基于ARM和Linux的嵌入式平台的构建-AET-电子技术应用

基于ARM和Linux的嵌入式平台的构建

来源：微型机与应用2011年第12期

曾福振，闵联营

(武汉理工大学计算机科学与技术学院，湖北武汉430063)

摘要： 首先介绍了嵌入式系统的概念，及相关硬件平台和软件版本。然后，主要介绍了嵌入式Linux的引导程序U-Boot的移植，以及开源、免费操作系统Linux2.6.32.2的移植。最后，构建了基于Nand Flash存储器的Yaffs2文件系统，利用BusyBox创建根文件系统。基于ARM和嵌入式Linux的嵌入式系统平台搭建基本完成，可以在此平台上添加更多驱动，以便更好地开发应用程序。

关键词： 嵌入式操作系统 ARM 嵌入式 Linux U-boot 移植

Abstract：

Key words :

　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[1]。
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[2]。交叉编译流程如图1所示。

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/<board_name>，则先执行“make<board_name>”_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 mini2440 frank 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[4]：
   (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。
   （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static void__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。

    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 rootfs rootfs.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。
参考文献
[1] 韦东山．嵌入式Linux应用开发完成手册[M]．北京：人民邮电出版社，2008．
[2] 孙琼．嵌入式Linux应用程序开发详解[M]．北京：人民邮电出版社，2006．
[3] Samsung Electronics.S3C2440A 32-bit RISC microprocessor user′s manual[S].2004．
[4] RUSSELL K．ARM Linux kernel Boot requirements[EB/OL]. [2002-03-18]．http://www.arm.linux.org.uk/developer/booting.php.
[5] 陈莉君．深入理解Linux内核[M]．北京：中国电力出版社，2007．
[6] JONATHAN C，ALESSANDRO R，GREG KROAH H．Linux 设备驱动程序[M]．北京：中国电力出版社，2006．

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