μClinux在S3C4510B上的移植

摘要：Linux是一種支持多種體系結(jié)構(gòu)處理器的操作系統(tǒng)，有很強(qiáng)的移植性。描述了將μClinux移植到基于S3C4510B處理器目標(biāo)板上的方法與過(guò)程。首先介紹了S3C4510B處理器和μClinux，并簡(jiǎn)單說(shuō)明了如何搭建移植環(huán)境，然后著重討論了在該開(kāi)發(fā)板上Bootloader的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以及μClinux內(nèi)核的移植方法，最后對(duì)在這種基于μClinux的嵌入式系統(tǒng)環(huán)境下如何開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序做了簡(jiǎn)單說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);移植;μClinux;S3C4510B;Bootloader

1引言

ARM（AdvancedRISCMachines），既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)一微處理器的通稱(chēng)，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。

1991年ARM公司成立于英國(guó)劍橋，主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。目前，采用ARM技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）核的微處理器，即我們通常所說(shuō)的ARM微處理器，已遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無(wú)線系統(tǒng)等各類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)，基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75％以上的市場(chǎng)份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入我們生活的各個(gè)方面。

采用RISC架構(gòu)的ARM微處理器一般具有如下特點(diǎn)：體積小、低功耗、低成本、高性能；支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高；指令長(zhǎng)度固定。ARM的產(chǎn)品主要包括ARM7Thumb家族和ARM9Thumb家族、ARM10Thumb家族以及StrongARM家族。

2基于ARM的S3C4510B處理器和μClinux

本文所使用的S3C4510B是Samsung公司使用ARM7處理器內(nèi)核開(kāi)發(fā)的一塊嵌入式微處理器。作為一款高性?xún)r(jià)比的網(wǎng)絡(luò)處理器，S3C4510B已廣泛應(yīng)用于各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，其中央處理器為ARM7TDMI核。ARM7TMDI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器，屬低端ARM處理器核。TDMI的基本含義為：

T：支持16位壓縮指令集Thumb；

D：支持片上Debug；

M：內(nèi)嵌硬件乘法器（Multiplier）；

I：嵌入式ICE，支持片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)。

ThumbTM16位壓縮指令集能以較小的存儲(chǔ)空間需求，獲得32位的系統(tǒng)性能。S3C4510B處理器包括8kB可配置的一體化Cache/SRAM，1個(gè)I2C串行接口，2個(gè)UART，2個(gè)32位定時(shí)器，18個(gè)可編程的通用I/O口，以及1個(gè)10M/100M以太網(wǎng)控制器。豐富的片內(nèi)外圍極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。同時(shí)這款微處理器對(duì)操作系統(tǒng)的支持廣泛，包括WindowsCE、Linux、PalmOS等μClinux是針對(duì)控制領(lǐng)域的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，他從Linux2.0/2.4內(nèi)核派生而來(lái)，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。適合不具備內(nèi)存管理單元(MemoryManagementUnit,簡(jiǎn)稱(chēng)MMU)的微處理器/微控制器，例如ARM7TDMI，他通常具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式系統(tǒng)。在GNU通用公共許可證（GUNGPL）的保證下，運(yùn)行μClinux操作系統(tǒng)的用戶(hù)可以使用幾乎所有的LinuxAPI函數(shù)，不會(huì)因?yàn)闆](méi)有MMU而受到影響。

3建立μClinux開(kāi)發(fā)環(huán)境

嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與一般的應(yīng)用開(kāi)發(fā)最大的差別在于，前者需要建立特殊的硬件環(huán)境，而后者一般基于特定的操作系統(tǒng)或分布式平臺(tái)。后者的平臺(tái)已經(jīng)對(duì)硬件或網(wǎng)絡(luò)媒質(zhì)做了抽象，從而不需要由系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者來(lái)完成這些工作。而在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，這也由開(kāi)發(fā)者完成。

嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境一般分成主機(jī)端(HOST)和目標(biāo)板(TARGET)兩個(gè)部分。主機(jī)端是開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用于運(yùn)行開(kāi)發(fā)過(guò)程中的各種工具;目標(biāo)板是運(yùn)行和測(cè)試平臺(tái)，是嵌入式系統(tǒng)的最終駐留環(huán)境。在主機(jī)端和目標(biāo)板之間需要通過(guò)某種方式進(jìn)行通信，如使用RS232C串口。這種通信的目的在于發(fā)送控制指令和傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)獲得反饋信息。圖1是系統(tǒng)移植工作的硬件環(huán)境。

主機(jī)端的PC使用COM1通過(guò)MAX232和S3C4510B的UART1相連接，通過(guò)串口完成對(duì)目標(biāo)板的必要控制功能。S3C4510B開(kāi)發(fā)板上配備有一塊DM9161以太網(wǎng)卡芯片和主機(jī)端建立原始(raw)IP連接，使用鏈路層地址完成大批量數(shù)據(jù)的傳送。

硬件環(huán)境建立之后，就需要?jiǎng)?chuàng)建軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。軟件環(huán)境主要是指ARM體系結(jié)構(gòu)的交叉編譯環(huán)境，在主機(jī)端使用RedHatLinux8.0操作系統(tǒng)，并在其上建立gcc的ARM體系結(jié)構(gòu)的交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境。可以從http://mac.os.nctu.edu.tw處下載工具鏈：

(1)armelfbinutils2.115.i385.rpm

一些輔助工具，包括objdump（可以反編譯二進(jìn)制文件），as（匯編編譯器），ld（連接器）等。

(2)armelfgcc2.95.32.i386.rpm

配置目標(biāo)為arm的GNU的C編譯器。使用他在宿主機(jī)上開(kāi)發(fā)編譯目標(biāo)上可運(yùn)行的二進(jìn)制文件。

(3)genromfs0.5.11.i386.rpm

生成Romfs的工具。Romfs是一種文件系統(tǒng)。這種文件系統(tǒng)相對(duì)于一般的ext2文件系統(tǒng)要求更少的空間。

將這3個(gè)文件放在宿主機(jī)上的任意一個(gè)目錄下，然后輸入下面的命令來(lái)安裝：

們就建立好了μClinux的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。

4Bootloader的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

Bootloader被用于系統(tǒng)從硬件啟動(dòng)到操作系統(tǒng)啟動(dòng)的過(guò)渡，是嵌入式系統(tǒng)中必不可少的一段程序。他相當(dāng)于PC機(jī)中的BIOS和OSLoader，用于初始化運(yùn)行硬件和啟動(dòng)操作系統(tǒng)，因此其實(shí)現(xiàn)方式由硬件的特性決定。和BIOS/OSLoader一樣，他需要固化在目標(biāo)板中，每次啟動(dòng)目標(biāo)板時(shí)，首先會(huì)運(yùn)行Bootloader，在他完成CPU和相關(guān)硬件的初始化之后，才從事先規(guī)定的地址啟動(dòng)操作系統(tǒng)或嵌入式應(yīng)用的固化程序。

在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，Bootloader還擔(dān)任了與主機(jī)端通信的任務(wù)，他相當(dāng)于一個(gè)“服務(wù)器”，不斷監(jiān)聽(tīng)從主機(jī)端傳來(lái)的控制信息和數(shù)據(jù)信息，完成相應(yīng)的操作。

當(dāng)系統(tǒng)上電后，Bootloader從地址0x0開(kāi)始執(zhí)行，將存儲(chǔ)器映射重新配置，如表1所示，并會(huì)執(zhí)行Linux的固化內(nèi)核。

??

Bootloader可以使用ARM仿真軟件SDT2.5通過(guò)JTAG下載到目標(biāo)板上。[!--empirenews.page--]

5μClinux內(nèi)核的編譯和移植

作為操作系統(tǒng)的核心，μClinux內(nèi)核負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的各種性能。μClinux內(nèi)核采用模塊化的組織結(jié)構(gòu)，通過(guò)增減內(nèi)核模塊的方式來(lái)增減系統(tǒng)的功能。

內(nèi)核配置，在產(chǎn)品列表中選擇Samsung/4510B。在庫(kù)的選擇上選uC-libc。

(2)makedep

尋找依存關(guān)系。

(3)makeclean

清除以前構(gòu)造內(nèi)核時(shí)生成的所有目標(biāo)文件、模塊文件和一些臨時(shí)文件。

(4)makelib_only

編譯庫(kù)文件。

(5)makeuser_only

編譯用戶(hù)應(yīng)用程序文件。

(6)makeromfs

生成romfs文件系統(tǒng)。

(7)makeimage

(8)make

通過(guò)各個(gè)目錄的makefile文件進(jìn)行，會(huì)在各目錄下生成一大堆目標(biāo)文件。

上述步驟完成后，就完成了對(duì)μClinux源碼的編譯工作。我們可以在/μClinuxSamsung/images目錄下看到2個(gè)內(nèi)核文件：image.ram和image.rom。

其中iamge.rom可以直接燒寫(xiě)入Flash存儲(chǔ)器中，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位或上電時(shí)，內(nèi)核自解壓到SDRAM運(yùn)行。Image.ram可以通過(guò)SDT載入到SDRAM中直接運(yùn)行。

μCLinux的內(nèi)核有2種可選的運(yùn)行方式：可以在Flash上直接運(yùn)行，也可以加載到RAM中運(yùn)行。

Flash運(yùn)行方式：把內(nèi)核的可執(zhí)行映像文件燒到Flash上，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)從Flash的某個(gè)地址開(kāi)始逐句執(zhí)行。這種方法實(shí)際上是很多嵌入式系統(tǒng)采用的方法。

內(nèi)核加載RAM方式：把內(nèi)核的壓縮文件存放在Flash上，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)讀取壓縮文件在內(nèi)存里解壓，然后開(kāi)始執(zhí)行，這種方式相對(duì)復(fù)雜一些，但是運(yùn)行速度可能更快。同時(shí)這也是標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)采用的啟動(dòng)方式。

6應(yīng)用程序在μClinux上的開(kāi)發(fā)

下面將介紹如何把一個(gè)應(yīng)用程序（例如examplec）添加到μClinux上的過(guò)程。

首先進(jìn)入μClinux-Samsung/user目錄并建立一個(gè)自己的子目錄，如myproject。將examplec復(fù)制到myproject目錄下，并編寫(xiě)相應(yīng)的makefile文件。接著進(jìn)入user目錄，增加一行語(yǔ)句到該目錄下的makefile文件：

dir_$(CONFIG_USER_MAAPP_LEDNXY)+=myapp

切換到目錄μClinuxSamsung/config下，打開(kāi)configin這個(gè)文件，并在最后增加類(lèi)似下面的語(yǔ)句：

mainmenu_optionnext_comment

comment‘MyApplication‘

bool‘example‘CONFIG_USER_MYPROJECT_

EXAMPLE

comment‘MyApplication

endmenu

此后，在編譯內(nèi)核的makemenuconfig時(shí)就可以在CustomizeVendor/UserSetting(NEW)這一項(xiàng)的子菜單中選中自己的應(yīng)用程序example，然后按第5節(jié)中相同的辦法進(jìn)行編譯即可。

但是，如果我們每修改一次應(yīng)用程序，就要把他加入到內(nèi)核中重新編譯，顯然效率太低，也不可行。那么有什么方法來(lái)節(jié)省調(diào)試時(shí)間呢?

在上面的章節(jié)中曾提到Bootloader可以擔(dān)當(dāng)與主機(jī)端通信的任務(wù)，在這里我們就可以通過(guò)他把應(yīng)用程序快速下載到目標(biāo)板上。

首先通過(guò)elf2flt這個(gè)工具交叉編譯example.c生成在μClinux下的可執(zhí)行文件example（flat格式）,命令如下：

arm-elf-gcc-Wall-o2-wl,elf2flt-oexampleexample.c

接著將宿主機(jī)與目標(biāo)板通過(guò)串口線連接，并在宿主機(jī)上啟動(dòng)一個(gè)超級(jí)終端，例如minicom，選擇好一個(gè)COM口（通常是串口1），設(shè)置波特率為19200，8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位，無(wú)校驗(yàn)。然后選擇傳輸協(xié)議Zmodom,最后選定需要傳輸?shù)奈募xample并發(fā)送。傳輸結(jié)束后可以通過(guò)超級(jí)終端在目標(biāo)板的目錄中發(fā)現(xiàn)example，這說(shuō)明傳輸成功。

在目標(biāo)板上將example加上x(chóng)屬性（可執(zhí)行屬性），然后輸入命令/example就可以運(yùn)行此程序了。顯然，通過(guò)這種方法可以很方便快捷的調(diào)試應(yīng)用程序，等調(diào)試結(jié)束，再把他加入到內(nèi)核中一起編譯即可。

7結(jié)語(yǔ)

討論了如何將μClinux移植到ARM7體系微處理器S3C4510B上的基本流程，同時(shí)也簡(jiǎn)要的介紹了Bootloader以及應(yīng)用程序的加載和調(diào)試方法。在不同的宿主機(jī)和目標(biāo)板環(huán)境下，具體移植過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)各種不同的錯(cuò)誤或問(wèn)題，可以充分利用GCC這個(gè)強(qiáng)大的工具，根據(jù)他的錯(cuò)誤提示來(lái)一步步的進(jìn)行修正，最終成功的移植μClinux。