基于ADSP-BF533的μClinux嵌入式系統(tǒng)移植與開發(fā)
1 μClinux簡介
μClinux從Linux 2.0／2.4內(nèi)核派生而來，沿襲主流Linux的絕大部分特性。它是專門針對沒有MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內(nèi)存或內(nèi)存管理單元(MMU)的處理器。由于μClinux在標準的Linux基礎(chǔ)上進行了適當?shù)牟眉艉蛢?yōu)化，形成了一個高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux。雖然它的體積很小，但μClinux仍然保留了Linux的大多數(shù)的優(yōu)點：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對各種文件系統(tǒng)的支持、以及標準豐富的API等。
μClinux的主要特點如下：
(1)內(nèi)存管理
這部分是μClinux與傳統(tǒng)Linux區(qū)別最大的地方。對于μClinux來說，其設(shè)計針對沒有MMU的處理器，即μClinux不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，μClinux仍然采用存儲器的分頁管理。系統(tǒng)在啟動時把實際存儲器進行分頁，在加載應用程序時程序分頁加載，但是由于沒有MMU管理，因此實際上μClinux采用實存儲器管理策略。這一點影響了系統(tǒng)工作的很多方面。
(2)μClinux的內(nèi)核加載方式
μClinux的內(nèi)核有2種可選的運行方式：可以在FLASH上直接運行，也可以加載到內(nèi)存中運行。由于RAM的存取速率要比FLASH高，因此后者可以減少內(nèi)存需要，運行速度也更快。
(3)μClinux的文件系統(tǒng)
μClinux系統(tǒng)采用romfs文件系統(tǒng)。這種文件系統(tǒng)相對于一般的ext2文件系統(tǒng)要求更少的空間。這是由于內(nèi)核支持romfs文件系統(tǒng)比支持ext2文件系統(tǒng)需要更少的代碼，而且romfs文件系統(tǒng)相對簡單建立文件系統(tǒng)超級塊(superblock)需要的存儲空間更少。
(4)μClinux的應用程序庫
μClinux小型化的另一個做法是重寫應用程序庫。相對于越來越大且越來越全的庫glibc μClibc對libc做了精簡。
(5)可執(zhí)行文件格式
μClinux系統(tǒng)使用flat可執(zhí)行文件格式。另外，μClinux還提供通用的Linux API支持完整的TCP／IP協(xié)議堆棧和大量其他的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持包括NFSext2ROMfs等多種文件系統(tǒng)。
2 建立μClinux開發(fā)環(huán)境
嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與一般的應用開發(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。后者的平臺已經(jīng)對硬件或網(wǎng)絡(luò)媒質(zhì)做了抽象，從而不需要由系統(tǒng)開發(fā)者來完成這些工作。而在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，這也由開發(fā)者完成。
嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境一般分成主機端(HOST)和目標板(TARGET)兩個部分。主機端是開發(fā)平臺，用于運行開發(fā)過程中的各種工具(如Linux操作系統(tǒng)和ADI提供的集成開發(fā)環(huán)境Visual DSP++等)；目標板是運行和測試平臺，是嵌入式系統(tǒng)的最終駐留環(huán)境。在主機端和目標板之間需要通過某種方式進行通信，如使用RS 232串口或網(wǎng)口。通信的目的在于發(fā)送控制指令和傳輸數(shù)據(jù)，同時獲得反饋信息。圖1是系統(tǒng)移植工作的硬件環(huán)境。
目標板的硬件平臺如圖1所示：
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主機端的PC使用COM1和BF533的UART相連接，通過串口完成對目標板的必要控制功能。本文設(shè)計的ADSP-BF533目標板上配備有1塊SMSC LAN91C111以太網(wǎng)卡芯片和主機端建立原始(raw)IP連接，使用鏈路層地址完成大批量數(shù)據(jù)的傳送。
在硬件環(huán)境建立之后，就需要創(chuàng)建軟件開發(fā)環(huán)境。軟件環(huán)境主要是指Blackfin體系結(jié)構(gòu)的交叉編譯環(huán)境。建立交叉編譯環(huán)境首先要有交叉開發(fā)工具。交叉編譯工具是指一組運行在某一種處理器上，卻可以編譯出另一種處理器上執(zhí)行的指令的工具。它由一套用于編譯、匯編和鏈接內(nèi)核及應用程序的組件組成，通過編譯可以使μClinux內(nèi)核和應用程序在目標設(shè)備上運行。
編譯μClinux一般使用GNU開發(fā)套件作為交叉編譯器工具鏈，它包括一系列的開發(fā)和調(diào)試工具。在官方網(wǎng)站http：∥blackfin．μClinux．org上提供了Blackfin系列處理器內(nèi)核的交叉編譯工具。下載后按照說明解壓到Linux系統(tǒng)的相應文件夾里，并設(shè)置系統(tǒng)環(huán)境變量，使這些交叉編譯工具所在的目錄為全局環(huán)境變量。至此就建立好了μClinux的軟件開發(fā)環(huán)境。
3 利用U-Boot引導內(nèi)核
U-Boot(Universal Boot Loader)是當前比較流行的遵循GPL條件的開放源碼項目。也是是嵌入式Linux系統(tǒng)常用的Boot Loader之一。其完成的功能是初始化硬件設(shè)備、改變處理器運行模式、重組中斷向量和建立內(nèi)存空間映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件帶到一個合適的狀態(tài)或者用戶定制的特定狀態(tài)，以便為最終加載操作系統(tǒng)內(nèi)核準備好正確的環(huán)境。
U-Boot具有源碼公開的特點，開發(fā)人員可根據(jù)自身需要進行裁減；支持多種處理器和嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核；具有多種設(shè)備驅(qū)動源碼：支持種引導方式；具有功能強大且成熟、穩(wěn)定等諸多優(yōu)點，故本文采用U-Boot引導μClinux內(nèi)核。U-Boot嚴重依賴于底層硬件，不同的CPU或嵌入式板極設(shè)備需要不同的U-Boot，不過因為本文的重點是μClinux的移植，所以這里不再詳述U-Boot的具體實現(xiàn)過程。
當系統(tǒng)上電后，U-Boot從地址OxO開始執(zhí)行，將存儲器映射重新配置，如圖1所示，并會執(zhí)行μClinux的固化內(nèi)核。
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U-Boot可以使用ADI的仿真軟件Visual DSP++通過仿真器或JTAG口下載到目標板上。
4 μClinux內(nèi)核的編譯和移植
作為操作系統(tǒng)的核心，μClinux內(nèi)核負責管理系統(tǒng)的進程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動程序、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)，通過增減內(nèi)核模塊的方式來增減系統(tǒng)的功能。
4.1 內(nèi)核配置
雖然μClinux的內(nèi)核代碼大部分獨立于處理器和其體系結(jié)構(gòu)，但是最底層的代碼還是基于特定系統(tǒng)的。雖然各個系統(tǒng)存在相同之處，但是它們的中斷處理上下文、內(nèi)存映射的維護、任務(wù)上下文和初始化過程是獨特的。這些例行程序放置在μClinux代碼樹的arch／目錄下。這里需要根據(jù)自己的硬件平臺來配置內(nèi)核代碼。配置過程如下：
可以從官方網(wǎng)站http：／／blackfin．μClinux．org處下載μClinux-list的內(nèi)核源代碼。運行解壓命令：將tar-xvfμClinux-dist．tar．gz解壓完畢后，就會生成／μClinux-dist目錄，加入該目錄后按如下順序編譯內(nèi)核：
(1)make menuconfig；進入菜單方式配置指令；
(2)選擇所使用的平臺類型和所使用的庫
本文設(shè)計的目標板選擇：AnalogDevices／BF533-EZ-KIT和μC-libc庫。在配置欄中，選擇Load an AlternateConfiguration File，按確認，退出配置欄；
(3)make dep；尋找依存關(guān)系；
(4)make clean；清除以前構(gòu)造內(nèi)核時生成的所有目標文件、模塊文件和一些臨時文件；
(5)make lib_only；編譯庫文件；
(6)make user_only；編譯用戶應用程序文件；
(7)make romfs；生成romfs文件系統(tǒng)；
(8)make image；生成鏡像文件然后通過Jtag口輸入到目標板；
(9)make；通過各個目錄的makefile文件進行，會在各目錄下生成一大堆目標文件。
在上述步驟完成后，就完成了對μClinux源碼的編譯工作。最后會在／μClinux-dist／images目錄下看到3個內(nèi)核文件：linux.dxe，linux.bin和zImage.bin。如果編譯不成功，需要根據(jù)編譯過程的提示信息找到錯誤并重新編譯，直到成功為止。
4.2 修改配置內(nèi)核代碼
直接由源代碼編譯生成的內(nèi)核映像文件一般不會啟動成功，需要根據(jù)自己的目標板進行配置。需要修改系統(tǒng)啟動初始化文件crt0_ram.s，sysinit.c和ram.ld。
在crt0_ram.s中需要根據(jù)自己的目標板修改基地址、存儲器大小和起始地址。在sysinit.c中需要修改片選設(shè)置，分別對FLASH和SDRAM進行片選設(shè)置。在ram.ld中修改內(nèi)核連接加載地址。做完上面的修改，重新編譯生成linux.dxe等文件。
4.3 μClinux內(nèi)核的下載與執(zhí)行
μClinux內(nèi)核有2種可選的運行方式：一種是在FLASH上直接運行；另一種是加載到內(nèi)存中運行，系統(tǒng)啟動時從FLASH中讀取壓縮的內(nèi)核代碼(存儲器空間有限，所以一般需要壓縮內(nèi)核代碼)到內(nèi)存中解壓，然后開始執(zhí)行，這種方法比第一種的速度更快(RAM的存取速度比FLASH的快)。所以選取第二種方法。
編譯好的內(nèi)核文件可以由Visual DSP++開發(fā)裝置，通過網(wǎng)口或串口把linux．dxe下載到目標板的FLASH中，從設(shè)定的入口地址(一般為0x1000)執(zhí)行即可啟動內(nèi)核。
啟動μClinux就可以在超級終端看到μClinux的歡迎信息和簡單的shell提示符，界面如圖3所示。
5 在μClinux下添加應用程序
為了方便，μClinux用戶層的應用程序代碼都放在／μClinux—dist／user／目錄下，否則要自己重新定義很多宏，而且容易出錯。具體實現(xiàn)過程如下：
(1)在工作目錄的user目錄下創(chuàng)建應用程序的文件夾user／app然后編寫應用程序，編寫方法和普通的應用程序一樣；
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(2)在文件／user／Makefile里添加如下一句以便把用戶的應用加入到μClinux系統(tǒng)的編譯列表中；
dir_MYM(CONFIG_USER_MYAPP)+=app
(3)在／config／config．in里加入如下語句：
這樣在編譯時會多1個配置選項，當選擇這一選項時，字符串“CONFIG USER MYAPP”就會定義為“Y，參考上一個步驟，dir Y+=app，應用會被編譯入內(nèi)核
(4)為便于內(nèi)核配置在／config／config.help中加入有關(guān)該應用的幫助說明；
(5)回到／μClinux-dist目錄，執(zhí)行make編譯μClinux系統(tǒng)內(nèi)核和這里的應用程序。
6 結(jié) 語
對于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員來說，要將嵌入式操作系統(tǒng)應用到嵌入式系統(tǒng)中，首先要做的工作是根據(jù)不同的硬件平臺移植操作系統(tǒng)，掌握移植的方法非常重要。
本文所述的移植方法已經(jīng)成功應用于多個項目的開發(fā)。所述的移植雖然是針對Blackfin處理器芯片ADSP-BF533，但重點闡述的是移植的思路和方法。對將μClinux移植到其他處理器為核心的硬件平臺也有借鑒作用。
本文從如何將嵌入式操作系統(tǒng)μClinux與特定硬件相結(jié)合出發(fā)，分析移植μClinux到ADSP-BF533的過程。
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