基于AT91RM9200的ARM Linux的移植方法

1.  引言
目前，在嵌入式系統(tǒng)里基于ARM微核的嵌入式處理器以其功耗低，功能強大的優(yōu)點已經(jīng)成為市場的主流。與此同時，在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)展起來的Linux操作系統(tǒng)，以其功能強大，開放源代碼，支持硬件種類眾多的特點，越來越受到人們的青睞。然而如何把Linux操作系統(tǒng)移植到ARM平臺上卻成了一個重點，也是一個難點問題。

嵌入式Linux系統(tǒng)包括引導(dǎo)程序(Bootloader),內(nèi)核(kernel)和根文件系統(tǒng)三個部分,其開發(fā)流程如圖1所示:嵌入式Linux 移植到特定的硬件平臺上,一般需要以下五個步驟:(1)前期準備包括從網(wǎng)站http://kernel.org上下載嵌入式Linux的源碼包, 搭建交叉編譯開發(fā)環(huán)境,配置主機的開發(fā)環(huán)境等(2)配置Bootloader,并將其燒寫到目標平臺的Flash上,使其能正常的啟動內(nèi)核；(3)配置和編譯Linux內(nèi)核，首先要對源碼進行一定的修改, 并將其移植到目標平臺上,然后再根據(jù)自己的硬件資源進行裁減,使內(nèi)核達到最優(yōu)；(4)制作RAMDISK來掛接Linux的根文件系統(tǒng),并在 RAMDISK上添加自己的應(yīng)用程序；(5)部署Linux系統(tǒng)使目標板脫離交叉開發(fā)環(huán)境,直接在目標機上本地啟動運行。本文就將根據(jù)實際項目開發(fā)中一個 ARM構(gòu)架的嵌入式系統(tǒng)為例，闡述如何移植Linux到AT91RM9200的ARM平臺上。

2.建立交叉編譯環(huán)境

一般而言，直接在移植的目標硬件平臺上編寫和調(diào)試Linux比較困難，目前一般采用的辦法是首先在通用計算機上編寫程序，然后通過交叉編譯生成目標平臺上可以運行的二進制代碼格式，最后再下載到目標平臺上的特定位置上運行。

移植前需要在宿主機上建立如圖2所示的ARM的交叉編譯環(huán)境,建立ARM的交叉編譯環(huán)境主要用到的開發(fā)工具有: binutils、gcc、glibc，其中 binutils是二進制文件的處理工具； gcc是編譯工具, 用來編譯內(nèi)核代碼的工具； glibc 是鏈接和運行庫。社區(qū)的開發(fā)者和一些芯片廠商已經(jīng)編譯出了常用體系結(jié)構(gòu)的工具鏈，使用這些工具鏈，可以大大減少工作量。交叉編譯工具的安裝步驟如下: (1)從官方站點http://arm.Linux.org.uk下載cross-2.95.3.tar.bz2；

(2)在usr/local/arm下解壓:#tar -jxvf cross-2.95.3.tar.bz2;

(3)在/etc/bashrc文件中修改PATH環(huán)境變量，加入export PATH=/usr/local/arm/2.95.3/bin:$PATH。

3. ARM Linux系統(tǒng)的開發(fā)

3.1 Linux啟動代碼Bootloader的移植

Bootloader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序。這段程序完成硬件的初始化和建立內(nèi)存空間的映射圖等重要工作，為內(nèi)核的啟動創(chuàng)建正確的環(huán)境，并最終啟動內(nèi)核，Bootloader在Linux嵌入式系統(tǒng)中所處的層次位置如圖3所示。Bootloader的實現(xiàn)依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)，大多數(shù)的Bootloader都分為stage 1和stage 2兩大部分，圖4為兩階段Bootloader的結(jié)構(gòu)框圖。依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的代碼，如設(shè)備初始化代碼等，通常都放在stage 1，而且用匯編語言實現(xiàn)。而stage 2則通常用C語言實現(xiàn)，這樣可以實現(xiàn)復(fù)雜功能，而且有更好的可讀性和移植性。

目前基于嵌入式系統(tǒng)的Bootloader版本很多，如Blob、Redboot、Vivi和U-Boot等，下面就以現(xiàn)在最流行的U-Boot為例，詳細介紹如何將它移植到自己的目標板上。U-boot移植主要步驟如下：

首先基于自己的目標板的硬件資源，修改或添加U-Boot源代碼的board/at91rm9200目錄中如下源碼文件：(1)重寫FLASH的設(shè)備控制程序flash.c , U-Boot讀、寫和刪除Flash設(shè)備的源代碼文件。由于在不同目標板中FLASH存儲器種類各不相同，參照自己flash的datasheet重寫 flash的設(shè)備控制程序flash.c，該程序完成的功能包括Flash初始化、打印Flash信息、Flash擦除和Flash寫入等操作。(2)添加memsetup.s。該匯編源碼文件初始化時鐘、SMC控制器和SDRAM控制器。(3)添加網(wǎng)卡芯片DM9161E的設(shè)備控制程序dm9161.c 和dm9161.h,程序。(4)修改Makefile文件。對上述修改或添加的源代碼文件編譯后，在Makefile里面主要做如下修改: OBJS :=at91rm9200dk.c at45.o dm9161.o flash.o  SOBJS:=memsetup.o(5) U-Boot.lds ,設(shè)置U-boot中各個目標文件的連接地址，基本不做修改。(6)config.mk。根據(jù)目標板的一級boot來修改，修改后TEXT BASE=0x21f00000。

其次，修改目錄include/configs的頭文件at91rm9200dk.h，根據(jù)目標板的資源配置，修改內(nèi)容包括CPU ,系統(tǒng)時鐘、RAM 、Flash等配里信息以及內(nèi)存映射相關(guān)參數(shù)。該頭文件還定義了U-Boot的一些環(huán)境變量和內(nèi)核啟動參數(shù).可在U-Boot啟動后通過setenv和 saveenv命令修改。U-Boot-1.1.2版本對at91rm9200處理器提供良好的支持，因此對于目錄CPU at91rm9200中的源碼基本不做修改。在U-Boot-1.1.2的Makefile中加入如下代碼：

at91rm9200dk_config: unconfig@/mkconfig $(@: _config=) arm at91rm9200 at91rm9200dk

其中“arm”是CPU的種類，at91rm9200是ARM CPU對應(yīng)的代碼目錄，at91rm9200dk是目標板對應(yīng)的目錄。由于交叉編譯器安裝在目錄/usr/local/arm，應(yīng)把環(huán)境變量 CROSS_COMPILE設(shè)置成相應(yīng)路徑：CROSS_COMPILE=/usr/local/arm/2.95.3 /bin/arm-linux-

最后，調(diào)試U-Boot源代碼，直到U-Boot在開發(fā)板上能正常啟動，調(diào)試成功后，燒寫U-Boot到FLASH，燒寫完成后，復(fù)位目標板，串口終端就顯示U-Boot的啟動信息。

3.2  Linux內(nèi)核的移植、配置和編譯

標準Linux內(nèi)核相對于資源受限的嵌入式系統(tǒng)來說是過于龐大，整個代碼分布如圖5所示，因此要將其移植到嵌入式系統(tǒng)上，就需要將Linux內(nèi)核根據(jù)目標平臺的情況進行剪裁、配置,該目標板的主要硬件資源如圖6所示。和ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼都放在arch/arm/以及include/asm-arm/目錄下，將linux移植到ARM平臺上，主要修改這兩個目錄下的代碼。要想使linux內(nèi)核應(yīng)用于自己的ARM平臺AT91RM9200上，必須對內(nèi)核的源代碼做一定的修改,主要修改部分如下：(1) 修改根目錄下的Makefile文件，確認ARCH和CROSS_COMPILE的定義：ARCH :=arm； CROSS_COMPILE :=arm-linux- (2)修改arch目錄下的Makefile文件,根據(jù)自己的電路設(shè)置TEXTADDR變量，TEXTADDR決定內(nèi)核起始運行地址，即 image.ram應(yīng)下載的地址。(3)修改arch目錄下的config.in 文件，添加CONFIG_ARCH_AT91RM9200自選項，config文件決定了menuconfig菜單的內(nèi)容，把使用的平臺加在需要的地方，這樣在配置linux內(nèi)核時就能夠選擇是否支你的平臺了。

(4)修改arch/arm/boot目錄下的Makefile文件,根據(jù)自己的電路設(shè)置ZTEXTADDR和ZRELADDR, ZTEXTADDR和ZRELADDR分別是自解壓代碼的起始地址和內(nèi)核解壓后代碼輸出起始地址。(5)修改arch/arm/boot /compressed目錄下的Makefile文件,加入head-at91rm9200.S (6)修改arch/arm/kernel目錄下的Makefile文件，增加AT91RM9200的支持，同時在    debug-armv.S中加入關(guān)閉全部外圍設(shè)備，保證系統(tǒng)正常運行的代碼，在entry-armv.S中加入關(guān)于CPU中斷處理部分的代碼。(7)修改 arch/arm目錄下的mm-armv.c文件，將init_maps->bufferable=0改為init_maps-> bufferable=1；

當然，一些大的芯片開發(fā)商在發(fā)行芯片的同時，針對自己芯片的體系結(jié)構(gòu)對linux內(nèi)核作了一些補丁。實驗中使用的是針對AT91RM9200體系結(jié)構(gòu)的補丁patch-2.4.19-rmk7給標準內(nèi)核源代碼打上補丁后，該內(nèi)核就可應(yīng)用于AT91RM9200了，這樣可以大大減少開發(fā)的工作量。

移植之后要做的工作就是編譯內(nèi)核，要想編譯適合自己工程中需要的內(nèi)核，首先要對內(nèi)核進行配置，常用的配置命令有：make config；make oldconfig；make menuconfig；make xconfig；make defconfig；Linux內(nèi)核包允許用戶對其各類功能逐項配置,在配置時, 大部分選項可以使用其缺省值, 只有小部分需要根據(jù)用戶不同需要選擇。選擇的原則是將與內(nèi)核其它部分關(guān)系較遠部分且不經(jīng)常使用的部分功能代碼編譯成為可加載模塊, 有利于減小內(nèi)核的長度, 減小內(nèi)核消耗的內(nèi)存,不需要的功能就不要選, 與內(nèi)核緊密且經(jīng)常使用的部分功能代碼直接編譯到內(nèi)核中。主要是進行以下幾項配置: (1)選擇處理器類型；(2)選擇板級支持；(3)選擇對RAMDISK支持、對設(shè)備驅(qū)動的支持以及對文件系統(tǒng)的支持。在配置工作完成后, 就可以進行內(nèi)核編譯。

編譯內(nèi)核有壓縮方式和非壓縮兩種方式。非壓縮方式使用make vmlinux來編譯內(nèi)核，或者直接運行make命令。壓縮方式用make bzImage來編譯內(nèi)核。編譯成功后會在arch/arm/boot目錄中生成內(nèi)核的鏡像，此鏡像下載到flash中就可以通過bootloader引導(dǎo)。具體的編譯步驟如下：(1) 進入打上補丁修改好的內(nèi)核源代碼目錄下，執(zhí)行make mrproper；make clean這兩條指令，將源代碼清理干凈(防止以前編譯產(chǎn)生的“垃圾”干擾)。(2)執(zhí)行make at91rm9200dk_config,使源代碼按照AT91RM9200體系結(jié)構(gòu)來配置。 (3)執(zhí)行make o1dconfig(保存原編譯配置)(4)執(zhí)行make menuconfig進入內(nèi)核編譯前配置界面，進行配置。(5)執(zhí)行make dep聲稱編譯要用的依賴文件。(6)執(zhí)行make zImage生成內(nèi)核鏡像。

3.3 文件系統(tǒng)的移植

linux采用文件系統(tǒng)組織系統(tǒng)中的文件和設(shè)備，為設(shè)備和用戶程序提供統(tǒng)一接口。linux要啟動起來還需要有根文件系統(tǒng)。根文件系統(tǒng)的作用是存放各種工具(如Linux命令)、應(yīng)用程序、必需的鏈接庫等等。通常用busybox來制作根文件系統(tǒng)，在busybox中包含一百多種Linux上標準的工具程序, 而這些工具程序僅需幾百k空間。busybox使用非常方便, 只要建立一個符號連接即可, 用戶可以通過配置Config.h 和Makefile文件來定制busybox。將busybox復(fù)制到bin目錄中,分別使用ln-s 建立每一個命令的符號連接。但應(yīng)該注意的是busybox需要glibc支持(如果使用靜態(tài)連接則不需要glibc 庫文件),因此還需要將運行busybox所需的庫文件copy到lib目錄中, 并建立符號連接。到此為止, ARM Linux 的根文件系統(tǒng)就已經(jīng)建立起來了。

ARM Linux采用RAMDISK的方式來裝載根文件系統(tǒng)，所以在運行內(nèi)核之前，需要先制作RAMDISK,將必須的文件和設(shè)備加人到RAMDISK中。內(nèi)核啟動后，會從指定地址去讀取根文件系統(tǒng)，這里我們使用RAMDISK在內(nèi)存中虛擬一個磁盤，具體方法如下：

(1)首先創(chuàng)建一個2048k的虛擬磁盤，文件名為initrd.img：# dd  if= dev/zero of=initrd.img bs= lk count= 2048  (2)將該虛擬磁盤文件格式化成Ext2格式：# mkfs ext2 -c initrd.img這就生成了一個支持Ext2文件系統(tǒng)的ramdisk  (3)mount這個文件系統(tǒng)到/tmp下，# mount -o loop -t ext2 initrd.img /tmp  (4)向/tmp中添加linux啟動必須的文件和設(shè)備。 # cd  /tmp;  # mkdir bin dev etc lib mnt proc sbin sys usr  以上這幾個程序和設(shè)備是啟動Linux必須的，這樣得到的ramdisk大約400k  (5)創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點，添加相應(yīng)的程序，將已經(jīng)訂制好的一個文件系統(tǒng)全部復(fù)制過來。# cp –a  myfs/*  /tmp  (6)壓縮映像，把loop設(shè)備卸載下來，然后用gzip命令把映像壓縮一下。# umount /tmp ;  #gzip –best –c initrd.img > initrd.img.gz現(xiàn)在我們就得到了一個壓縮的RAMDISK映像initrd.img.gz制作好了。

4. 內(nèi)核的下載和執(zhí)行

要想使目標板的Linux系統(tǒng)脫離交叉開發(fā)環(huán)境，直接在目標機上本地啟動運行，必須通過U-boot將U-boot映像，內(nèi)核映像和RAMDISK 映像燒寫到FLASH中，因為使用U-boot引導(dǎo)程序需要使用U-boot格式的內(nèi)核映像和RAMDISK映像，可以通過以下命令來實現(xiàn)：
($U-BOOT-PATH)/tools /mkimage -A arm -O linux -T kernel -C gzip –a 0x20008000 -e 0x20008000 –n “linux-2.4.19”-d linux.bin.gz uImage
($U-BOOT-PATH)/tools/mkimage-A arm -O linux -T ramdisk -C gzip –a 0x21100000 -e 0x21100000 –n “RAMDISK”-d ramdisk.bin ramdisk

通過U-boot將uImage和ramdisk燒寫到flash相應(yīng)的分區(qū)中去，燒寫到flash相應(yīng)分區(qū)的地址如圖7所示：燒寫完畢后設(shè)置u- boot的環(huán)境變量，讓系統(tǒng)自動啟動，系統(tǒng)復(fù)位后，Linux系統(tǒng)就可以完全自動從本地flash啟動了，啟動后，進行地址映射，u-boot會把u- boot壓縮映像，kernel壓縮映像，ramdisk壓縮映像全部拷貝到SDRAM的相應(yīng)地址，SDRAM的映射地址如圖8所示，這時Linux系統(tǒng)完全在SDRAM中運行了，Linux系統(tǒng)真正啟動起來了。

5. 總結(jié)

本文根據(jù)一個特定的目標平臺，結(jié)合AT91RM9200的開發(fā)經(jīng)驗，詳細介紹了將Linux移植到ARM構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)上的主要技術(shù)和整個流程，實現(xiàn)了Linux 向目標系統(tǒng)AT91RM9200的移植，移植后的操作系統(tǒng)在目標板上運行穩(wěn)定，并且可以根據(jù)實際需要編寫相應(yīng)的控制程序，將其應(yīng)用于實際工業(yè)控制中。掌握這些技術(shù)，對于開發(fā)嵌入式系統(tǒng)十分重要，對開發(fā)其他類型的嵌入式系統(tǒng)同樣具有參考意義。

本論文作者創(chuàng)新點：從軟件與硬件的相互關(guān)系, 硬件對軟件的制約、硬件對軟件的支持這個角度對裁減和移植進行了分析，同時在Bootloader(啟動代碼)的移植，Kernel(內(nèi)核)的裁減和移植過程中，把代碼分成了兩部分，一部分是和硬件相關(guān)的部分，一部分是和硬件無關(guān)的部分，這樣做不僅思路清晰，而且可以大大減少工作量。

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