基于ADSP—BF533的μClinux嵌入式系统移植与开发

Blackfin处理器是基于由美国模拟器件公司(ADI)和Intel公司联合开发的微信号架构(MSA)的首款第4代DSP产品，它是ADI公司16 位产品的一个大系列。这一新产品是专为通信和互联网应用而设计的通用DSP芯片，适合处理广泛用于互联网中的大量图像、声音、文本和数据流，也可应用于汽车电子可视系统、宽带无线系统、消费类多媒体电子、数字摄像机、多通道VoIP、安全和监督、机顶盒和视频电话会议等方面。本文所用到的ADSP一 BF533是Blackfin系列处理器的典型代表。
   l μClinux简介
     μClinux从Linux 2．0／2．4内核派生而来，沿袭主流Linux的绝大部分特性。它是专门针对没有MMU的CPU，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。适用于没有虚拟内存或内存管理单元(MMU)的处理器。由于μClinux在标准的Linux基础上进行了适当的裁剪和优化，形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式 Linux。虽然它的体积很小，但μClinux仍然保留了Linux的大多数的优点：稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持、以及标准丰富的API等。
     μClinux的主要特点如下：
     (1)内存管理
     这部分是μClinux与传统Linux区别最大的地方。对于μClinux来说，其设计针对没有MMU的处理器，即μC1inux不能使用处理器的虚拟内存管理技术，μClinux仍然采用存储器的分页管理。系统在启动时把实际存储器进行分页，在加载应用程序时程序分页加载，但是由于没有MMU管理，因此实际上μClinux采用实存储器管理策略。这一点影响了系统工作的很多方面。
     (2)μC1inux的内核加载方式
     μClinux的内核有2种可选的运行方式：可以在FLASH上直接运行，也可以加载到内存中运行。由于RAM的存取速率要比FLASH高，因此后者可以减少内存需要，运行速度也更快。
     (3)μClinux的文件系统
     μClinux系统采用rotors文件系统。这种文件系统相对于一般的ext2文件系统要求更少的空间。这是由于内核支持romfs文件系统比支持 ext2文件系统需要更少的代码，而且romfs文件系统相对简单建立文件系统超级块(superblock)需要的存储空间更少。
     (4)μClinux的应用程序库
     μClinux小型化的另一个做法是重写应用程序库。相对于越来越大且越来越全的库glibc μClibc对libc做了精简。
     (5)可执行文件格式
     μClinux系统使用flat可执行文件格式。另外，μClinux还提供通用的Linux APl支持完整的TCP／IP协议堆栈和大量其他的网络协议，支持包括NFSext2ROMfs等多种文件系统。
   2 建立μClinux开发环境
     嵌入式系统的开发与一般的应用开发最大的差别在于，前者需要建立特殊的硬件环境，而后者一般基于特定的操作系统或分布式平台。后者的平台已经对硬件或网络媒质做了抽象，从而不需要由系统开发者来完成这些工作。而在嵌入式系统开发中，这也由开发者完成。
     嵌入式系统开发环境一般分成主机端(HOST)和目标板(TARGET)两个部分。主机端是开发平台，用于运行开发过程中的各种工具(如Linux操作系统和ADI提供的集成开发环境Visual DSP++等)；目标板是运行和测试平台，是嵌入式系统的最终驻留环境。在主机端和目标板之间需要通过某种方式进行通信，如使用。RS 232串口或网口。通信的目的在于发送控制指令和传输数据，同时获得反馈信息。图1是系统移植工作的硬件环境。
     目标板的硬件平台如图1所示：
   
   主机端的PC使用COM1和BF533的UART相连接，通过串口完成对目标板的必要控制功能。本文设计的ADSP-BF533目标板上配备有1块SMSC LAN91C111以太网卡芯片和主机端建立原始(raw)IP连接，使用链路层地址完成大批量数据的传送。
     在硬件环境建立之后，就需要创建软件开发环境。软件环境主要是指Blackfin体系结构的交叉编译环境。建立交叉编译环境首先要有交叉开发工具。交叉编译工具是指一组运行在某一种处理器上，却可以编译出另一种处理器卜执行的指令的工具。它由一套用于编译、汇编和链接内核及应用程序的组件组成，通过编译可以使μClinux内核和应用程序在目标设备上运行。
     编译μClinux一般使用GNU开发套件作为交叉编译器工具链，它包括一系列的开发和调试工具。在官方网站 http：／／blackfin．μClinux．org上提供了Blackfin系列处理器内核的交叉编译工具。下载后按照说明解压到Linux系统的相应文件夹里，并设置系统环境变量，使这些交叉编译工具所在的目录为全局环境变量。至此就建立好了μClinux的软件开发环境。
   3 利用U-Boot引导内核
     U-Boot(Universal Boot Loader)是当前比较流行的遵循GPL条件的开放源码项目。也是是嵌入式Linux系统常用的Boot Loader之一。其完成的功能是初始化硬件设备、改变处理器运行模式、重组中断向量和建立内存空间映射图，从而将系统的软硬件带到一个合适的状态或者用户定制的特定状态，以便为最终加载操作系统内核准备好正确的环境。
     U-Boot具有源码公开的特点，开发人员可根据自身需要进行裁减；支持多种处理器和嵌入式操作系统内核；具有多种设备驱动源码：支持种引导方式；具有功能强大且成熟、稳定等诸多优点，故本文采用U-Boot引导μClinux内核。U-Boot严重依赖于底层硬件，不同的CPU或嵌入式板极设备需要不同的U-Boot，不过因为本文的重点是μClinux的移植，所以这里不再详述U-Boot的具体实现过程。
     当系统上电后，U-Boot从地址OxO开始执行，将存储器映射重新配置，如图1所示，并会执行μClinux的固化内核。
   
   U一Boot可以使用ADI的仿真软件Visual DSP++通过仿真器或JTAG口下载到目标板上。
   
4 μClinux内核的编译和移植
     作为操作系统的核心，μClinux内核负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件系统和网络系统，决定着系统的各种性能。μClinux内核采用模块化的组织结构，通过增减内核模块的方式来增减系统的功能。
4．1 内核配置
     虽然μClinux的内核代码大部分独立于处理器和其体系结构，但是最底层的代码还是基于特定系统的。虽然各个系统存在相同之处，但是它们的中断处理上下文、内存映射的维护、任务上下文和初始化过程是独特的。这些例行程序放置在μClinux代码树的aroh／目录下。这里需要根据自己的硬件平台来配置内核代码。配置过程如下：
     可以从官方网站http：／／blackfin．μClinux．org处下载μClinux-list的内核源代码。运行解压命令：将tar- xvfμClinux-dist．tar．gz解压完毕后，就会生成／μClinux-dist目录，加入该目录后按如下顺序编译内核：
     (1)make menuconfig；进入菜单方式配置指令；
     (2)选择所使用的平台类型和所使用的库
     本文设计的目标板选择：AnalogDevices／BF533一EZ-KIT和μC-libc库。在配置栏中，选择Load an AlternateConfiguration File，按确认，退出配置栏；
     (3)make dep；寻找依存关系；
     (4)make clean；清除以前构造内核时生成的所有目标文件、模块文件和一些临时文件；
     (5)make lib_only；编译库文件；
     (6)make user_only；编译用户应用程序文件；
     (7)make tomfs；生成romfs文件系统；
     (8)make image；生成镜像文件然后通过Jtag口输入到目标板；
     (9)make；通过各个目录的makefile文件进行，会在各目录下生成一大堆目标文件。
     在上述步骤完成后，就完成了对μClinux源码的编译工作。最后会在／μClinux-dist／images目录下看到3个内核文件：linux．dxe，linux．bin和zlmage．bin。如果编译不成功，需要根据编译过程的提示信息找到错误并重新编译，直到成功为止。
4．2 修改配置内核代码
     直接由源代码编译生成的内核映像文件一般不会启动成功，需要根据自己的目标板进行配置。需要修改系统启动初始化文件crt0_ram．s，sysinit．c和ram．1d。
     在crt0_ram．s中需要根据自己的目标板修改基地址、存储器大小和起始地址。在sysinit．c中需要修改片选设置，分别对FLASH和 SDRAM进行片选设置。在ram．1d中修改内核连接加载地址。做完上面的修改，重新编译生成linux．dxe等文件。
4．3 μClinux内核的下载与执行
     μClinux内核有2种可选的运行方式：一种是在FLASH上直接运行；另一种是加载到内存中运行，系统启动时从FLASH中读取压缩的内核代码(存储器空间有限，所以一般需要压缩内核代码)到内存中解压，然后开始执行，这种方法比第一种的速度更快(RAM的存取速度比FLASH的快)。所以选取第二种方法。
     编译好的内核文件可以由Visual DSP++开发装置，通过网口或串口把linux．dxe下载到目标板的FLASH中，从设定的入口地址(一般为Oxl000)执行即可启动内核。
     启动μClinux就可以在超级终端看到μClinux的欢迎信息和简单的shell提示符，界面如图3所示。
   
   5 在μClinux下添加应用程序
     为了方便，μClinux用户层的应用程序代码都放在／μClinux-dist／user／目录下，否则要自己重新定义很多宏，而且容易出错。具体实现过程如下：
     (1)在工作目录的user目录下创建应用程序的文件夹user／app然后编写应用程序，编写方法和普通的应用程序一样；
     (2)在文件／user／Makefile里添加如下一句以便把用户的应用加入到μClinux系统的编译列表中；
       dir_MYM(CONFIG_USER_MYAPP)+=app
       (3)在/config/config.in里加入如下语句：
   
   这样在编译时会多1个配置选项，当选择这一选项时，字符串“CONFIG USER MYAPP”就会定义为“Y，参考上一个步骤，dir Y+=app，应用会被编译入内核
       (4)为便于内核配置在／eonfig／config．help中加入有关该应用的帮助说明；
     (5)回到／μClinux-dist目录，执行make编译μClinux系统内核和这里的应用程序。
   6 结 语
     对于嵌入式系统开发人员来说，要将嵌入式操作系统应用到嵌入式系统中，首先要做的工作是根据不同的硬件平台移植操作系统，掌握移植的方法非常重要。
     本文所述的移植方法已经成功应用于多个项目的开发。所述的移植虽然是针对Blackfin处理器芯片ADSP-BF533，但重点阐述的是移植的思路和方法。对将μClinux移植到其他处理器为核心的硬件平台也有借鉴作用。
     本文从如何将嵌入式操作系统μClinux与特定硬件相结合出发，分析移植μClinux到ADSP-BF533的过程。