《電子技術應用》
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基于ARM的Linux系統(tǒng)移植研究與實現(xiàn)
來源:現(xiàn)代電子技術
作者:許青林,解爭龍 
摘要: Linux具有源代碼開放、效率高、可裁剪等優(yōu)點,在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中具有廣泛的應用。文章介紹了嵌入式Linux操作系統(tǒng)、移植目標平臺SBC2410及Linux內核源代碼的目錄結構,分析了Linux移植到SBC2410平臺的實現(xiàn)過程,闡述了Linux內核、u-boot的裁剪和編譯以及根文件系統(tǒng)的制作過程,最后在SBC2410平臺上成功移植了嵌入式Linux系統(tǒng)。
Abstract:
Key words :

 0 引言

    嵌入式系統(tǒng)是一個專用的計算機系統(tǒng)。該系統(tǒng)以計算機技術為基礎,軟硬件可裁減,但對功能、可靠性、成本等都有嚴格的要求。今天,一些專用系統(tǒng)需要處理大量的信息,由于傳統(tǒng)的計算機系統(tǒng)很難實現(xiàn)硬件可裁減,因而已經(jīng)不能滿足專用系統(tǒng)的需要。伴隨著我國汽車、家電等產業(yè)的快速發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)的應用與開發(fā)已成為目前IT產業(yè)的一個新的熱點。基于ARM的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā),首先要解決的問題是嵌入式操作系統(tǒng)的移植。Linux操作系統(tǒng)作為一種源代碼開放、同時可支持多種處理器結構的多任務操作系統(tǒng),具有內核小、易裁剪、可移植性好等優(yōu)點,是目前嵌入式系統(tǒng)應用與開發(fā)的主流操作系統(tǒng)。本文主要研究在ARM9平臺上搭建嵌入式Linux系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。
 
1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)及特點
    目前,在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中,52%的項目選擇Linux作為嵌入式操作系統(tǒng),這與Linux自身的優(yōu)良特性有不可分割的關系。
     Linux操作系統(tǒng)內核源代碼開放,并具有豐富的軟件資源。不同的應用領域可以根據(jù)需要對內核進行修改,每一種通用程序在Linux都能找到。在Linux上開發(fā)程序不需要從頭做起,可以選擇一個類似的軟件進行二次開發(fā),因而能夠低成本地開發(fā)出滿足自己需要的嵌入式系統(tǒng)。
    另外,Linux系統(tǒng)能支持多種硬件設備,而且驅動豐富,能支持多種主流硬件設備和最新硬件技術。隨著Linux的廣泛應用,許多芯片生產廠家也已經(jīng)開始為Linux提供驅動,這為Linux在各種硬件平臺上的應用奠定了基礎。
     Linux可支持多種體系結構,具有較好的可移植性。目前,Linux已經(jīng)移植到絕大多數(shù)硬件平臺上,能夠支持ARM、MIPS、LPHA、SPARC等多種體系,Linux支持幾乎所有流行的CPU。Linux具備一整套工具鏈,容易建立嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境和交叉運行環(huán)境,可跨越嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中仿真工具的障礙。由于其符合IEEE POSIX.1標準,因而應用程序具有較好的可移植性。
    Linux具有完善的網(wǎng)絡通信和文件管理機制。實際上,Linux從一開始就與網(wǎng)絡密不可分,網(wǎng)絡是Linux的最為顯著的特征。Linux具有ARM9上的嵌入式Linux系統(tǒng)移植的特性,從而保證了它支持所有標準因特網(wǎng)協(xié)議,可以利用Linux的網(wǎng)絡協(xié)議棧開發(fā)嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議棧。同時,Linux支持ext2、fat16、fat32、romfs等文件系統(tǒng),從而為嵌入式系統(tǒng)應用開發(fā)打下了很好的基礎。
 
2 Linux在ARM平臺上的移植
2.1 SBC2410硬件平臺介紹
    SBC2410硬件平臺是具有基于ARM9處理器SBC2410A,可支持ARM—Linux、WindowsCE等操作系統(tǒng)的嵌入式硬件平臺。主要硬件資源有一片64 MB SDRAM,一片64 MBNandFlash,一片1 MB Nor Flash,一個串口COM0,一個USB Host A型接口,一個USB Slave B型接口,以及一個標準的JTAG接口等。
2.2 Linux在ARM平臺上的移植準備
    首先是要建立交叉編譯環(huán)境。交叉編譯環(huán)境是一個由編譯器、連接器和解釋器組成的綜合開發(fā)環(huán)境。交叉編譯工具主要包括編譯器gcc,二進制工具binutils,目標系統(tǒng)的標準c庫glibc和目標系統(tǒng)的Linux內核頭文件。宿主機要選好做嵌入式開發(fā)的Linux操作系統(tǒng),配置好網(wǎng)絡、NFS服務等。因為目標機沒有足夠的資源運行開發(fā)工具和調試工具,所以要在宿主機上建立交叉編譯環(huán)境,然后由交叉編譯工具生成可執(zhí)行二進制代碼(并不能在宿主機上運行),再下載到目標板上調試和運行。交叉編譯標準c環(huán)境的生成步驟包括以下四步:
    (1)獲得binutils、gcc、glibc的源碼;
    (2)配置編譯binutils,得到匯編器和連接器;
    (3)配置編譯gcc源碼,生成gcc編譯器;
    (4)配置glibc編譯生成glibc的c庫函數(shù)。
2.3 引導程序移植bootloader
    引導程序bootloader是與體系結構緊密相關的部分,是操作系統(tǒng)內核和應用程序運行之前運行的一小段程序,用于完成系統(tǒng)的啟動和加載。它類似于PC機中的BIOS程序。bootloade嚴重依賴于硬件實現(xiàn),一般在嵌入式系統(tǒng)中建立一個通用的bootloader是不可能的。用戶必須自己編寫這一小段程序,從而完成硬件設備的初始化,建立內存空間的映射圖,將系統(tǒng)的軟硬件帶到一個合適的狀態(tài),為操作系統(tǒng)內核的運行做準備。
    通常bootloader移植分為兩步:
    第一步常用匯編語言實現(xiàn)依賴于CPU體系結構的代碼。主要包括硬件設備初始化;為加載bootloader準備RAM空間;拷貝bootloader到RAM空間中;設置好堆棧。
    第二步常用C語言來實現(xiàn)。即:初始化本階段要使用到的硬件設備;檢測系統(tǒng)內存映射(memory map);將kernel映像和根文件系統(tǒng)映像從flash上讀到ram空間中;為內核設置啟動參數(shù);調用內核。圖1所示是bootloader的工作流程圖。
2.4 內核移植
    內核移植首先應當啟動操作系統(tǒng),完成內存管理、任務調度、進程管理、加載驅動程序、網(wǎng)絡等功能,然后執(zhí)行應用程序或等待用戶命令。雖然各功能之間存在復雜的調度關系,但由于Linux分層結構的特點,已將其中硬件相關的代碼獨立了出來,因此,移植過程中只需要改動進程管理、內存管理和設備管理中與硬件相關的那部分代碼。
    一般情況下,從官方網(wǎng)站上下載的內核不能直接在硬件平臺上運行,而要跟據(jù)具體的硬件平臺重新裁剪、編譯內核,并根據(jù)硬件平臺特性編寫相應的硬件相關的代碼,將Linux移植到硬件平臺。對內核代碼的修改包括以下部分:
    (1)修改內核目錄樹根下的Makefile,找到ARCH和CROSS_COMPILE,修改ARCH=arm,CROSS_COMPILE=armlinux,然后設置PATH環(huán)境變量,在文件bashrc中添加expor PATH=/usr/local/arm/3.4.4/bin:$PATH,使其可以找到交叉編譯工具鏈,然后重新登陸。
    (2)設置flash分區(qū),修改arch/arm/machSBC2410/devs.c用以指明分區(qū)信息,該文件的內容建立nand flash分區(qū)表;修改arch/arm /machSBC2410/machsmdk2410.c文件指定啟動時初始化,并在kernel啟動時依據(jù)對分區(qū)的設置進行初始配置。在Linux源文件目錄下,執(zhí)行makemenuconfig命令,配置內核產生config文件,選擇處理器類型為SBC2410,選擇串口驅動設備,完成后保存config文件。
    在完成內核的裁減之后,執(zhí)行命令make clean,編譯內核之前先把環(huán)境給清理干凈,也可以用makerealclean或makemrproper來徹底清除相關依賴,保證沒有不正確的文件存在,最后將zimage下載到開發(fā)板。
 
3 結語
    經(jīng)過移植,Uboot和Linux在SBC2410平臺就能運行,在此基礎上,還可以進一步開發(fā)各類驅動程序及應用軟件。用串口線將SBC2410和PC機相連,通過超級終端可以看到移植成功。系統(tǒng)成功啟動后,就可以進入根文件系統(tǒng)。本文通過分析Linux的特點和移植方法,總結出了一種基于ARM的Linux系統(tǒng)移植的方法,并實現(xiàn)了Linux系統(tǒng)內核在SBC2410處理器平臺上的移植。
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