構建基于ARM920T的嵌入式Linux系統

　　引言

　　目前，嵌入式操作系統的種類很多，如VxWorks，Windows CE和Linux等。在這些操作系統中，Linux是發展最快，應用最廣泛的。由于使用費用、開放源代碼程度和使用習慣等各方面因素，Linux是得到較多推廣的操作系統之一。由于Linux支持從x86到嵌入式處理器的多種處理器，使得Linux桌面PC上開發的很多資源可以輕松的移植到各種嵌入式平臺上，這種便利使得在嵌入式系統中使用Linux操作系統具有很大吸引力。

　　開發環境

　　硬件環境

　　本系統中使用目標平臺S3C2410(SAM SUNG公司使用ARM920T處理器內核開發的一款嵌入式處理器)。ARM920T核由ARM9TDMI，存儲管理單元(MMU)和高速緩存三部分組成。

　　S3C2410的資源還包括外圍存儲設備(SDRAM和NandFlash)，外圍顯示設備(觸摸屏和LCD)與外圍接口設備(串口、網口與并口)。

　　軟件平臺

　　嵌入式Linux系統從軟件系統的角度通常可以分為以下4個部分。

　　·引導加載程序。包括固化在固件中的啟動代碼(可選)和Bootloader。

　　·內核。特定于嵌入式板子的定制內核以及控制內核引導系統的參數。

　　·文件系統。包括根文件系統和建立于Flash內存設備之上的文件系統。它是提供管理系統的各種配置文件以及系統執行用戶應用程序的良好的運行環境的載體。

　　·用戶應用程序。特定于用戶的應用程序。有時在用戶應用程序和內核層之間可能還會有一個嵌入式圖形用戶界面。同時裝有Bootloader、內核啟動參數、內核映象和根文件系統。

　　嵌入式Linux系統移植的實現

　　引導加載程序

　　Boot Loader 是在操作系統內核運行之前運行的一段小程序。大多數 Boot Loader 都分為 stage1 和 stage2 兩大部分。Stage1主要包含依賴于CPU的體系結構硬件初始化的代碼，通常都用匯編語言來實現。這個階段的任務有：(1)為基本的硬件設備初始化(屏蔽所有的中斷、關閉處理器內部指令/數據cache等)，(2)為第二階段準備RAM空間(如果是從某個固態存儲媒質中，則復制Bootloader的第二階段的代碼到RAM)，(3)設置堆棧并跳轉到第二階段的C程序入口點。Stage2通常用C語言完成，以便實現更復雜的功能，也使程序有更好的可讀性和可移植性。這個階段的任務有：(1)初始化本階段要使用到的硬件設備，檢測系統內存映射。(2)將內核映像和根文件系統映像從Flash讀到RAM。(3)為內核設置啟動參數，調用內核。

　　本系統中采用的BootLoader是韓國Mizi公司開發的vivi，適用于ARM9處理器。在配置編譯之前，首先要建立交叉編譯環境。把cross-2.95.3.tar.bz2、arm-linux-gcc-3.4.1.tar.bz2軟件包拷貝到/usr/local/arm目錄下，分別解壓這兩個包以構成本系統的交叉編譯環境。

　　編譯Bootload vivi 主要步驟如下：

　　[1]解壓vivi源文件 tar jxvf vivi.tar.bz2

　　[2]進入vivi目錄 編譯 makefile ，主要修改如下：

　　LINUX_INCLUDE_DIR = /usr/local/arm/2.95.3/include
　　CROSS_COMPILE = /usr/local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-
　　ARM_GCC_LIBS = /usr/local/arm/2.95.3/lib/gcc-lib/arm-linux/2.95.3

　　[3]編譯vivi/arch/s3c2410/smdk.c，根據實際板子的實際情況對NandFlash進行分區。需要注意的是要和下面Linux內核配置編譯配合起來。本開發板提供的64M的NandFlash做為存儲設備，其空間分配表如表1所示。

　　[4] make  menuconfig

　　[5] make

　　至此，可以生成vivi的bin文件，通過開發板JTAG口和PC機并口建立連接，把vivi移植 到開發板上，重新加電，這樣就可以引導內核。

　　Linux內核的移植

　　Linux的內核版本發行同Linux對嵌入式處理器支持程度的發展是不同步的。因此，需要對特定的處理器體系結構選擇合適的核。本系統采用的是linux-2.6.14.1.tar.bz2的版本，與2.4的版本相比，2.6版本對資源的定義進行了分類，代碼相當精練，可讀性很好，條理清晰，修改起來容易。

　　而且支持標準的高級電源管理apm。事實上，Samsung S3C2410已經成為linux的一個標準支持平臺。

　　編譯配置內核主要步驟如下：

　　[1]進入內核源代碼目錄，修改Flash分區表部分的源碼，與vivi對NandFlash的分區相匹配。即定義文件arch/arm/mach-s3c2410/devs.c中的分區表結構體static struct mtd_partition partition_info[]中的分區名，偏移量和分區大小。同時加入NandFlash分區，即定義結構體struct s3c2410-nand-set nandset[]。與此同時，修改結構體struct s3c2410-platform-nandsupperlpplatform[]以建立對Nand Flash芯片的支持。

　　最后，加入Nand Flash芯片支持到Nand Flash驅動。

　　[2]對內核進行適當的配置。在本系統中，配置過程的關鍵在于是：在對MTD配置時，選擇支持MTD驅動以及支持NAND FLASH驅動；選擇支持要用到的各類文件選擇支持要用到的各類文件系統。如果要建立及安裝模塊，則要在配置內核時選擇模塊的支持。選擇交叉編譯工具arm-linux-gcc-3.4.1編譯內核源碼之后，會在kernel/arch/arm/boot/下生成名為zImage的內核映象。在vivi的命令提示模式下使用下載命令完成內核加載到開發板的存儲設備上。

　　根文件系統

　　Linux系統采用文件系統組織系統的文件與設備，為設備和用戶程序提供統一的接口。文件系統的存在使得數據和設備可以被有效而透明地存取訪問。

　　本系統使用CRAMFS格式的根文件系統，它是具備最基本特性的文件系統，主要用于嵌入式系統，優點是將文件數據以壓縮形式存儲，在需要運行的時候進行解壓縮，具有很大的壓縮比，可以做到高效的隨機讀取。

　　在本系統中，首先，在根文件目錄rootfs下通過輸入下面的命令：

　　mkdir dev proc etc mnt bin sbin lib tmp

　　建立上述的目錄。沒有建立home目錄是因為其內容只是針對工作站與服務器的設置有用，在嵌入式Linux中即使有也是空的。然后把所需要的配置文件，動態函數庫放到相應的目錄。

　　采用BusyBox是縮小根文件系統的一個好方法。BusyBox非常形象地稱為嵌入式Linux系統的“瑞士軍刀”，因為它將許多常用的UNIX命令與工具結合到了一個單獨的可執行程序中。雖然與相應的GNU工具比較起來，BusyBox所提供的功能和參數略少，但在嵌入式系統中，已經足夠了。

　　將busybox -1.1.3 .tar.gz放到上述tmp目錄下，進行解壓：

　　tar busybox -1.1.3 .tar.gz
　　make distclean
　　make menuconfig
　　make  TARGET_ARCH=arm
    　　CROSS=arm-linux-
　　PREFIX＝/home/arm/dev_home/rootfs/my_rootfs/all install ，其中PREFIX指明了安裝路徑即我們根文件系統所在路徑。

　　由于根文件系統采用的是CRAMFS格式，所以使用mkcramfs生成cramfs映象，具體的命令是：mkcramfs my_rootfs my_rootfs.cramfs。根文件系統映象文件就完成了。同內核加載一樣，通過vivi命令提示把根文件系統映象加載到開發板上。
按照上面的安排，一個基本的嵌入式Linux系統構建完畢。其啟動過程如圖1所示。

　　結語

　　本工作對嵌入式Linux系統的啟動加載程序bootloader進行配置，對Linux內核進行裁剪，完成對根文件系統的制作，將嵌入式Linux移植到基于ARM920T處理器目標板，為開發者提供了在ARM9平臺上構建嵌入式Linux系統的方法的參考。實驗表明其系統具有很好的實時性、穩定性。