PXA255的嵌入式Linux應(yīng)用平臺(tái)的構(gòu)建

1 引言

嵌入式Linux(Embedded Linux)是指對(duì)Linux經(jīng)過小型化裁剪后，能夠固化在容量?jī)H有幾十萬字節(jié)的存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)中，應(yīng)用于特定嵌入式場(chǎng)合的專用Linux操作系統(tǒng)。嵌入式Linux是由很多體積小且性能高的微內(nèi)核系統(tǒng)組成，在內(nèi)核代碼完全開放的前提下，不同領(lǐng)域和不同層次的用戶可以根據(jù)自己的應(yīng)用需要很容易地對(duì)內(nèi)核進(jìn)行改造，在低成本的前提下，設(shè)計(jì)和開發(fā)出真正滿足自己需要的嵌入式系統(tǒng)。

隨著電子市場(chǎng)的發(fā)展壯大，高性能低功耗的多媒體手提設(shè)備和無線設(shè)備越來越受到市場(chǎng)的歡迎，Intel XScale PXA255處理器正是針對(duì)這一情況推出的。它采用Intel XScale微結(jié)構(gòu)體系框架，采用ARMV5TE的7級(jí)超流水線，可以工作在200MHz、300MHz、400MHz下，集成了許多常用的外圍接口，功能強(qiáng)大。本文將介紹如何在Intel XScale PXA255上構(gòu)建嵌入式Linux應(yīng)用平臺(tái)。

一個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)的構(gòu)建由以下步驟組成：加載Bootloader引導(dǎo)程序、交叉編譯環(huán)境下加載和編譯Linux內(nèi)核和與之配套的根文件系統(tǒng)等，下面就逐步介紹各個(gè)步驟的實(shí)現(xiàn)情況。

2.1 加載Bootloader引導(dǎo)程序

 Bootloader引導(dǎo)程序是系統(tǒng)加電啟動(dòng)后運(yùn)行的第一段軟件代碼。回憶一下PC的體系結(jié)構(gòu)我們可以知道，PC機(jī)中的引導(dǎo)加載程序由BIOS(其本質(zhì)就是一段固件程序)和位于硬盤MBR中的引導(dǎo)程序一起組成。而在嵌入式系統(tǒng)中，通常并沒有像BIOS那樣的固件程序，因此整個(gè)系統(tǒng)的加載啟動(dòng)任務(wù)就完全由Bootloader來完成。Bootloader的啟動(dòng)流程一般分為兩個(gè)階段：stage1和stage2。在 stage1中的代碼通常用匯編語言實(shí)現(xiàn)，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率，而stage2中通常用C語言實(shí)現(xiàn)，目的是實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能和取得更好的代碼可讀性和可移植性。

在stage1中Bootloader主要完成以下工作：

項(xiàng)目基金：國家自然科學(xué)基金(50678099)
(1)基本的硬件初始化。
(2)為加載stage2準(zhǔn)備RAM空間。
(3)拷貝stage2到RAM空間中。
(4)設(shè)置堆棧指針sp，這是為執(zhí)行stage2的C語言代碼做好準(zhǔn)備。

在stage2中Bootloader主要完成以下工作：(1)用匯編語言跳轉(zhuǎn)到main入口函數(shù)。(2)初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備。(3)檢測(cè)系統(tǒng)的內(nèi)存映射。(4)加載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像。(5)設(shè)置內(nèi)核的啟動(dòng)參數(shù)。

本平臺(tái)中的Bootloader選擇的是U-Boot(Universal Bootloader)，是遵循GPL條款的開放源碼項(xiàng)目。其源碼目錄、編譯形式與Linux內(nèi)核很相似，事實(shí)上，不少U-Boot源碼就是相應(yīng)的 Linux內(nèi)核源程序的簡(jiǎn)化，尤其是一些設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，這從U-Boot源碼的注釋中就能體現(xiàn)這一點(diǎn)。就目前為止，U-Boot對(duì)PowerPC系列處理器支持最為豐富，對(duì)Linux的支持最完善。

在http://sourceforge.net/projects/u-boot下下載最新版本的U-Boot，移植之前需要仔細(xì)閱讀u-boot目錄下的readme文件，其中對(duì)如何移植做了簡(jiǎn)要的介紹。為了減少移植的工作量，可以在include / config目錄下選一個(gè)和要移植的硬件相同或相似的開發(fā)板，根據(jù)硬件平臺(tái)的配置情況和參考現(xiàn)有的源碼，對(duì)配置文件進(jìn)行修改和配置，如修改和配置 FLASH信息、SDRAM信息、網(wǎng)絡(luò)配置、處理器配置、中斷、開發(fā)版參數(shù)設(shè)置等。之后用make命令生成映像文件下載并燒寫到FLASH中。

2.2 交叉編譯環(huán)境下加載和編譯Linux內(nèi)核

2.2.1 建立交叉編譯環(huán)境

所謂交叉編譯是指當(dāng)主機(jī)系統(tǒng)和目標(biāo)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與操作系統(tǒng)不兼容時(shí)，將在主機(jī)系統(tǒng)上編譯的可執(zhí)行程序應(yīng)用到目標(biāo)系統(tǒng)上運(yùn)行的編譯方法。嵌入式系統(tǒng)通常是一個(gè)資源受限的系統(tǒng)，因此直接在嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)上編寫軟件比較困難，有時(shí)候甚至是不可能的。所以需要建立交叉編譯環(huán)境，下載hybus- arm-linux-R1.1.tar.gz到/usr/local目錄下。
# cd usr/local
# tar zxvf  hybus-arm-linux-R1.1.tar.gz

生成hybus-arm-linux-R1.1目錄，然后在/root/.bash_profile下修改添加以下路徑：
PATH=$PATH:/usr/local/ hybus-arm-linux-R1.1/bin
export PATH

至此，交叉編譯環(huán)境建立完成。

2.2.2  加載和編譯Linux內(nèi)核

Linux系統(tǒng)的內(nèi)核采用單塊結(jié)構(gòu)，可以動(dòng)態(tài)地加載和卸載模塊。系統(tǒng)利用內(nèi)核模塊的可動(dòng)態(tài)加載和卸載功能，可以方便地在內(nèi)核中添加新的組件或卸載不再需要的內(nèi)核組件。內(nèi)核模塊的動(dòng)態(tài)裝載性使得內(nèi)核映像的尺寸保持在最小，并且具有最大的靈活性，同時(shí)便于檢驗(yàn)新的內(nèi)核代碼，而不需重新編譯內(nèi)核且重新引導(dǎo)，從而用戶可以根據(jù)自己系統(tǒng)的需要構(gòu)筑自己的私有內(nèi)核，其源碼的公開更為改造其內(nèi)核提供了可能，尤其為重建有特殊要求的操作系統(tǒng)提供了可能。Linux的內(nèi)核版本發(fā)行同Linux對(duì)嵌入式處理器支持程度的發(fā)展是不同步的，因此需要對(duì)特定的處理器體系結(jié)構(gòu)選擇適合的內(nèi)核，在本文中選用2.4.18的內(nèi)核版本，下載已經(jīng)打好補(bǔ)丁的內(nèi)核資源linux-2.4.18-rmk7.tar.bz2。
# tar jxvf linux-2.4.18-rmk7.tar.bz2
# cd linux-2.4.18-rmk7
# make menuconfig
# make dep
# make zImage

完成后在arch/arm/boot 路徑下生成映像文件zImage，下載到開發(fā)平臺(tái)上并燒寫到FLASH中。

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2.3 配置根文件系統(tǒng)

Linux并不使用設(shè)備標(biāo)志符(如設(shè)備號(hào)或驅(qū)動(dòng)器名稱)來訪問獨(dú)立文件系統(tǒng)，而是通過一個(gè)將整個(gè)文件系統(tǒng)表示成單一實(shí)體的層次樹結(jié)構(gòu)來訪問它。一個(gè)根文件系統(tǒng)需要包含支持Linux系統(tǒng)運(yùn)行的所有文件，通常包括：
(1)基本的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
(2)基本的目錄： /dev, /proc, /bin, /sbin, /etc, /tmp等。
(3)基本的工具： sh, ls, cp, cd, mv等。
(4)基本的配置文件： rc, inittab, fstab等。
(5)設(shè)備： /dev/hd*, /dev/tty*, /dev/fd0, /dev/ram*, /dev/console等。
(6)基本的運(yùn)行庫。

為了建立根文件系統(tǒng)，可以利用BusyBox工具，在網(wǎng)上下載最近版本busybox-1.1.0.tar.gz，一些主要步驟如下：
#tar zxvf busybox-1.1.0.tar.gz
#cd busybox-1.1.0
#make menuconfig

在build Options菜單下，可以選擇靜態(tài)庫編譯方式

[*]Build BusyBox as a static binary (no shared libs)

還需要使用帶glibc庫支持的交叉編譯器arm-linux-gcc

[*]Do you want to build BusyBox with a Cross Compiler?
/usr/local/hybus-arm-linux-R1.1/bin/arm-linux-

在installation Options中選安裝路徑，默認(rèn)是_install目錄
[*]Don't use /usr
(./_install)BusyBox installation prefix

之后選擇一些需要的編譯命令后就可以編譯BusyBox了。
#make dep
#make
#make install

完成后生成_install目錄，目錄下有bin linuxrc sbin目錄，下面介紹對(duì)根文件系統(tǒng)的進(jìn)一步配置：

建立etc目錄
#mkdir etc

建立rc文件，內(nèi)容如下：
#!/bin/sh
hostname XScale
mount -t proc proc /proc
cat /etc/motd
改變r(jià)c屬性
#chmod 777 rc

建立inittab文件，主要內(nèi)容如下：
::sysinit:/etc/init.d/rcS
::askfirst:/bin/sh
tty1::respawn:/sbin/getty 38400 tty1
tty2::respawn:/sbin/getty 38400 tty2
::restart:/sbin/init
::ctrlaltdel:/sbin/reboot
::shutdowm:/bin/umount -a -r
::shutdowm:/sbin/swapoff -a

在init.d目錄下，建立rc文件的符號(hào)連接文件rcS