基于ARM和Linux的嵌入式平臺的構建

摘要： 首先介紹了嵌入式系統的概念， 及相關硬件平臺和軟件版本。然后， 主要介紹了嵌入式Linux 的引導程序U-Boot 的移植， 以及開源、免費操作系統Linux2.6.32.2 的移植。最后， 構建了基于Nand Flash 存儲器的Yaffs2 文件系統，利用BusyBox 創建根文件系統。基于ARM 和嵌入式Linux 的嵌入式系統平臺搭建基本完成，可以在此平臺上添加更多驅動，以便更好地開發應用程序。

進入后PC 時代以來， 伴隨著設計和制造技術的發展， 集成電路從當初的晶體管集成發展到現在的IP 集成， 即SoC（System ON Chip ） 設計技術。促使嵌入式系統滲透到了當今社會中的各個行業， 并且發揮越來越重要的作用。嵌入式系統一般可定義為以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟硬件可裁剪、適用于應用系統且對功能、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統，它的主要特點是嵌入、應用。

隨著各種嵌入式設備功能越來越強大， 在設備中使用嵌入式操作系統也成為必然。Linux 操作系統具有開放源代碼、易于移植、資源豐富、免費等特點， 在嵌入式領域的地位越來越重要。嵌入式Linux 和PC 上的Linux是同一套內核代碼， 只是裁剪的程度不一樣， 所以， 很多在PC 上開發的軟件， 經過交叉編譯后可以直接在嵌入式設備上運行。本文主要涉及到Bootloader 移植和Linux-2.6.32.2 內核的移植、根文件系統移植、在S3C2440平臺上構建完整的嵌入式開發平臺三個方面。

1 交叉開發環境的建立

在進行嵌入式軟件開發之前， 必須要在PC 上建立ARM 的交叉編譯環境。交叉編譯就是在PC 平臺上生成可以在ARM 平臺上運行的代碼。其中主要包括ARM 的交叉編譯器arm-elf-gcc 和交叉連接器arm-elf-ld 。本文采用的交叉編譯器的版本是gcc -3.4.5 -glibc -2.3.6 。

交叉編譯流程如圖1 所示。

圖1 嵌入式系統交叉編譯流程

2 BootLoader 引導加載程序

BootLoader 是一段在系統上電時開始執行的程序，用以初始化硬件設備， 準備好軟件環境， 設置好啟動參數， 最后引導操作系統， 與PC 上的BIOS 程序相似。當前開放源碼的Linux 引導程序主要有x86 架構的LILO、GRUB， 對于ARM 架構的主要有Vivi 和U-Boot 。本文使用U-Boot 作為引導程序。U-Boot（Universal Boot Loader） ，即通用的BootLoader ， 遵循GPL 條款開放源代碼。U-Boot相對于Vivi 功能更加強大， 也更方便后續程序的調試。

BootLoader 的啟動一般分為兩個階段， 第一階段的代碼主要是用匯編語言編寫， 主要的功能是完成硬件設備的初始化， 為加載第二階段的代碼準備RAM 空間， 設置好堆棧； 第二階段主要用C 語言編寫， 檢測內存映射， 將內核映像和根文件系統從Nand Flash 讀到RAM中， 為內核啟動設置參數， 引導內核。

　　U-Boot 的源代碼可以從ftp://ftp.denx.de/pub/u-boot/進行下載， 本文使用的U-Boot 版本是U-Boot2009.08 。

移植U-Boot 的關鍵步驟如下：

（1） 首先， 將include/configs 目錄下的smdk2410.h 復制并改名為MINI2440.h ， 根據U-Boot 的說明可以知道，如果要使用開發板board/board_name > ， 則先執行“make board_nAME > ”_config 命令進行配置， 然后執行“make all ” ， 生成可執行文件。所以， 修改U-Boot 頂層的Makefile 文件， 添加下面一行mini2440_config : unconfig@ $ （MKCONFIG） $ （@:_config = ） arm arm920t mini2440frank s3c24x0 。這里有幾個重要的參數，arm 指CPU 的架構，arm920t 指CPU 的類型，s3c24x0 指CPU 的型號。這樣就可以使用make mini2440_config 這條命令進行配置。

（2）本文使用的U-Boot 是從Nand Flash 啟動的， CPU可以直接訪問Nand Flash 中前4 KB 代碼， 利用這4 KB代碼把U-Boot 中絕大部分代碼拷貝到內存中[ 3]。其中下面的代碼就是調用C 語言中的Nand Flash 的讀寫函數， 該函數主要把Nand Flash 中4 KB 以后的代碼復制到RAM 中。在編寫nand_read_ll 的函數時， 注意參考Nand Flash 的數據手冊， 對大頁和小頁的Nand Flash ， 其讀寫的命令和時序是不同的。

　　@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

由于在后面加載Linux 內核和根文件系統時， 使用的是tftp 方式， 所以必須添加DM9000EP 網卡的驅動。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， 因為它定義的是網卡的地址， 不同的網卡有不同的地址，DM9000EP 訪問的基址為0x20000000, 之所以再偏移0x300 是由它的特性決定的。

（3） 要正確引導Linux 內核， 還需要配置下面幾個重要的宏定義， 這幾個宏定義不同， 意味著引導Linux 內核的方式也不同。

　　#define CONFIG_BOOTARGSnoinitrd root=/dev/mtdblock3

　　init=/linuxrc console=ttySAC0,115200 mem=64M
其中，root =/dev/mtdblock3 是由Linux 中的Nand Flash 分區所決定的， 意味著Nand Flash 的第4 個分區為根文件系統。

　　#define CONFIG_BOOTCOMMANDnand read 0x32000000 0x60000 0x560000;bootm 0x32000000

這個宏定義是將Nand Flash 中0x60000 -0x560000（ 和kernel 分區一致） 的內容讀到內存0x32000000 中， 然后用bootm 命令來執行。

要正常地引導Linux 內核， 必須要具備如下幾個條件：

　　（1）CPU 寄存器

　　R0=0 ；

　　R1= 機器類型ID ； 對于ARM 結構的CPU， 其機器類

　　型ID 在linux/arch/arm/tools/mach-types ；

　　R2=啟動參數標記列表在RAM 中起始基地址。

（2）CPU 工作模式

　　必須禁止中斷（IRQs 和FIQs ） ；

　　CPU 必須為SVC 模式。

（3）Cach 和MMU 的設置

　　MMU 必須關閉；

　　指令Cach 可以打開也可以關閉；

　　數據Cach 必須關閉。

3 Linux2.6.32.2 內核的移植

3.1 內核的獲取

　　Linux 內核的更新很快， 可以從http://www.kernel.org/pub/linux/kernel/ 得到最新的Linux 內核版本， 本文使用的Linux 內核版本是Linux -2.6.32.2, 交叉編譯工具使用符合EABI 標準的arm-linux-gcc-4.3.2 。

3.2 內核的移植

可以在內核的根目錄下， 運行make menuconfig 命令， 對內核進行適當的裁剪， 以適應硬件平臺。

　　對內核進行適當的裁剪， 以適應硬件平臺。

（1） 修改Makefile 文件

欲設置Linux 的默認平臺為ARM 平臺， 需進入Linux-2.6.32 文件夾中， 修改此目錄下的Makefile 文件。

　　export KBUILD_BUILDHOST := $（SUBARCH）

　　ARCH ?=arm // 使用的目標平臺

　　CROSS_COMPILE ?=arm-linux- // 使用的交叉編譯器，

這里使用系統默認的編譯器

（2） 關于機器碼

在啟動內核時， 根據BootLoader 傳入的機器碼（MACH_TYPE） 來決定應啟動哪種目標平臺[ 6]， 本開發平臺的機器碼為1999 。機器碼存放在文件opt/kernel/linux-2.6.32.2/arch/arm/tools/mach-types 中。

　　mini2440 MACH_MINI2440 MINI2440 1999 // 機器碼

如果機器碼不匹配， 引導內核不成功， 則會出現如下的錯誤提示：

　　Uncompressing

　　Linux……………………………………………………………………………done, booting the kernel.

（3） 修改時鐘源

將/kernel/linux -2.6.32.2/arch/arm/mach -s3c2440/ 目錄下的mach-smdk2440.c 文件改名為mach-mini2440.c。

因為mini2440 和mach-smdk2440.c 極其相似， 以該文件為基礎進行修改， 在mach -mini2440.c 文件中將staticvoid__init smdk2440_map_io （ void ） 函數中的晶振頻率修改為mini2440 開發板上實際使用的12000000。

（4） 為內核打上yaffs2 補丁

①Yaffs2 文件系統是專門針對嵌入式設備， 特別是使用Nand Flash 作為存儲器的嵌入式設備而創建的一種文件系統， 使用yaffs2 就可以支持大頁的Nand Flash。

進入yaffs2 源代碼目錄執行如下命令：

　　#./patch -ker.sh c /opt/FriendlyARM/mini2440/linux -2.6.32.2

②配置內核以支持Yaffs2 文件系統

在Linux 內核源代碼根目錄運行make xconfig， 在“File systems ” 選項中， 找到“Miscellaneous filesystems ” 菜單項， 找到“YAFFS2 file system support ” 并選中它， 這樣就在內核中添加了yaffs2 文件系統的支持， 保存并退出。然后在命令行中， 執行make zImage 。

（5） 修改Nand Flash 分區信息

①在mach-mini2440.c 文件中添加Nand Flash 的分區信息， 下面的代碼將Nand Flash 分成了4 個分區， 第1 分區也是BootLoader 所在的分區， 對應dev/mtdblock0 ；第2 個分區是U-Boot 的參數分區， 對應dev/mtdblock1 ；第3 個分區是內核分區， 對應dev/mtdblock2 ； 第4 個分區為根文件系統分區對應dev/mtdblock3 。分區結構圖如表1 所示。

表1 128 MB Nand Flash 的分區結構圖

其部分實現代碼如下：

　　static struct mtd_partition mini2440_default_nand_part[] ={

　　[0] = {

　　.name=U-boot,

　　.offset= 0,

　　.size= 0x00040000,

　　}

其中name 是分區的名字，offset 是偏移的開始地址，size是分區的大小， 其余部分的分區與此類似。

②下面代碼是添加Nand Flash 的設置表， 因為板子上只有一片Nand Flash， 因此也就只有一個設置表。

　　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上面的設置完成后， 還需要將Nand Flash 設備注冊到系統中。下面這段代碼就是將Nand Flash 設備添加到開發板的設備列表結構。

　　static struct platform_device *mini2440_devices [] __initdata

　　= {

　　s3c_device_nand,

　　}

④在mini2440_machine_init 函數中添加平臺的數據信息。

　　static void __init mini2440_machine_init（void）{

　　s3c_device_nand.dev.platform_data=mini2440_nand_info;

　　}

現在可以進入kernel/linux-2.6.32.2/arch/arm/boot 目錄，然后執行下面的命令， 就會在該目錄下生成uImage.img格式的、U-Boot 可以引導的內核鏡象。

　　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 格式的鏡像文件復制到tftp 目錄下， 使用tftp 進行下載。

3.3 文件系統

所謂根文件系統， 就是創建各個目錄， 例如在/bin 、/sbin/ 目錄下存放各種可執行的程序， 在/etc 目錄下存放配置文件， 在/lib 目錄下存放庫文件。

可以利用Busybox 工具創建根文件系統，Bosybox 是一個遵循GPL v2 協議的開源項目， 它在編寫過程中對文件大小進行優化， 并考慮了系統資源有限（ 例如內存）的情況， 使用Busybox 可以自動生成根文件系統所需的bin、sbin、usr 目錄和linuxrc 文件， 可以使用make menuconfig對Busybox 的選項進行配置。

（1） 進入opt/kernel, 創建一個shell 腳本用于構建根文件系統的各個目錄， 并且為其增加執行權限；（2）Linux 中的init 進程會根據etc/inittab 文件創建其他子進程， 下面代碼是inittab 文件中的內容， 說明了系統啟動后首先執行的腳本文件是rcS， 虛擬的終端是串口0， 當按下ctr+alt+del 時重啟系統，inittab 文件的作用就是控制系統啟動時和啟動后一些程序的運行。

　　#etc/inittab

　　::sysinit:/etc/init.d/rcS

　　s3c2410_serial0::askfirst:-/bin/sh

　　::ctrlaltdel:/sbin/reboot

　　::shutdown:/bin/umount -a-r

（3） 創建etc/init.d/rcS 文件， 這是一個腳本文件， 可以在里面添加要自動執行的一些命令。

　　#! /bin/sh

　　PATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin

　　runlevel=S // 運行的級別

　　prevlevel=N

　　umask 022 // 文件夾的掩碼

　　mount -a // 掛載/etc/fstab/ 文件指定的所有的文件系統

　　mdev-s

　　/bin/hostname -F /etc/sysconfig/HOSTNAME// 主機的名字

使用yaffs 源碼提供的工具制作文件系統的映像文件。由于128 MB 的Nand Flash 是大頁結構， 所以需要使用相應的大頁制作工具； 使用命令mkyaffs2image rootfsrootfs.img 生成根文件系統映像文件。

本文通過對U-Boot 移植和Linux 內核移植的討論，給出了移植U-Boot 和Linux 到大多數開發板的關鍵部分。由于移植的復雜性， 不可能包括全部步驟， 但通過本文的闡述可以了解移植的基本流程和關鍵點， 為移植不同版本到其他硬件平臺提供了參考， 也為應用程序的開發搭建了一個比較完整的嵌入式平臺。