基于ARM的嵌入式設備中uCLinux系統(tǒng)開發(fā)

1 引言

    信息家電和手持設備大大加速了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，而ARM體系32位高性能、低功耗處理器和嵌入式操作系統(tǒng)Linux無疑成為佼佼者。因為Linux源代碼開放、免費，任何將其定制于PDA、掌上機或者便攜式設備感興趣的人都可以從因特網(wǎng)免費下載其內核和應用程序，并開始移植或開發(fā)，所以Linux在嵌入式開發(fā)領域得到穩(wěn)步發(fā)展。uCLinux 即是目前嵌入式linux 中最流行的一種,它是針對微控制領域而設計的Linux系統(tǒng)，其最大特征就是沒有MMU（內存管理單元模塊），適合嵌入式系統(tǒng)小型化應用。

　　uCLinux支持多任務，支持多種文件系統(tǒng)，提供了對網(wǎng)絡的強大支持，具有完整的TCP/IP協(xié)議棧，以及標準豐富的API。由于它的很多核心代碼都為沒有被MMU的處理器重新編寫過，對標準Linux龐大的應用程序庫和驅動程序庫作了刪改，所以它的內核要比常規(guī)的Linux 內核小很多；uCLinux包含Linux常用的API和小于512k的內核及相關的工具，總代碼只有900k左右，但同時保留了常規(guī)Linux 操作系統(tǒng)絕大多數(shù)的優(yōu)點。

2 基于ARM的硬件平臺

    嵌入式領域32位處理器以ARM公司的ARM核最為流行，本文以Samsung公司的ARM7TDMI芯片S3C4510為處理器開發(fā)板為硬件平臺，開發(fā)板上與S3C4510相關的部分主要集成了如下器件：

(2M＋512k)B 的Flash,其中AT29C010A為512B作為BootLoader，一片SST49VF160為1M×16bitFlash；

16MB 的DRAM,由兩片4M×16bits的HY57V641620提供 ；

16MB 的SRAM，由M-systems的新一代閃存盤DOC2000構成；

Ethernet接口；

ARM JTAG 接口。

　　開發(fā)板上與S3C4510相關部分功能框圖如圖1 所示。

             IO      

UART                   

       S3C4510

JTAG               Ethernet

 
 FLASH             　　　　　　　　        　　  　                     F
 
DOC2000
 
232串口
 
JTAG接口
 
 LED
 
以太網(wǎng)接口
 
用戶自定義邏輯
 
DRAM
 
3 uCLinux內核移植

    嵌入式 Linux 開發(fā)大致涉及三個層次：引導裝載程序、Linux 內核和驅動及應用程序。我們將討論涉及這三層的一些基本概念；深入了解引導裝載程序、內核和文件系統(tǒng)是如何交互的。

    引導程序BootLoader的主要作用包括初始化處理器；初始化必備的設備；下載系統(tǒng)映象；初始化操作系統(tǒng)系統(tǒng)并準備執(zhí)行。

    引導裝載程序有兩種方法：專用軟件和微小的引導代碼。專用軟件可以直接與遠程系統(tǒng)上的閃存設備進行交互并將引導裝載程序安裝在閃存的給定位置中。而某些種類的嵌入式設備具有微小的引導代碼：根據(jù)幾個字節(jié)的指令，它將初始化一些 DRAM 設置并啟用目標上的一個串行（或者 USB，或者以太網(wǎng)）端口與主機程序通信；然后，主機程序或裝入程序可以使用這個連接將引導裝載程序傳送到目標上，并將它寫入閃存。

    嵌入式設備上一些流行的并可免費使用的 Linux 引導裝載程序有 Blob、Redboot 和 Bootldr。所有這些引導裝載程序都用于基于 ARM 設備上的 Linux，并需要Jflash-linux 工具用于安裝。一旦將引導裝載程序安裝到目標的閃存中，它就會執(zhí)行我們上面提到的所有初始化工作。然后，它準備接收來自主機的內核和文件系統(tǒng)。一旦裝入了內核，引導裝載程序就將控制轉給內核。

    Linux內核移植首先需要配置內核，可以用make menuconfig進行，根據(jù)板卡選擇必要的選項。主要包括系統(tǒng)類型選定（ARM system type）,配置SDRAM/Flash地址；對塊設備、字符設備進行選擇和配置；配置文件系統(tǒng)；是否配置圖形用戶界面（GUI）。修改內核，我們選用www.lomx.net上的uClinux-2.4.26-uc0.diff，已經(jīng)為S3C4510移植好的內核，需要修改的地方很少。編譯內核，首先要在宿主機（安裝有Linux）上建立交*編譯環(huán)境，下載arm-elf-tools安裝在Linux 宿主機上的/usr/local/bin 目錄下。現(xiàn)在的BLOB 和將來的uClinux 都要在這個環(huán)境下編譯。

開始編譯uClinux

編譯內核：執(zhí)行命令：

make menuconfig 在出現(xiàn)的對話框選Samsung/4510B 和 uC-libc,然后退出。如果選擇uC-libc編譯出錯，可以改選uClibc!

   make dep

   make lib_only  

   make user_only

   make romfs

   make image 產(chǎn)生 romfs.o，這一步將會出現(xiàn)一些錯誤報告，可忽略繼續(xù)下面的命令

   make

如果make無錯誤，在images的目錄下你會看到有 image.ram 和 image.rom 兩個二進制的內核文件。即image.ram和image.rom。 image.ram可以通過Bootloader下載到SDRAM中運行。image.rom可以寫入到Flash SST39VF160中直接運行。

down image.ram看看能不能運行

    最后一步，uClinux調試完畢，通過jflashp將其寫入到Flash中：開發(fā)板斷電，把JTAG仿真器接到計算機的并口和板子的14Pin JTAG插座上；接通5V電源；執(zhí)行 FlashP w -f image.rom，大約30分鐘以后燒寫完畢。撤掉JTAG仿真器以后再上電就應該運行uClinux了。如果想把BootLoader寫回Flash，執(zhí)行FlashP w -f bios.img即可。

4 uCLinux驅動程序開發(fā)

    嵌入式系統(tǒng)通常有許多設備用于與用戶交互，象觸摸屏、小鍵盤、滾動輪、傳感器、RS232 接口、LCD 等等。除了這些設備外，還有許多其它專用設備，包括閃存、USB、GSM、GPS 等。內核通過所有這些設備各自的設備驅動程序來控制它們，包括 GUI 用戶應用程序也通過訪問這些驅動程序來訪問設備。uClinux 的驅動程序庫不可能包括實際項目系統(tǒng)中所有外圍硬件的驅動,所以在應用開發(fā)中,編寫驅動程序是一個重要步驟,驅動程序設計的好壞直接影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和運行效率。

    在uClinux 內核編寫驅動程序并不像其他操作系統(tǒng)那么復雜,實際上,所要做的只是為相應的設備編寫幾個基本函數(shù)并向VFS(virtual file system) 注冊即可。當上層應用要使用該設備時,VFS 就會調用相應的設備函數(shù)。設備驅動程序通?？蓺w為以下3 類:

a) 塊設備(block) ,以塊為單位,允許隨機訪問,多用緩存技術；

b) 字符設備(char) ,以字節(jié)為單位,只能按順序訪問,不用緩存；

c) 網(wǎng)絡接口(net) 。

    在本系統(tǒng)中，DOC作為塊設備可被模擬為IDE設備進行識別，系統(tǒng)用主設備號（MAJOR）和次設備號（MINOR）來唯一標識一般設備；相同主設備號表示同一類設備，次設備號表示同類設備的個數(shù)。所有設備在適當?shù)哪夸洠ㄍǔＪ?dev目錄）下必須有相應的文件，這樣字符設備和塊設備都可以通過文件操作的系統(tǒng)調用完成。不同的是，塊設備操作經(jīng)常和緩沖區(qū)聯(lián)系在一起。

    字符設備的驅動程序通過在device_struct數(shù)據(jù)結構的chrdevs向量中增加一項的方法來向內核注冊自己。然后對這個設備的所有調用都用這個設備號來實現(xiàn);

    塊設備和字符設備都需要定義功能函數(shù):對于每一個驅動函數(shù)來說,都有一些和此設備密切相關的功能函數(shù),就最常用的字符設備來說,都存在著諸如open()、read()、write()、ioctrol( ) 這一類的操作。當系統(tǒng)調用這些操作時,將自動的使用file-operations 結構中對應的函數(shù)來實現(xiàn)具體的操作;塊設備由于使用高速緩存，其驅動程序不需要保護自己的read()、write()和fsync()函數(shù)，但必須使用自己的open()、release()和ioctl()函數(shù)，函數(shù)原型為：

static int my_open(struct inode *inode,struct file *file);

static int my_release(struct inode *inode,struct file *file);

static int my_ioctl(struct inode *inode,struct file *file,unsigned int cmd,unsigned long age);

    塊設備驅動程序的請求處理函數(shù)一般通過中斷實現(xiàn)。驅動程序被調用時CPU由內核程序控制，故不可搶占，驅動程序必須調用sleep_on()函數(shù)釋放對CPU的占用，在中斷服務子程序將數(shù)據(jù)復制到內核內核后，再發(fā)出wake_up()調用。

    字符設備如LCD、USB應用廣泛，下面以此為例詳細說明添加設備驅動的過程。設備名稱為scre,設備號為254。塊設備與網(wǎng)絡設備可以比照處理。

    在目錄/linux_2.4/drives/char編寫源程序scre.c，編寫字符設備的處理函數(shù)。

1.設備驅動原文件必須包括這樣的一個函數(shù)：