_low_level {

int (*init)(struct pcmcia_init *);

int (*shutdown)(void);

int (*socket_state)(struct pcmcia_state_array *);

int (*get_irq_info)(struct pcmcia_irq_info *);

int (*configure_socket)(unsigned int, socket_state_t *);

};

l init函數，主要完成三個工作：執(zhí)行平臺相關的初始化任務；設置所需要中斷信號的方向和邊緣觸發(fā)方式；注冊設備發(fā)現中斷與對應的中斷處理函數。

l shutdown函數，在卸載驅動時使用，用來釋放所申請的資源。

l socket_state函數，設置插槽的初始化狀態(tài)信息，完成對輸入參數所包含的數據結構struct pcmcia_state賦值，需要根據實際插槽的狀態(tài)信息正確設置此數據結構。

l get_irq_info函數，用來獲得每個插槽接口設備上的Ready中斷信號。

l configure_socket函數，由上層驅動調用，用來動態(tài)改變插槽的狀態(tài)，比如工作電壓VCC、可編程電壓VPP等。

將PCMCIA驅動程序成功編譯進內核后，還需要使用卡管理工具cardmgr監(jiān)測CF卡設備，當CF存儲卡插入到CSB226開發(fā)板的插槽時，cardmgr會發(fā)現該設備并完成設備的加載。

4. 應用實例

在CSB226開發(fā)板上成功移植了ARM Linux后，可以進行多種應用開發(fā)，如：電子地圖查詢系統(tǒng)，娛樂游戲機等。本文在CSB226開發(fā)板上插入一塊基于Prism2芯片組的CF接口的無線網卡，由于已經成功驅動了CF接口，所以只需要將無線接入點程序Host AP編譯到ARM Linux內核中，再使用網橋工具將CSB226開發(fā)板自身的10MBit以太網和無線網絡橋接起來，這個開發(fā)板就可以作為一臺無線接入點工作了。

5. 結論

Linux操作系統(tǒng)在嵌入式設備中應用越來越廣泛。本文針對基于PXA255處理器的開發(fā)板進行了系統(tǒng)移植，闡述了移植中的關鍵技術，如：內核的修改、文件系統(tǒng)建立、設備驅動的移植，最后在開發(fā)板上實現了無線接入點。本文的移植過程對于其他類型微處理器上Linux的移植也具有參考價值。

本文作者創(chuàng)新點：基于CSB226開發(fā)板進行了ARM Linux操作系統(tǒng)的移植，對LCD和CF卡設備驅動的平臺相關部分進行了重寫。最后在開發(fā)板上實現了無線接入點的應用。

參考文獻：

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