基于ARM的Linux系統(tǒng)移植研究與實(shí)現(xiàn)

摘要：Linux具有源代碼開(kāi)放、效率高、可裁剪等優(yōu)點(diǎn)，在嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中具有廣泛的應(yīng)用。文章介紹了嵌入式Linux操作系統(tǒng)、移植目標(biāo)平臺(tái)SBC2410及Linux內(nèi)核源代碼的目錄結(jié)構(gòu)，分析了Linux移植到SBC2410平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，闡述了Linux內(nèi)核、u-boot的裁剪和編譯以及根文件系統(tǒng)的制作過(guò)程，最后在SBC2410平臺(tái)上成功移植了嵌入式Linux系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：SBC2410：Linux；嵌入式系統(tǒng)；系統(tǒng)移植

0 引言
    嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，但對(duì)功能、可靠性、成本等都有嚴(yán)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)很難實(shí)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(guó)汽車、家電等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)已成為目前IT產(chǎn)業(yè)的一個(gè)新的熱點(diǎn)。基于ARM的嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，首先要解決的問(wèn)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(kāi)放、同時(shí)可支持多種處理器結(jié)構(gòu)的多任務(wù)操作系統(tǒng)，具有內(nèi)核小、易裁剪、可移植性好等優(yōu)點(diǎn)，是目前嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與開(kāi)發(fā)的主流操作系統(tǒng)。本文主要研究在ARM9平臺(tái)上搭建嵌入式Linux系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。

1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)及特點(diǎn)
    目前，在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，52％的項(xiàng)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(guān)系。
     Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核源代碼開(kāi)放，并具有豐富的軟件資源。不同的應(yīng)用領(lǐng)域可以根據(jù)需要對(duì)內(nèi)核進(jìn)行修改，每一種通用程序在Linux都能找到。在Linux上開(kāi)發(fā)程序不需要從頭做起，可以選擇一個(gè)類似的軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，因而能夠低成本地開(kāi)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(shè)備，而且驅(qū)動(dòng)豐富，能支持多種主流硬件設(shè)備和最新硬件技術(shù)。隨著Linux的廣泛應(yīng)用，許多芯片生產(chǎn)廠家也已經(jīng)開(kāi)始為L(zhǎng)inux提供驅(qū)動(dòng)，這為L(zhǎng)inux在各種硬件平臺(tái)上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
     Linux可支持多種體系結(jié)構(gòu)，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(tái)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(kāi)發(fā)環(huán)境和交叉運(yùn)行環(huán)境，可跨越嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中仿真工具的障礙。由于其符合IEEE POSIX．1標(biāo)準(zhǔn)，因而應(yīng)用程序具有較好的可移植性。
    Linux具有完善的網(wǎng)絡(luò)通信和文件管理機(jī)制。實(shí)際上，Linux從一開(kāi)始就與網(wǎng)絡(luò)密不可分，網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)因特網(wǎng)協(xié)議，可以利用Linux的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧開(kāi)發(fā)嵌入式TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。同時(shí)，Linux支持ext2、fat16、fat32、romfs等文件系統(tǒng)，從而為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)打下了很好的基礎(chǔ)。

2 Linux在ARM平臺(tái)上的移植
2．1 SBC2410硬件平臺(tái)介紹
    SBC2410硬件平臺(tái)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(tái)。主要硬件資源有一片64 MB SDRAM，一片64 MBNandFlash，一片1 MB Nor Flash，一個(gè)串口COM0，一個(gè)USB Host A型接口，一個(gè)USB Slave B型接口，以及一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口等。
2．2 Linux在ARM平臺(tái)上的移植準(zhǔn)備
    首先是要建立交叉編譯環(huán)境。交叉編譯環(huán)境是一個(gè)由編譯器、連接器和解釋器組成的綜合開(kāi)發(fā)環(huán)境。交叉編譯工具主要包括編譯器gcc，二進(jìn)制工具binutils，目標(biāo)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)c庫(kù)glibc和目標(biāo)系統(tǒng)的Linux內(nèi)核頭文件。宿主機(jī)要選好做嵌入式開(kāi)發(fā)的Linux操作系統(tǒng)，配置好網(wǎng)絡(luò)、NFS服務(wù)等。因?yàn)槟繕?biāo)機(jī)沒(méi)有足夠的資源運(yùn)行開(kāi)發(fā)工具和調(diào)試工具，所以要在宿主機(jī)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(jìn)制代碼(并不能在宿主機(jī)上運(yùn)行)，再下載到目標(biāo)板上調(diào)試和運(yùn)行。交叉編譯標(biāo)準(zhǔn)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(kù)函數(shù)。[!--empirenews.page--]
2．3 引導(dǎo)程序移植bootloader
    引導(dǎo)程序bootloader是與體系結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的部分，是操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序運(yùn)行之前運(yùn)行的一小段程序，用于完成系統(tǒng)的啟動(dòng)和加載。它類似于PC機(jī)中的BIOS程序。bootloade嚴(yán)重依賴于硬件實(shí)現(xiàn)，一般在嵌入式系統(tǒng)中建立一個(gè)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(shè)備的初始化，建立內(nèi)存空間的映射圖，將系統(tǒng)的軟硬件帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，為操作系統(tǒng)內(nèi)核的運(yùn)行做準(zhǔn)備。
    通常bootloader移植分為兩步：
    第一步常用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的代碼。主要包括硬件設(shè)備初始化；為加載bootloader準(zhǔn)備RAM空間；拷貝bootloader到RAM空間中；設(shè)置好堆棧。
    第二步常用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。即：初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備；檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)；調(diào)用內(nèi)核。圖1所示是bootloader的工作流程圖。

2．4 內(nèi)核移植
    內(nèi)核移植首先應(yīng)當(dāng)啟動(dòng)操作系統(tǒng)，完成內(nèi)存管理、任務(wù)調(diào)度、進(jìn)程管理、加載驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)等功能，然后執(zhí)行應(yīng)用程序或等待用戶命令。雖然各功能之間存在復(fù)雜的調(diào)度關(guān)系，但由于Linux分層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，已將其中硬件相關(guān)的代碼獨(dú)立了出來(lái)，因此，移植過(guò)程中只需要改動(dòng)進(jìn)程管理、內(nèi)存管理和設(shè)備管理中與硬件相關(guān)的那部分代碼。
    一般情況下，從官方網(wǎng)站上下載的內(nèi)核不能直接在硬件平臺(tái)上運(yùn)行，而要跟據(jù)具體的硬件平臺(tái)重新裁剪、編譯內(nèi)核，并根據(jù)硬件平臺(tái)特性編寫相應(yīng)的硬件相關(guān)的代碼，將Linux移植到硬件平臺(tái)。對(duì)內(nèi)核代碼的修改包括以下部分：
    (1)修改內(nèi)核目錄樹(shù)根下的Makefile，找到ARCH和CROSS_COMPILE，修改ARCH=arm，CROSS_COMPILE=armlinux，然后設(shè)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(shè)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(nèi)容建立nand flash分區(qū)表；修改arch／arm ／machSBC2410／machsmdk2410．c文件指定啟動(dòng)時(shí)初始化，并在kernel啟動(dòng)時(shí)依據(jù)對(duì)分區(qū)的設(shè)置進(jìn)行初始配置。在Linux源文件目錄下，執(zhí)行makemenuconfig命令，配置內(nèi)核產(chǎn)生config文件，選擇處理器類型為SBC2410，選擇串口驅(qū)動(dòng)設(shè)備，完成后保存config文件。
    在完成內(nèi)核的裁減之后，執(zhí)行命令make clean，編譯內(nèi)核之前先把環(huán)境給清理干凈，也可以用makerealclean或makemrproper來(lái)徹底清除相關(guān)依賴，保證沒(méi)有不正確的文件存在，最后將zimage下載到開(kāi)發(fā)板。

3 結(jié)語(yǔ)
    經(jīng)過(guò)移植，Uboot和Linux在SBC2410平臺(tái)就能運(yùn)行，在此基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)各類驅(qū)動(dòng)程序及應(yīng)用軟件。用串口線將SBC2410和PC機(jī)相連，通過(guò)超級(jí)終端可以看到移植成功。系統(tǒng)成功啟動(dòng)后，就可以進(jìn)入根文件系統(tǒng)。本文通過(guò)分析Linux的特點(diǎn)和移植方法，總結(jié)出了一種基于ARM的Linux系統(tǒng)移植的方法，并實(shí)現(xiàn)了Linux系統(tǒng)內(nèi)核在SBC2410處理器平臺(tái)上的移植。