基于ARM9的嵌入式Linux代碼移植

摘要：介紹了嵌入式Linux移植的方法和過(guò)程，給出了嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境下基于硬件平臺(tái)ARM9的bootloader、Linux內(nèi)核移植的實(shí)現(xiàn)方案，該方案可為嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用研究提供操作系統(tǒng)層面的支持。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；ARM；vivi；Linux移植

O 引言
    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及Internet的飛速發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。與此同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜性也在不斷增加，嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)成為其中最重要的組成部分。目前，市場(chǎng)上存在著眾多的嵌入式操作系統(tǒng)，而在這些系統(tǒng)之中，兼有Linux和嵌入式優(yōu)點(diǎn)的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，憑借其在結(jié)構(gòu)清晰、源代碼開(kāi)放性、裁剪性好，開(kāi)發(fā)與使用均易實(shí)現(xiàn)等方面的優(yōu)勢(shì)，擁有巨大的市場(chǎng)前景和商業(yè)機(jī)會(huì)。當(dāng)前嵌入式Linux的一個(gè)熱點(diǎn)應(yīng)用就是將Linux內(nèi)核移植到一些典型的微控制器和微處理器上，提供操作系統(tǒng)層面支持，以實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)用軟件的開(kāi)發(fā)。
    此研究基于Linux 2．6內(nèi)核的嵌入式Linux系統(tǒng)，分析了所面臨的理論問(wèn)題、關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了Linux內(nèi)核在ARM9平臺(tái)上的運(yùn)行。

1 開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹
    嵌入式IJnux移植是嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的重要組成部分，它需要相應(yīng)的軟件組件支持，同時(shí)又與目標(biāo)硬件平臺(tái)關(guān)系密切。因此，在正式移植
前，首先應(yīng)明確嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的流程與開(kāi)發(fā)環(huán)境，再根據(jù)目標(biāo)硬件平臺(tái)的特點(diǎn)和所選擇的軟件組件，正確搭建功能完善的交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境，最后制定出合理的移植方案，從而使移植工作可以順利的進(jìn)行。
1．1 ARM9硬件平臺(tái)
    本次移植采用斯道ARM9開(kāi)發(fā)板作為硬件平臺(tái)，其基本構(gòu)成為核心板和底板(外設(shè)板或基本板)，核心板上集成了SamsungS3C2410處理器、64 M的FLASH和64M的SDRAM，為應(yīng)用研發(fā)提供了足夠的空間，基板則提供了豐富的外圍接口。其硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖l所示。

    此完整的應(yīng)用系統(tǒng)具有體積小、耗電低、處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠裝載和運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)。用戶(hù)可以在這個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)上自主進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。
1．2 Linux內(nèi)核及處理器
    目前用于嵌入式Linux系統(tǒng)的內(nèi)核大多數(shù)使用2．4．x版，然而，隨著嵌入式微處理器性能的不斷增強(qiáng)及其應(yīng)用范圍的日趨擴(kuò)大，Linux-2．6版內(nèi)核由于其針對(duì)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的顯著特點(diǎn)，必將會(huì)越來(lái)越多的被應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)移植與開(kāi)發(fā)Linux系統(tǒng)之中。文中采用的是Linux-2．6版內(nèi)核。
    vivi是韓國(guó)mizi公司開(kāi)發(fā)的bootloader，適用于ARM9處理器，支持S3C2410X嵌入式ARM-Linux移植的應(yīng)用處理器。和所有的bootloader一樣，vivi也有兩種工作模式，即啟動(dòng)加載模式和下載模式。啟動(dòng)加載模式指在一段時(shí)間后(這個(gè)時(shí)間可更改)自行啟動(dòng)Linux內(nèi)核，它是vivi的默認(rèn)模式。下載模式則是指vivi為用戶(hù)提供一個(gè)命令行接口，用戶(hù)可通過(guò)接口使用命令。

2 系統(tǒng)移植方案
    在硬件方面，為支持NAND Flash引導(dǎo)模式，S3C2410A處理器在芯片內(nèi)集成了4 KB的被稱(chēng)為steppingstone的SRAM。NAND Flash引導(dǎo)模式下，系統(tǒng)復(fù)位后NAND Flash中的前4位內(nèi)容首先被復(fù)制到steppingstone，接著將steppingstone映射到nGCSO，即內(nèi)存BankO起始她址為Ox00000000，隨后系統(tǒng)開(kāi)始正常引導(dǎo)。
    同樣，在軟件方面，bootloader程序應(yīng)被燒寫(xiě)到NAND Flash最前面的部分。通常bootloader程序大于4 KB，因此，在bootloader的前4 KB程序段中，必須先完成內(nèi)存SDRAM的初始化，并將自身完全復(fù)制到SDRAM中，同時(shí)設(shè)置必要的堆棧，然后跳轉(zhuǎn)到SDRAM中去執(zhí)行這一系列工作。這樣方可完成后續(xù)的初始化系統(tǒng)資源及裝載操作系統(tǒng)內(nèi)核的任務(wù)。
    本次移植使用ARM9開(kāi)發(fā)板，通過(guò)跳線方式設(shè)置OM[1：0]引腳來(lái)支持NAND Flash啟動(dòng)模式，因此，移植方案使用NAND Flash+SDRAM的存儲(chǔ)模式，bootloader放在SDRAM中，內(nèi)核和文件系統(tǒng)都放在NAND Flash中，根據(jù)選用的方案，整個(gè)系統(tǒng)移植要做的工作包括兩方面：
    Bootloader：為裝載操作系統(tǒng)內(nèi)核，支持NAND Flash及網(wǎng)絡(luò)下載和串口通信，從而方便嵌人式ARM．Linux移植以開(kāi)發(fā)調(diào)試。
    Linux系統(tǒng)：支持NAND Flash，并移植Cramfs+Yaffs混合文件系統(tǒng)；支持NFS文件系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)通信、串口等。

3 Linux內(nèi)核移植
    在同一硬件平臺(tái)上可以嵌入不同的嵌入式操作系統(tǒng)，這就好比PC既可以安裝Windows又可以安裝Linux一樣。同樣，有些操作系統(tǒng)經(jīng)過(guò)移植后即可運(yùn)行在不同的硬件平臺(tái)上。通常情況下，如果一個(gè)系統(tǒng)可以在不同硬件平臺(tái)上運(yùn)行，那么這個(gè)系統(tǒng)便是可移植的。將某一個(gè)平臺(tái)的代碼運(yùn)行在其他平臺(tái)上的過(guò)程稱(chēng)作移植。嵌入式系統(tǒng)是“硬件可裁剪”的，因此工程師們?cè)O(shè)計(jì)的硬件電路會(huì)有所不同，從而使這些代碼可能無(wú)法正確運(yùn)行，因而要實(shí)現(xiàn)移植就應(yīng)結(jié)合自己的硬件電路，對(duì)已有的內(nèi)核代碼進(jìn)行修改。
3．1 內(nèi)核移植難點(diǎn)
    Linux系統(tǒng)的內(nèi)核是多層次結(jié)構(gòu)的單體內(nèi)核，其可移植性比微內(nèi)核要差一些，但是，這種內(nèi)核具有較高的效率。從操作系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，微內(nèi)核作為一種先進(jìn)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是操作系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)潮流。但是，微內(nèi)核結(jié)構(gòu)較低的系統(tǒng)通信效率大大的降低了系統(tǒng)的性能。所以，從系統(tǒng)效率和性能的角度來(lái)考慮，Linux并沒(méi)有采用先進(jìn)的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)而是選擇了傳統(tǒng)的單體內(nèi)核機(jī)構(gòu)。
3．2 內(nèi)核移植的基本策略
    在Linux2．6內(nèi)核支持下，Linux已經(jīng)在許多典型的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)移植，其中包括：I386、ARM、MIPS、ALPHA、PowerPC、SPARC、SH等。但是對(duì)于基于特定硬件體系設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)，需要從頭對(duì)Linux進(jìn)行移植。此外還有部分體系的硬件平臺(tái)，Linux只對(duì)其中部分的CPU或目標(biāo)板提供了支持，如果使用了Linux尚未支持的CPU或目標(biāo)板，也需要對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行移植工作。通?？梢圆捎靡韵聝煞N方法進(jìn)行Linux內(nèi)核移植工作：
    (1)從頭設(shè)計(jì)。即采用“自底向上”的設(shè)計(jì)方法，從硬件的需求考慮逐步的采用分析、設(shè)計(jì)、編碼、測(cè)試。這種方法比較適合針對(duì)一種全新的硬件平臺(tái)開(kāi)展移植工作。[!--empirenews.page--]
    (2)修改已有的代碼。如前所述，Linux已經(jīng)可以在多種體系結(jié)構(gòu)中運(yùn)行，那么，我們可以參考相近的體系結(jié)構(gòu)的代碼，只修改與我們的目標(biāo)硬件平臺(tái)不同的部分即可。這種方法的難點(diǎn)在于開(kāi)發(fā)人員除了要了解目標(biāo)硬件平臺(tái)外。還必須對(duì)已支持的軟硬件有一個(gè)較好的理解。本次研究的移植工作就是采用了這種開(kāi)發(fā)方法。
3．3 內(nèi)核移植方法
    對(duì)于系統(tǒng)移植而言，Linux實(shí)際上是由兩個(gè)比較獨(dú)立的部分所構(gòu)成，即內(nèi)核部分和系統(tǒng)部分。通常啟動(dòng)一個(gè)Linux系統(tǒng)的過(guò)程為：一個(gè)不隸屬于任何操作系統(tǒng)的加載程序?qū)inux部分內(nèi)核調(diào)入內(nèi)存，并將控制權(quán)交給內(nèi)存中Linux內(nèi)核的第一行代碼，這樣就完成了加載程序的工作。此后Linux要將自己的剩余部分全部加載到內(nèi)存，初始化所有的設(shè)備，在內(nèi)存中建立好所需的數(shù)據(jù)構(gòu)(有關(guān)進(jìn)程、設(shè)備、內(nèi)存等)。此時(shí)，內(nèi)核已經(jīng)可以控制所有硬件設(shè)備。而后轉(zhuǎn)入系統(tǒng)部分，操作并使用這些硬件設(shè)備。接下來(lái)內(nèi)核加載根設(shè)備并啟動(dòng)init守護(hù)進(jìn)程，init守護(hù)進(jìn)程會(huì)根據(jù)配置文件加載文件系統(tǒng)、配置網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)進(jìn)程及終端等。一旦終端初始化完畢，我們就會(huì)看到系統(tǒng)的歡迎界面了。概括說(shuō)來(lái)，一部分內(nèi)核初始化和控制絕大部分硬件設(shè)備，為內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、設(shè)備讀寫(xiě)等做好一切準(zhǔn)備工作；另一部分系統(tǒng)加載必需的設(shè)備，配置各種環(huán)境以便用戶(hù)可以使用整個(gè)系統(tǒng)。

    圖2所示為L(zhǎng)inux內(nèi)核硬件相關(guān)結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，Linux內(nèi)核中與具體硬件平臺(tái)相關(guān)的結(jié)構(gòu)主要分為兩個(gè)部分：與具體的處理器結(jié)構(gòu)相關(guān)的部分，包括中斷處理、內(nèi)存操作以及進(jìn)程控制等；與具體外設(shè)關(guān)系密切的部分，包括硬件驅(qū)動(dòng)與I／O設(shè)備。
    內(nèi)核移植由五個(gè)功能部分組成：進(jìn)程管理(包括調(diào)度和通信)、內(nèi)存管理、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、虛擬文件系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)，它們之間存在復(fù)雜的調(diào)用關(guān)
系。前三部分按從前到后的順序，越靠前代表它們與硬件設(shè)備的相關(guān)程度越高，后面的虛擬文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)則幾乎與平臺(tái)無(wú)關(guān)，它們由設(shè)備管理中所支持的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)提供底層支持。因此，在做內(nèi)核移植的時(shí)候，需要改動(dòng)的就是進(jìn)程管理、內(nèi)存管理和設(shè)備管理中被獨(dú)立出來(lái)的那部分即硬件相關(guān)部分的代碼。在Linux內(nèi)核源代碼樹(shù)中，這部分代碼全部在areh目錄下，主要是被內(nèi)核直接調(diào)用的底層支持部分。這些代碼重寫(xiě)了內(nèi)核所需調(diào)用的所有函數(shù)，因?yàn)榻涌诤瘮?shù)是固定的，所以這里更像是為硬件平臺(tái)編寫(xiě)API。
3．4 內(nèi)核移植過(guò)程
    首先在通用計(jì)算機(jī)上編寫(xiě)程序，然后通過(guò)交叉編譯生成可在目標(biāo)平臺(tái)上運(yùn)行的二進(jìn)制代碼格式，最后再下載到目標(biāo)平臺(tái)計(jì)算機(jī)的特定位置上運(yùn)行。Linux內(nèi)核移植過(guò)程如下：
    (1)建立移植所必須的交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境。需準(zhǔn)備兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，一臺(tái)用作修改編譯Linux內(nèi)核，另一臺(tái)用作移植Linux內(nèi)核。
    (2)編寫(xiě)和修改Linux內(nèi)核。在通用計(jì)算機(jī)上修改和編寫(xiě)新的內(nèi)核代碼，編譯出新的Linux內(nèi)核。
    (3)調(diào)試新的Linux內(nèi)核。將編譯后生成的新Linux內(nèi)核加載到目標(biāo)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行運(yùn)行和調(diào)試，這個(gè)調(diào)試的過(guò)程就是交叉調(diào)試。
    調(diào)試器是一個(gè)單獨(dú)運(yùn)行著的進(jìn)程，它通過(guò)操作系統(tǒng)提供的調(diào)試接口來(lái)控制被調(diào)試的進(jìn)程。在Linux內(nèi)核移植過(guò)程中，調(diào)試時(shí)采用的是在宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間進(jìn)行的交叉調(diào)試。交叉調(diào)試有多種方法，它有一些典型特點(diǎn)：
    ◇調(diào)試器和被調(diào)試進(jìn)程通常運(yùn)行在不同的機(jī)器上(注：Linux內(nèi)核作為操作系統(tǒng)內(nèi)核，不同于普通進(jìn)程，但在交叉調(diào)試中作為被調(diào)試對(duì)象，與普通進(jìn)程沒(méi)有區(qū)別)，一般調(diào)試器運(yùn)行在PC或者工作站主機(jī)(宿主機(jī))上，而被調(diào)試的進(jìn)程則運(yùn)行在各種專(zhuān)業(yè)調(diào)試板(目標(biāo)機(jī))上。調(diào)試器通過(guò)某種通信方式與被調(diào)試進(jìn)程建立聯(lián)系，如串口、并口、網(wǎng)絡(luò)、DBM或者專(zhuān)用的通信方式。本次移植采用了串口和JTAG兩種方式與目標(biāo)機(jī)進(jìn)行通信。
    ◇在目標(biāo)機(jī)上一般會(huì)具備某種形式的調(diào)試代理，它負(fù)責(zé)與調(diào)試器共同配合完成對(duì)目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行著的進(jìn)程的調(diào)試。這種調(diào)試代理可能是某些支持調(diào)試功能的硬件設(shè)備(如 DBI2000)，也可能是某些專(zhuān)門(mén)的調(diào)試軟件(如 gdbserver)。本次移植使用的是GDB—Stub。
    ◇如果目標(biāo)機(jī)是某種形式的系統(tǒng)仿真器，通過(guò)在宿主機(jī)上運(yùn)行目標(biāo)機(jī)的仿真軟件，整個(gè)調(diào)試過(guò)程可以在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。雖然此時(shí)物理上只有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，但邏輯上仍然存在著宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的區(qū)別。本次移植沒(méi)有使用系統(tǒng)仿真器。調(diào)試時(shí)，作為調(diào)試器的GDB運(yùn)行在宿主機(jī)上，相應(yīng)的GDB—Stub運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)上。GDB通過(guò)串口或者網(wǎng)絡(luò)與GDB—Stub進(jìn)行通信，發(fā)出指令控制、訪問(wèn)運(yùn)行在目標(biāo)硬件平臺(tái)上的新的Linux內(nèi)核，讀取Linux內(nèi)核的當(dāng)前狀態(tài)，并能夠改變Linux內(nèi)核的運(yùn)行狀態(tài)。
    經(jīng)過(guò)多次移植測(cè)試后，就在基于ARM920T核的53C24lO處理器為核心處理器的ARM9平臺(tái)上成功移植了Linux操作系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)
    文中闡述了在基于ARM920T核的53C2410處理器為核心的ARM9平臺(tái)上移植Linux操作系統(tǒng)的環(huán)境、方案和過(guò)程，對(duì)移植的難點(diǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)分
析，這對(duì)ARM9平臺(tái)上的嵌入式Linux移植具有較好的實(shí)用價(jià)值和參考價(jià)值，同時(shí)對(duì)于其它平臺(tái)上的嵌入式Linux移植的方法也具有一定的借鑒意義。