嵌入式Linux： uClinux操作系統(tǒng)移植

1.uClinux簡介

uClinux這個英文單詞中u表示Micro，小的意思，C表示Control，控制的意思，所以uClinux就是Micro-Control-Linux，字面上的理解就是"針對微控制領域而設計的Linux系統(tǒng)".

uclinux是一個源碼開放的操作系統(tǒng)，面向沒有MMU（MemoryManagementUnit）的硬件平臺。它是linux的一個變種，主要的區(qū)別在于兩者的內(nèi)存管理機制和進程調(diào)度管理機制，同時為了適應嵌入式應用的需求，它的采用了romfs文件系統(tǒng)，并對linux上的c語言庫glibc做了簡化。

2.硬件體系結(jié)構簡介

運行uClinux的硬件平臺主要包括如下幾個部分：cpu（ARMv4指令集兼容）、uart、memorycontroller、定時器、flash存儲器，sdram存儲器，中斷控制器和DMA.

3.編譯環(huán)境和編譯工具

uclinux操作系統(tǒng)源碼絕大部分是用c語言開發(fā)的，有一些與硬件直接相關的代碼則用特定于某一CPU體系結(jié)構的匯編來實現(xiàn)。這些源碼只能用GNU的gcc編譯工具來進行編譯、鏈接。

GNUgcc可以運行于Linux/Unix操作系統(tǒng)上。如果要在Windows平臺上運行gcc，則必須安裝Cygwin.Cygwin可以在Windows中安裝一個linux的運行環(huán)境，這樣就可以在windows下運行原本只能在linux下運行的程序。

為了在PC上編譯得到運行于目標CPU上的操作系統(tǒng)內(nèi)核，還必須安裝一個合適的交叉編譯器。Gcc提供了現(xiàn)成的針對MIPS、ARM、M68K、Sharc、PowerPC的交叉編譯器。如果沒有現(xiàn)成的交叉編譯器，則需要自行設計。GNU網(wǎng)站提供了一些如何開發(fā)新的交叉編譯器的文章。開發(fā)一個新的編譯器，一般需要如下幾個步驟：

（1）、編寫機器描述腳本。采用gcc的RTL（RegisterTansferLanguage）語言描述針對某一CPU體系結(jié)構的機器指令與尋址方式、CPU浮點處理方式、endianess、c語言中各種數(shù)據(jù)類型的位寬、寄存器的個數(shù)和使用規(guī)則、堆棧和函數(shù)調(diào)用規(guī)則等體系結(jié)構的細節(jié)。

（2）、設計代碼生成器。Gcc在對c語言源文件進行了詞法和語法分析后，將產(chǎn)生一種中間格式文件（intermediaterepresentation）。為了把這種中間格式文件轉(zhuǎn)化為針對具體CPU體系結(jié)構的機器碼，需要自行設計一個代碼生成器。

（3）、設計匯編器

（4）、設計鏈接器

4.uClinux啟動過程

uClinux系統(tǒng)的啟動可以分為兩個步驟：

（1）。運行bootloader初始化程序

SRAM、SDRAM等存儲設備屬于揮發(fā)性的存儲器，掉電以后其中的內(nèi)容就會全部丟失，所以必須把操作系統(tǒng)的內(nèi)核鏡像存放在Flash等不揮發(fā)性存儲介質(zhì)上。但是操作系統(tǒng)在運行時，需要動態(tài)的創(chuàng)建一些如數(shù)據(jù)段、堆棧、頁表（針對使用虛擬地址的操作系統(tǒng)）等內(nèi)容，所以需要在RAM中運行操作系統(tǒng)。因此，就需要一個引導程序把操作系統(tǒng)的內(nèi)核鏡像從Flash存儲器拷貝到RAM中，然后再從RAM中執(zhí)行操作系統(tǒng)的內(nèi)核。Bootloader就是可以完成這樣一種功能的程序。

從本質(zhì)上來講，bootloader不屬于操作系統(tǒng)內(nèi)核。它采用匯編語言編寫，因此針對不同的cpu體系結(jié)構，這一部分代碼不具有可移植性。在移植操作系統(tǒng)時，這部分代碼必須加以改寫。

具體來講，bootloader在系統(tǒng)啟動時主要完成以下幾項工作：

。將操作系統(tǒng)內(nèi)核從flash拷貝到sdram中，如果是壓縮格式的內(nèi)核，還要將之解壓縮。

。改寫系統(tǒng)的memorymap，原先flash起始地址映射為0地址，這時需要將RAM的起始地址映射為0.

。設置堆棧指針并將bss段清零。將來執(zhí)行c語言程序和調(diào)用子函數(shù)時要用到。

。改變pc值，使得cpu開始執(zhí)行真正的操作系統(tǒng)內(nèi)核。

（2）運行操作系統(tǒng)內(nèi)核

bootloader程序執(zhí)行完上述的各項工作后，通過一條跳轉(zhuǎn)指令，轉(zhuǎn)而執(zhí)行ini目錄下c語言源文件main.c中的函數(shù)start_kernel（）。因為在此之前bootloader已經(jīng)創(chuàng)建好一個初始化環(huán)境，

c函數(shù)可以開始執(zhí)行了。整個操作系統(tǒng)內(nèi)核的初始化工作從這里才算是真正開始。這個函數(shù)的長度比較短，代碼如下：asmlinkagevoid__initstart_kernel（void）

{

char*command_line；

unsignedlongmempages；

externcharsaved_command_line[]；

/*

*Interruptsarestilldisabled.Donecessarysetups，then

*enablethem

*/

lock_kernel（）；

printk（linux_banner）；

setup_arch（&command_line）；

printk（"Kernelcommandline：%sn"，saved_command_line）；

parse_options（command_line）；

trap_init（）；

init_IRQ（）；

sched_init（）；

softirq_init（）；

time_init（）；

/*

*HACKALERT！Thisisearly.We'reenablingtheconsolebefore

*we'vedonePCIsetupsetc，andconsole_init（）mustbeawareof

*this.Butwedowantoutputearly，incasesomethinggoeswrong.

*/

console_init（）；

#ifdefCONFIG_MODULES

init_modules（）；

#endif

if（prof_shift）{

unsignedintsize；

/*onlytextisprofiled*/

prof_len=（unsignedlong）&_etext-（unsignedlong）&_stext；

prof_len>>=prof_shift；

size=prof_len*sizeof（unsignedint）+PAGE_SIZE-1；

prof_buffer=（unsignedint*）alloc_bootmem（size）；

}

kmem_cache_init（）；

sti（）；

calibrate_delay（）；

#ifdefCONFIG_BLK_DEV_INITRD

if（initrd_start&&！initrd_below_start_ok&&

initrd_start

printk（KERN_CRIT"initrdoverwritten（0x%08lx<0x%08lx）-"

"disablingit.n"，initrd_start，min_low_pfn<

initrd_start=0；

}

#endif

mem_init（）；

kmem_cache_sizes_init（）；

pgtable_cache_init（）；

mempages=num_physpages；

[!--empirenews.page--]

fork_init（mempages）；

proc_caches_init（）；

vfs_caches_init（mempages）；

buffer_init（mempages）；

page_cache_init（mempages）；

#ifdefined（CONFIG_ARCH_S390）

ccwcache_init（）；

#endif

signals_init（）；

#ifdefCONFIG_PROC_FS

proc_root_init（）；

#endif

#ifdefined（CONFIG_SYSVIPC）

ipc_init（）；

#endif

check_bugs（）；

printk（"POSIXconformancetestingbyUNIFIXn"）；

/*

*Wecountontheinitialthreadgoingok

*Likeidlersinitisanunlockedkernelthread，whichwill

*makesyscalls（andthusbelocked）。

*/

smp_init（）；

rest_init（）；

}

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5.系統(tǒng)源碼的修改

移植一個操作系統(tǒng)到新的硬件平臺，比較好的辦法是尋找一個架構相近并且已經(jīng)做好操作系統(tǒng)移植的硬件平臺。然后，對原先的操作系統(tǒng)做一定修改。系統(tǒng)源碼修改的工作量取決于自行設計的硬件平臺與現(xiàn)有的硬件平臺之間差異程度。此設計中的硬件平臺與三星4510芯片較為接近，并且也可以下載到針對4510b的uclinux系統(tǒng)源碼。所以可以從此源碼入手，根據(jù)我們的硬件平臺與4510b的不同之處，在源碼中找到相應的文件并加以修改。下面介紹如何修改系統(tǒng)源碼。

需要修改的系統(tǒng)源碼主要有如下幾處：

（1）bootloader相關代碼。此代碼位于uClinuxlinux-2.4.xarcharmnommubootcompressed目錄下名為head.s的文件中。此處程序用匯編語言實現(xiàn)，需要修改的地方主要是設置memorymap的代碼，與memorycontroller的硬件實現(xiàn)相關。

（2）UART相關代碼。UART相關代碼位于uClinuxlinux-2.4.xdriverschar目錄下的serial.c

（3）定時器相關代碼。uClinux中有如下函數(shù)調(diào)用star_kernel（）->time_init（）->setup_timer（），需要修改setup_timer（）函數(shù)中的相關代碼。

（4）中斷控制器相關。uClinuxlinux-2.4.xarcharmnommuirq.c

除了上述的代碼，還有其他多處需要修改。在修改源代碼時，可按照uclinux啟動和執(zhí)行順序依次修改整個平臺。熟悉linux內(nèi)核源碼結(jié)構對操作系統(tǒng)移植有很大幫助。