基于ARM和Linux的嵌入式平台的构建

关键字：ARM Linux

        进入后PC 时代以来， 伴随着设计和制造技术的发展， 集成电路从当初的晶体管集成发展到现在的IP 集成， 即SoC（System on Chip ） 设计技术。促使嵌入式系统渗透到了当今社会中的各个行业， 并且发挥越来越重要的作用。嵌入式系统一般可定义为以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适用于应用系统且对功能、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统，它的主要特点是嵌入、应用。
    　　随着各种嵌入式设备功能越来越强大， 在设备中使用嵌入式操作系统也成为必然。Linux 操作系统具有开放源代码、易于移植、资源丰富、免费等特点， 在嵌入式领域的地位越来越重要。嵌入式Linux 和PC 上的Linux是同一套内核代码， 只是裁剪的程度不一样， 所以， 很多在PC 上开发的软件， 经过交叉编译后可以直接在嵌入式设备上运行。本文主要涉及到Bootloader 移植和Linux-2.6.32.2 内核的移植、根文件系统移植、在S3C2440平台上构建完整的嵌入式开发平台三个方面。
    　　1 交叉开发环境的建立
    　　在进行嵌入式软件开发之前， 必须要在PC 上建立ARM 的交叉编译环境。交叉编译就是在PC 平台上生成可以在ARM 平台上运行的代码。其中主要包括ARM 的交叉编译器arm-elf-gcc 和交叉连接器arm-elf-ld 。本文采用的交叉编译器的版本是gcc -3.4.5 -glibc -2.3.6 。
    　　交叉编译流程如图1 所示。
   
    图1 嵌入式系统交叉编译流程
    　　2 BootLoader 引导加载程序
    　　BootLoader 是一段在系统上电时开始执行的程序，用以初始化硬件设备， 准备好软件环境， 设置好启动参数， 最后引导操作系统， 与PC 上的BIOS 程序相似。当前开放源码的Linux 引导程序主要有x86 架构的LILO、GRUB， 对于ARM 架构的主要有Vivi 和U-Boot 。本文使用U-Boot 作为引导程序。U-Boot（Universal Boot Loader） ，即通用的BootLoader ， 遵循GPL 条款开放源代码。U-Boot相对于Vivi 功能更加强大， 也更方便后续程序的调试。
    　　BootLoader 的启动一般分为两个阶段， 第一阶段的代码主要是用汇编语言编写， 主要的功能是完成硬件设备的初始化， 为加载第二阶段的代码准备RAM 空间， 设置好堆栈； 第二阶段主要用C 语言编写， 检测内存映射， 将内核映像和根文件系统从Nand Flash 读到RAM中， 为内核启动设置参数， 引导内核。
    　　U-Boot 的源代码可以从ftp://ftp.denx.de/pub/u-boot/进行下载， 本文使用的U-Boot 版本是U-Boot2009.08 。
    　　移植U-Boot 的关键步骤如下：
    　　（1） 首先， 将include/configs 目录下的smdk2410.h 复制并改名为mini2440.h ， 根据U-Boot 的说明可以知道，如果要使用开发板board/ ， 则先执行“make  ”_config 命令进行配置， 然后执行“make all ” ， 生成可执行文件。所以， 修改U-Boot 顶层的Makefile 文件， 添加下面一行mini2440_config : unconfig@ $ （MKCONFIG） $ （@:_config = ） arm arm920t mini2440frank s3c24x0 。这里有几个重要的参数，arm 指CPU 的架构，arm920t 指CPU 的类型，s3c24x0 指CPU 的型号。这样就可以使用make mini2440_config 这条命令进行配置。
    　　（2）本文使用的U-Boot 是从Nand Flash 启动的， CPU可以直接访问Nand Flash 中前4 KB 代码， 利用这4 KB代码把U-Boot 中绝大部分代码拷贝到内存中[ 3]。其中下面的代码就是调用C 语言中的Nand Flash 的读写函数， 该函数主要把Nand Flash 中4 KB 以后的代码复制到RAM 中。在编写nand_read_ll 的函数时， 注意参考Nand Flash 的数据手册， 对大页和小页的Nand Flash ， 其读写的命令和时序是不同的。
    　　@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
    　　由于在后面加载Linux 内核和根文件系统时， 使用的是tftp 方式， 所以必须添加DM9000EP 网卡的驱动。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， 因为它定义的是网卡的地址， 不同的网卡有不同的地址，DM9000EP 访问的基址为0x20000000, 之所以再偏移0x300 是由它的特性决定的。
    　　（3） 要正确引导Linux 内核， 还需要配置下面几个重要的宏定义， 这几个宏定义不同， 意味着引导Linux 内核的方式也不同。
    　　#define CONFIG_BOOTARGS"noinitrd root=/dev/mtdblock3
    　　init=/linuxrc console=ttySAC0,115200 mem=64M"
    　　其中，root =/dev/mtdblock3 是由Linux 中的Nand Flash 分区所决定的， 意味着Nand Flash 的第4 个分区为根文件系统。
    　　#define CONFIG_BOOTCOMMAND"nand read 0x32000000 0x60000 0x560000;bootm 0x32000000"
    　　这个宏定义是将Nand Flash 中0x60000 -0x560000（ 和kernel 分区一致） 的内容读到内存0x32000000 中， 然后用bootm 命令来执行。
    　　要正常地引导Linux 内核， 必须要具备如下几个条件：
    　　（1）CPU 寄存器
    　　R0=0 ；
    　　R1= 机器类型ID ； 对于ARM 结构的CPU， 其机器类
    　　型ID 在linux/arch/arm/tools/mach-types ；
    　　R2=启动参数标记列表在RAM 中起始基地址。
    　　（2）CPU 工作模式
    　　必须禁止中断（IRQs 和FIQs ） ；
    　　CPU 必须为SVC 模式。
    　　（3）Cach 和MMU 的设置
    　　MMU 必须关闭；
    　　指令Cach 可以打开也可以关闭；
    　　数据Cach 必须关闭。
    　　3 Linux2.6.32.2 内核的移植
    　　3.1 内核的获取
    　　Linux 内核的更新很快， 可以从http://www.kernel.org/pub/linux/kernel/ 得到最新的Linux 内核版本， 本文使用的Linux 内核版本是Linux -2.6.32.2, 交叉编译工具使用符合EABI 标准的arm-linux-gcc-4.3.2 。
    　　3.2 内核的移植
    　　可以在内核的根目录下， 运行make menuconfig 命令， 对内核进行适当的裁剪， 以适应硬件平台。
    　　对内核进行适当的裁剪， 以适应硬件平台。
    　　（1） 修改Makefile 文件
    　　欲设置Linux 的默认平台为ARM 平台， 需进入Linux-2.6.32 文件夹中， 修改此目录下的Makefile 文件。
    　　export KBUILD_BUILDHOST := $（SUBARCH）
    　　ARCH ?=arm // 使用的目标平台
    　　CROSS_COMPILE ?=arm-linux- // 使用的交叉编译器，
    　　这里使用系统默认的编译器
    　　（2） 关于机器码
    　　在启动内核时， 根据BootLoader 传入的机器码（MACH_TYPE） 来决定应启动哪种目标平台[ 6]， 本开发平台的机器码为1999 。机器码存放在文件opt/kernel/linux-2.6.32.2/arch/arm/tools/mach-types 中。
    　　mini2440 MACH_MINI2440 MINI2440 1999 // 机器码
    　　如果机器码不匹配， 引导内核不成功， 则会出现如下的错误提示：
    　　Uncompressing
    　　Linux……………………………………………………………………………done, booting the kernel.
    （3） 修改时钟源
      
    　　将/kernel/linux -2.6.32.2/arch/arm/mach -s3c2440/ 目录下的mach-smdk2440.c 文件改名为mach-mini2440.c。
    　　因为mini2440 和mach-smdk2440.c 极其相似， 以该文件为基础进行修改， 在mach -mini2440.c 文件中将staticvoid__init smdk2440_map_io （ void ） 函数中的晶振频率修改为mini2440 开发板上实际使用的12000000。
    　　（4） 为内核打上yaffs2 补丁
    　　①Yaffs2 文件系统是专门针对嵌入式设备， 特别是使用Nand Flash 作为存储器的嵌入式设备而创建的一种文件系统， 使用yaffs2 就可以支持大页的Nand Flash。
    　　进入yaffs2 源代码目录执行如下命令：
    　　#./patch -ker.sh c /opt/FriendlyARM/mini2440/linux -2.6.32.2
    　　②配置内核以支持Yaffs2 文件系统
    　　在Linux 内核源代码根目录运行make xconfig， 在“File systems ” 选项中， 找到“Miscellaneous filesystems ” 菜单项， 找到“YAFFS2 file system support ” 并选中它， 这样就在内核中添加了yaffs2 文件系统的支持， 保存并退出。然后在命令行中， 执行make zImage 。
    　　（5） 修改Nand Flash 分区信息
    　　①在mach-mini2440.c 文件中添加Nand Flash 的分区信息， 下面的代码将Nand Flash 分成了4 个分区， 第1 分区也是BootLoader 所在的分区， 对应dev/mtdblock0 ；第2 个分区是U-Boot 的参数分区， 对应dev/mtdblock1 ；第3 个分区是内核分区， 对应dev/mtdblock2 ； 第4 个分区为根文件系统分区对应dev/mtdblock3 。分区结构图如表1 所示。
    表1 128 MB Nand Flash 的分区结构图
   
    　　其部分实现代码如下：
    　　static struct mtd_partition mini2440_default_nand_part[] ={
    　　[0] = {
    　　.name="U-boot",
    　　.offset= 0,
    　　.size= 0x00040000,
    　　}
    　　其中name 是分区的名字，offset 是偏移的开始地址，size是分区的大小， 其余部分的分区与此类似。
    　　②下面代码是添加Nand Flash 的设置表， 因为板子上只有一片Nand Flash， 因此也就只有一个设置表。
    　　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上面的设置完成后， 还需要将Nand Flash 设备注册到系统中。下面这段代码就是将Nand Flash 设备添加到开发板的设备列表结构。
    　　static struct platform_device *mini2440_devices [] __initdata
    　　= {
    　　&s3c_device_nand,
    　　}
    　　④在mini2440_machine_init 函数中添加平台的数据信息。
    　　static void __init mini2440_machine_init（void）{
    　　s3c_device_nand.dev.platform_data=&mini2440_nand_info;
    　　}
    　　现在可以进入kernel/linux-2.6.32.2/arch/arm/boot 目录，然后执行下面的命令， 就会在该目录下生成uImage.img格式的、U-Boot 可以引导的内核镜象。
    　　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 格式的镜像文件复制到tftp 目录下， 使用tftp 进行下载。
    　　3.3 文件系统
    　　所谓根文件系统， 就是创建各个目录， 例如在/bin 、/sbin/ 目录下存放各种可执行的程序， 在/etc 目录下存放配置文件， 在/lib 目录下存放库文件。
    　　可以利用Busybox 工具创建根文件系统，Bosybox 是一个遵循GPL v2 协议的开源项目， 它在编写过程中对文件大小进行优化， 并考虑了系统资源有限（ 例如内存）的情况， 使用Busybox 可以自动生成根文件系统所需的bin、sbin、usr 目录和linuxrc 文件， 可以使用make menuconfig对Busybox 的选项进行配置。
    　　（1） 进入opt/kernel, 创建一个shell 脚本用于构建根文件系统的各个目录， 并且为其增加执行权限；（2）Linux 中的init 进程会根据etc/inittab 文件创建其他子进程， 下面代码是inittab 文件中的内容， 说明了系统启动后首先执行的脚本文件是rcS， 虚拟的终端是串口0， 当按下ctr+alt+del 时重启系统，inittab 文件的作用就是控制系统启动时和启动后一些程序的运行。
    　　#etc/inittab
    　　::sysinit:/etc/init.d/rcS
    　　s3c2410_serial0::askfirst:-/bin/sh
    　　::ctrlaltdel:/sbin/reboot
    　　::shutdown:/bin/umount -a-r
    　　（3） 创建etc/init.d/rcS 文件， 这是一个脚本文件， 可以在里面添加要自动执行的一些命令。
    　　#! /bin/sh
    　　PATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin
    　　runlevel=S // 运行的级别
    　　prevlevel=N
    　　umask 022 // 文件夹的掩码
    　　mount -a // 挂载/etc/fstab/ 文件指定的所有的文件系统
    　　mdev-s
    　　/bin/hostname -F /etc/sysconfig/HOSTNAME// 主机的名字
    　　使用yaffs 源码提供的工具制作文件系统的映像文件。由于128 MB 的Nand Flash 是大页结构， 所以需要使用相应的大页制作工具； 使用命令mkyaffs2image rootfsrootfs.img 生成根文件系统映像文件。
    　　本文通过对U-Boot 移植和Linux 内核移植的讨论，给出了移植U-Boot 和Linux 到大多数开发板的关键部分。由于移植的复杂性， 不可能包括全部步骤， 但通过本文的阐述可以了解移植的基本流程和关键点， 为移植不同版本到其他硬件平台提供了参考， 也为应用程序的开发搭建了一个比较完整的嵌入式平台。