uClinux在嵌入式系統(tǒng)中的移植研究

1 引言

uClinux作為L(zhǎng)inux衍生操作系統(tǒng)，具有支持多任務(wù)、內(nèi)核精簡(jiǎn)、高效、穩(wěn)定和源代碼開(kāi)放等優(yōu)點(diǎn)，專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于無(wú)MMU|0">MMU微處理器的嵌入式系統(tǒng)[1]。將uClinux應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為許多嵌入式開(kāi)發(fā)人員的選擇。本文針對(duì)基于三星公司生產(chǎn)的ARM系列微處理器S3C44B0的硬件平臺(tái)，詳細(xì)論述移植uClinux 的過(guò)程，主要包括BootLoader的設(shè)計(jì)， uClinux內(nèi)核的修改，交叉編譯環(huán)境的建立，uClinux內(nèi)核的配置，編譯及連接，映像文件的下載及運(yùn)行。

2 硬件環(huán)境

硬件平臺(tái)以S3C44B0為核心，采用的外部晶振頻率為10MHz，內(nèi)核主頻最高可達(dá)到64MHz；通過(guò)RS232接口與上位機(jī)通訊；外接JTAG接口，支持在線調(diào)試；采用SST39VF1601(2M字節(jié))作為程序存儲(chǔ)器,對(duì)應(yīng)的地址空間為0x00000000-0x001fffff；采用HY57VF641620 (8M 字節(jié))作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器, 對(duì)應(yīng)的地址空間為0x0c000000-0x0c7fffff。硬件框圖如圖1所示。

圖 1 硬件框圖

3 uClinux的移植

3.1 移植思路

硬件環(huán)境確定以后，首先，要為uClinux設(shè)計(jì)一個(gè)BootLoader，通過(guò)BootLoader來(lái)初始化硬件，引導(dǎo)uClinux運(yùn)行。Bootloader設(shè)計(jì)可以在ads中實(shí)現(xiàn)。然后，針對(duì)硬件環(huán)境，和設(shè)計(jì)的BootLoader修改uClinux內(nèi)核。接下來(lái)，在Linux操作系統(tǒng)下建立編譯uClinux的交叉編譯環(huán)境。最后，配置、編譯、連接uClinux，下載編譯得到的映像文件到Flash，通過(guò)BootLoader來(lái)啟動(dòng)uClinux。

3.2 Bootloader的設(shè)計(jì)

BootLoader就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序．通過(guò)這段小程序，我們可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好合適的環(huán)境．這里設(shè)計(jì)的BootLoader主要有啟動(dòng)、下載和燒寫(xiě)引導(dǎo)uClinux的功能。BootLoader完成初始化工作后會(huì)通過(guò)串口在Windows的終端顯示如下信息：0: tftp download 1: Write NorFlash with download file 2: Boot uClinux

在終端的提示符“/”下輸入0、1或2分別代表選擇功能0、功能1或 功能2。BootLoader執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作，功能0利用TFTP網(wǎng)絡(luò)傳輸程序到SDRAM，默認(rèn)下載地址為0x0c000800；功能1下載程序到flash，uClinux的映像文件image.rom的下載地址為0x00010000, Romfs.img的下載地址為0x00100000。這兩個(gè)下載地址不是任意的，前一個(gè)地址與BootLoader的功能2有關(guān)；后一個(gè)地址與uClinux的文件系統(tǒng)定位有關(guān)。具體確定方法在下文論述；功能2啟動(dòng)燒寫(xiě)到Flash的uClinux。[2]

因?yàn)楸疚牡闹攸c(diǎn)是uClinux的移植，所以這里不再詳述BootLoader的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程，只介紹一下與uClinux相關(guān)的地方：（1）因?yàn)閡Clinux要利用S3C44B0的串口輸出一些信息，所以BootLoader初始化過(guò)程中要設(shè)定處理器的主頻，uClinux根據(jù)這個(gè)主頻來(lái)設(shè)定串口寄存器，得到一定數(shù)值的波特率。本文選擇的主頻為61Mhz，波特率為115200。（2）執(zhí)行功能2時(shí)，會(huì)調(diào)用一個(gè)MoveRun函數(shù)：

Void MoveRun(void)

{void (*fp)(U32,U32)=(void(*)(U32,U32))0xc300000; //0xc300000為uClinux的運(yùn)行地址

NorFlashRead(0xc300000,0x10000,0x160000) ; //將燒寫(xiě)到0x10000處的image.rom移到//0xc300000

(*fp)(0, 0); //啟動(dòng)uClinux

}

(3) 啟動(dòng)uClinux后，image.rom在0xc300000處自解壓，并在0x0c000000處放置uClinux 的中斷向量表。即使uClinux 內(nèi)核已經(jīng)得到處理器的控制權(quán)運(yùn)行，一旦發(fā)生中斷，處理器還是會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到從0x0地址開(kāi)始的第一級(jí)中斷向量表中的某個(gè)表項(xiàng)（依賴于中斷類(lèi)型）處讀取指令運(yùn)行。所以在編寫(xiě)B(tài)ootLoader時(shí)，地址0x0處的一級(jí)異常中斷矢量表只需簡(jiǎn)單地包含向0x0c000000處的中斷向量表的跳轉(zhuǎn)指令就可以，這樣就 能夠正確地將發(fā)生的事件交給uClinux的中斷處理程序來(lái)處理，BootLoader的第一級(jí)異常中斷向量表如下所示：

b ResetHandler ;//跳轉(zhuǎn)到初始化部分

ldr pc,=0x0c000004; // Undefined Instruction Handler

ldr pc,=0x0c000008; // Software Interrupt Handler

ldr pc,=0x0c00000c; // Prefetch Abort Handler

ldr pc,=0x0c000010; // Data Abort Handler

b .

ldr pc,=0x0c000018; //IRQ Handler

ldr pc,=0x0c00001c; //FIQ Handler

3.3 uClinux內(nèi)核的修改

目前uClinux已被成功移植到S3C44B0及其他多款A(yù)RM芯片上，但由于嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn)行是與嵌入式系統(tǒng)的硬件密切相關(guān)的，而硬件的設(shè)計(jì)則會(huì)因?yàn)槭褂脠?chǎng)合的不同而千差萬(wàn)別，因此，uClinux內(nèi)核源代碼中和硬件緊密相關(guān)的部分就應(yīng)該針對(duì)特定的硬件作出適當(dāng)?shù)男薷摹?

首先，從網(wǎng)站（www.uClinx.org）下載源碼uClinux-dist-20040408，但這個(gè)發(fā)行包中的內(nèi)核對(duì)S3C44B0X處理器的支持是不完整的，必須為內(nèi)核打上補(bǔ)丁uClinux-2.4.24.patch（可以從http://www.hzlitai.com.cn下載），然后在終端下執(zhí)行：patch –p0

-2.4.24.patch就可以安裝該補(bǔ)丁。該補(bǔ)丁完善了對(duì)S3C44B0的支持，但是它針對(duì)特定的硬件及Bootloader，對(duì)內(nèi)核做了相應(yīng)的修改，因此我們?cè)谧鲆浦矔r(shí)應(yīng)該根據(jù)自己的BootLoader及硬件來(lái)修改內(nèi)核。修改部分如下：

（1）壓縮內(nèi)核代碼起始地址修改

修改目錄linux-2.4.x/arch/armnommu/boot/下的文件Makefile里的如下代碼：

ifeq ($(CONFIG_BOARD_MBA44),y)

ZTEXTADDR = 0x0c300000

ZRELADDR = 0x0c008000

Endif

ZTEXTADDR代表 映像文件image.rom自解壓的起始地址，它的值是由BootLoader的功能2決定的。執(zhí)行功能2，將image.rom從Flash轉(zhuǎn)移到SDRAM的地址0x0c300000,內(nèi)核自解壓，所以ZTEXTADDR必須和這個(gè)值相同。ZRELADDR代表內(nèi)核解壓后代碼輸出起始地址。

(2)處理器配置選項(xiàng)的修改

修改目錄linux-2.4.x/arch/armnommu/下的文件config.in里的如下代碼：

define_int CONFIG_ARM_CLK 64000000

if [ "$CONFIG_SET_MEM_PARAM" = "n" ]; then

define_hex DRAM_BASE 0x0C000000

define_hex DRAM_SIZE 0x00800000

define_hex FLASH_MEM_BASE 0x00000000

define_hex FLASH_SIZE 0x00200000

DRAM_BASE代表SDRAM的起始地址，DRAM_SIZE代表SDRAM的大小，F(xiàn)LASH_MEM_BASE代表Flash的起始地址, FLASH_SIZE代表Flash的大小。要根據(jù)自己的Flash和SDRAM來(lái)設(shè)定這些值

（3）內(nèi)核起始地址的修改

修改目錄linux-2.4.x/arch/ARMnommu/下的文件Makefile里的如下代碼：

ifeq ($(CONFIG_BOARD_MBA44),y)

TEXTADDR = 0x0c008000

MACHINE = S3C44B0X

INCDIR = $(MACHINE)

CORE_FILES := $(CORE_FILES) #romfs.o

Endif

TEXTADDR代表內(nèi)核起始地址，與image.rom自解壓后代碼輸出起始地址(ZRELADDR)相同。

（4）ROM文件系統(tǒng)的定位修改

修改目錄linux-2.4.x/drivers/block下的文件blkmem.c里的如下代碼：

#ifdef CONFIG_BOARD_MBA44

{0, 0x00100000, -1},

#endif

0x00100000是文件系統(tǒng)的定位地址。本文中移植采用uClinux的文件系統(tǒng)ROM file sy
stem,它的映象文件romfs.img要燒寫(xiě)到flash的某一地址。一旦該定位地址確定，在執(zhí)行BootLoader的功能1時(shí)就要將romfs.img燒寫(xiě)到flash的這個(gè)地址。定位地址不是固定不變的，可以根據(jù)flash和image.rom的大小來(lái)更改。

（5）定義uClinux異常中斷向量表的起始地址

修改目錄linux-2.4.x/include/asm-armnommu/proc/下的文件system.h 里的如下代碼：

#ifdef CONFIG_BOARD_MBA44

#undef vectors_base()

#define vectors_base() (0x0c000000)

#endif

vectors_base()定義了uClinux異常中斷向量表的起始地址 。uClinux啟動(dòng)后，一旦發(fā)生中斷，處理器會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到從0x0地址開(kāi)始的第一級(jí)中斷向量表中的某個(gè)表項(xiàng)，再跳轉(zhuǎn)到從vectors_base（）開(kāi)始的uClinux異常中斷向量表中的某個(gè)表項(xiàng)，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。

（6）定義CPU體系結(jié)構(gòu)和交叉編譯器

修改目錄linux-2.4.x/下的文件Makefile里的如下代碼：

KERNELRELEASE=$(VERSION).$(PATCHLEVEL).$(SUBLEVEL)$(EXTRAVERSION)

ARCH := armnommu

HOSTCFLAGS = -Wall -Wstrict-prototypes -O2 -fomit-frame-pointer

CROSS_COMPILE = arm-elf-

ARCH := armnommu定義了CPU的體系結(jié)構(gòu)，S3C44B0采用的內(nèi)核為無(wú)內(nèi)存管理單元的ARM7TDMI，所以體系結(jié)構(gòu)定義為armnommu。CROSS_COMPILE = arm-elf-定義了交叉編譯器名稱(chēng)，這里采用的交叉編譯器為Arm-elf-tools-20030314.sh，所以名稱(chēng)定義為arm-elf-。

3.4交叉編譯環(huán)境的建立

由于 Bootloader在物理上獨(dú)立于uClinux, 可以在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下（如ADS）開(kāi)發(fā)，但是uClinux必須在GNU環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。Arm-elf-tools-20030314.sh是一個(gè)針對(duì)arm的交叉編譯器，在Linux操作系統(tǒng)下安裝這個(gè)編譯器，能夠編譯運(yùn)行于ARM 上的程序。在Linux環(huán)境下，從網(wǎng)站（如http://www.uClinux.org）下載Arm-elf-tools-20030314.sh。將其考到任何一個(gè)目錄下，然后執(zhí)行sh ./ arm-elf-tools-20030314.sh 這樣，交叉編譯工具就安裝好了。

3.5 uClinux內(nèi)核的配置，編譯及連接

在編譯uClinux 內(nèi)核之前，首先要對(duì)內(nèi)核進(jìn)行配置。用make menuconfig進(jìn)行內(nèi)核的配置，內(nèi)核版本選linux-2.4.x，System Type選 S3C44B0 ARM ，庫(kù)函數(shù)版本選uClibc。保存設(shè)置會(huì)出現(xiàn)內(nèi)核配置窗口和用戶程序配置窗口，內(nèi)核配置中選擇ROM文件系統(tǒng)支持和S3C44B0串口支持，用戶配置按默認(rèn)選項(xiàng)(可以根據(jù)自己的需要對(duì)內(nèi)核和用戶程序進(jìn)行配置)。

配置完成后，開(kāi)始編譯內(nèi)核，在終端分別執(zhí)行make dep,make lib_only，make user_only，make romfs，make image,make。當(dāng)內(nèi)核的編譯工作完成后，在目錄uClinux/images下會(huì)生成我們需要的映像文件image.rom,image.ram,romfs.img。

3.6 uClinux內(nèi)核的下載與執(zhí)行

使用fluted 工具將 Bootloader 燒寫(xiě)到 flash 的0X000000處；利用 Bootloader 將內(nèi)核映像image.rom 下載到0x10000處；利用Bootloader 將文件系統(tǒng)romfs.img下載到0x1000

00處．啟動(dòng)uClinux就可以在超級(jí)終端看到uClinux 的歡迎信息和簡(jiǎn)單的shell提示符。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō) ,要將嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)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(tái)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(yīng)用于多個(gè)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。所述的移植雖然是針對(duì)ARM處理器芯片S3C44B0,但重點(diǎn)闡述的是移植的思路和方法，對(duì)將uClinux移植到其他處理器為核心的硬件平臺(tái)也有借鑒作用。

參考文獻(xiàn):

[1] 李巖，榮盤(pán). 基于S3C44B0嵌入式uClinux系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M] .北京：清華大學(xué)出版社，2005

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[3] Daniel P.Bovet &Marco Cesati. 深入理解Linux內(nèi)核[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2004