基于ARM的嵌入式Linux移植真實(shí)體驗(yàn)（3）――操作系統(tǒng)

Linux內(nèi)核源代碼包括多個(gè)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(dòng)代碼，如char、cdrom、scsi、mtd等；

（3）include：通用頭文件及針對(duì)不同平臺(tái)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(jìn)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(kù)文件，與平臺(tái)無(wú)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(shí)現(xiàn)中，有一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使用非常頻繁，對(duì)研讀內(nèi)核的人來(lái)說(shuō)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(gè)進(jìn)程，用task_struct指針形成一個(gè)task數(shù)組。當(dāng)建立新進(jìn)程的時(shí)候，Linux為新的進(jìn)程分配一個(gè)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(hù)current指針，它指向當(dāng)前正在運(yùn)行的進(jìn)程。

2.mm_struct

每個(gè)進(jìn)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(gè)區(qū)域。

3.inode

Linux虛擬文件系統(tǒng)中的文件、目錄等均由對(duì)應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)(inode)代表。

2.Linux移植項(xiàng)目

mizi-linux已經(jīng)根據(jù)Linux 2.4內(nèi)核針對(duì)S3C2410A這一芯片進(jìn)行了有針對(duì)性的移植工作，包括：

（1）修改根目錄下的Makefile文件

a.指定目標(biāo)平臺(tái)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(duì)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(duì)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(duì)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(lái)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(jìn)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(duì)Linux內(nèi)核有很好的掌握，同時(shí)掌握硬件特定的知識(shí)和相關(guān)的匯編。幸而mizi公司的開(kāi)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?cè)趯izi-linux移植到自身開(kāi)發(fā)的電路板的過(guò)程中只需要關(guān)心如下幾點(diǎn)：

（1）內(nèi)核初始化：Linux內(nèi)核的入口點(diǎn)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(dòng)，標(biāo)定延遲循環(huán)，最重要的是能夠fork“init”進(jìn)程，以啟動(dòng)整個(gè)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(dòng)：設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dú)講解驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)方法。

(3)文件系統(tǒng)：Linux最重要的特性之一就是對(duì)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(hù)能夠查看存儲(chǔ)設(shè)備上的文件和路徑而無(wú)須考慮實(shí)際物理設(shè)備的文件系統(tǒng)類(lèi)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(gè)完整的虛擬文件系統(tǒng)的形式呈現(xiàn)給用戶(hù)。

我們可以在K9S1208 NAND FLASH上移植cramfs、jfss2、yaffs等FLASH文件系統(tǒng)。

3. init進(jìn)程

在init函數(shù)中“加料”，可以使得Linux啟動(dòng)的時(shí)候做點(diǎn)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(dòng)過(guò)程中，會(huì)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(chǔ)設(shè)備上的邏輯上單位上的一種定義文件的命名、存儲(chǔ)、組織及取出的方法。如果一個(gè)Linux沒(méi)有根文件系統(tǒng)，它是不能被正確的啟動(dòng)的。因此，我們需要為L(zhǎng)inux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(biāo)準(zhǔn)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(fǎng)問(wèn)的，系統(tǒng)上的每個(gè)設(shè)備都在/dev里有一個(gè)對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件；

（3）/etc (etcetera)：這個(gè)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(dòng)時(shí)要mount 的filesystem；

（4）/home：存放用戶(hù)主目錄；

（5）/lib(library)：存放系統(tǒng)最基本的庫(kù)文件；

（6）/mnt：用戶(hù)臨時(shí)掛載文件系統(tǒng)的地方；

（7）/proc：linux提供的一個(gè)虛擬系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)在內(nèi)存中產(chǎn)生，用戶(hù)可以直接通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)這些文件來(lái)獲得系統(tǒng)信息；

（8）/root：超級(jí)用戶(hù)主目錄；

（9）/sbin：這個(gè)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(shí)產(chǎn)生的臨時(shí)文件；

（11）/usr(user)：存放用戶(hù)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?yàn)槠渲刑峁┝讼到y(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(guó)軍人的必備工具，并廣泛應(yīng)用于民間，而B(niǎo)usyBox也被稱(chēng)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(hù)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(gè)目錄，將需要放到文件系統(tǒng)的文件copy到這個(gè)目錄，運(yùn)行“mkcramfs 目錄名 image名”就可以生成一個(gè)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(duì)于cramfs閃存文件系統(tǒng)，如果沒(méi)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(xiě)數(shù)據(jù)。jfss2 是一個(gè)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(diǎn)在閃存上順序地存儲(chǔ)。jfss2記錄了每個(gè)擦寫(xiě)塊的擦寫(xiě)次數(shù)，當(dāng)閃存上各個(gè)擦寫(xiě)塊的擦寫(xiě)次數(shù)的差距超過(guò)某個(gè)預(yù)定的閥值，開(kāi)始進(jìn)行磨損平衡的調(diào)整。調(diào)整的策略是，在垃圾回收時(shí)將擦寫(xiě)次數(shù)小的擦寫(xiě)塊上的數(shù)據(jù)遷移到擦寫(xiě)次數(shù)大的擦寫(xiě)塊上以達(dá)到磨損平衡的目的。

與mkcramfs類(lèi)似，同樣有一個(gè)mkfs.jffs2工具可以將一個(gè)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(yùn)行的命令為：

mkfs.jffs2 -d /bin -o jffs2.img

4.3 yaffs

yaffs 是一種專(zhuān)門(mén)為嵌入式系統(tǒng)中常用的閃存設(shè)備設(shè)計(jì)的一種可讀寫(xiě)的文件系統(tǒng)，它比jffs2 文件系統(tǒng)具有更快的啟動(dòng)速度，對(duì)閃存使用壽命有更好的保護(hù)機(jī)制。為使Linux支持yaffs文件系統(tǒng)，我們需要將其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)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(gè)MTD塊設(shè)備分區(qū)格式化為yaffs），而使用mkyaffsimage（類(lèi)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(guò)以太網(wǎng)掛接根文件系統(tǒng)，這是一種經(jīng)常用來(lái)作為調(diào)試使用的文件系統(tǒng)啟動(dòng)方式。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)掛接的根文件系統(tǒng)，可以在主機(jī)上生成ARM 交叉編譯版本的目標(biāo)文件或二進(jìn)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(xiě)入flash。

采用不同的文件系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，要注意通過(guò)第二章介紹的BootLoader修改啟動(dòng)參數(shù)，如廣州友善之臂的demo提供如下三種啟動(dòng)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(xiàng)目、init進(jìn)程修改和文件系統(tǒng)移植，通過(guò)這些步驟，我們可以在嵌入式系統(tǒng)上啟動(dòng)一個(gè)基本的Linux。