基于ARM和Linux的嵌入式平臺的構建

曾福振，閔聯營

(武漢理工大學 計算機科學與技術學院，湖北 武漢430063)

進入后PC時代以來，伴隨著設計和制造技術的發展，集成電路從當初的晶體管集成發展到現在的IP集成，即SoC（System on Chip）設計技術。促使嵌入式系統滲透到了當今社會中的各個行業，并且發揮越來越重要的作用。嵌入式系統一般可定義為以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟硬件可裁剪、適用于應用系統且對功能、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統，它的主要特點是嵌入、應用[1]。

隨著各種嵌入式設備功能越來越強大，在設備中使用嵌入式操作系統也成為必然。Linux操作系統具有開放源代碼、易于移植、資源豐富、免費等特點，在嵌入式領域的地位越來越重要。嵌入式Linux和PC上的Linux是同一套內核代碼，只是裁剪的程度不一樣，所以，很多在PC上開發的軟件，經過交叉編譯后可以直接在嵌入式設備上運行。本文主要涉及到Bootloader移植和Linux-2.6.32.2內核的移植、根文件系統移植、在S3C2440平臺上構建完整的嵌入式開發平臺三個方面。

1 交叉開發環境的建立

在進行嵌入式軟件開發之前，必須要在PC上建立ARM的交叉編譯環境。交叉編譯就是在PC平臺上生成可以在ARM平臺上運行的代碼。其中主要包括ARM的交叉編譯器arm-elf-gcc和交叉連接器arm-elf-ld。本文采用的交叉編譯器的版本是gcc-3.4.5-glibc-2.3.6[2]。交叉編譯流程如圖1所示。

圖1 嵌入式系統交叉編譯流程

2 BootLoader引導加載程序

BootLoader是一段在系統上電時開始執行的程序，用以初始化硬件設備，準備好軟件環境，設置好啟動參數，最后引導操作系統，與PC上的 BIOS程序相似。當前開放源碼的Linux引導程序主要有x86架構的LILO、GRUB，對于ARM架構的主要有Vivi和U-Boot。本文使用 U-Boot作為引導程序。U-Boot(Universal Boot Loader)，即通用的BootLoader，遵循GPL條款開放源代碼。U-Boot相對于Vivi功能更加強大，也更方便后續程序的調試。

BootLoader的啟動一般分為兩個階段，第一階段的代碼主要是用匯編語言編寫，主要的功能是完成硬件設備的初始化，為加載第二階段的代碼準備RAM空間，設置好堆棧；第二階段主要用C語言編寫，檢測內存映射，將內核映像和根文件系統從Nand Flash讀到RAM中，為內核啟動設置參數，引導內核。

U-Boot的源代碼可以從ftp://ftp.denx.de/pub/u-boot/進行下載，本文使用的U-Boot版本是U-Boot2009.08。

移植U-Boot的關鍵步驟如下：

(1)首先，將 include/configs目錄下的 smdk2410.h復制并改名為mini2440.h，根據U-Boot的說明可以知道，如果要使用開發板board/，則先執行“make”_config命令進行配置，然后執行“make all”，生成可執行文件。所以，修改 U-Boot頂層的Makefile文件，添加下面一行mini2440_config:unconfig@$(MKCONFIG)$(@:_config=)arm arm920t mini2440 frank s3c24x0。這里有幾個重要的參數，arm指CPU的架構，arm920t指 CPU的類型，s3c24x0指 CPU的型號。這樣就可以使用make mini2440_config這條命令進行配置。

(2)本文使用的U-Boot是從Nand Flash啟動的，CPU可以直接訪問Nand Flash中前4 KB代碼，利用這4 KB代碼把U-Boot中絕大部分代碼拷貝到內存中[3]。其中下面的代碼就是調用C語言中的Nand Flash的讀寫函數，該函數主要把Nand Flash中4 KB以后的代碼復制到RAM中。在編寫nand_read_ll的函數時，注意參考Nand Flash的數據手冊，對大頁和小頁的Nand Flash，其讀寫的命令和時序是不同的。

由于在后面加載Linux內核和根文件系統時，使用的是tftp方式，所以必須添加DM9000EP網卡的驅動。在mini2440.h文件中，其主要的配置如下：

其中，CONFIG_DM9000_BASE宏是最重要的，因為它定義的是網卡的地址，不同的網卡有不同的地址，DM9000EP訪問的基址為0x20000000,之所以再偏移0x300是由它的特性決定的。

(3)要正確引導Linux內核，還需要配置下面幾個重要的宏定義，這幾個宏定義不同，意味著引導Linux內核的方式也不同。

其中，root=/dev/mtdblock3是由Linux中的Nand Flash分區所決定的，意味著Nand Flash的第4個分區為根文件系統。

這個宏定義是將Nand Flash中0x60000-0x560000(和kernel分區一致)的內容讀到內存 0x32000000中，然后用bootm命令來執行。

要正常地引導Linux內核，必須要具備如下幾個條件

[4]：

(1)CPU寄存器

R0=0；

R1=機器類型ID；對于 ARM結構的CPU，其機器類型 ID 在 linux/arch/arm/tools/mach-types；

R2=啟動參數標記列表在RAM中起始基地址。

(2)CPU工作模式

必須禁止中斷（IRQs和 FIQs）；

CPU必須為SVC模式。

(3)Cach和MMU的設置

MMU必須關閉；

指令Cach可以打開也可以關閉；

數據Cach必須關閉。

3 Linux2.6.32.2內核的移植

3.1 內核的獲取

Linux內核的更新很快，可以從http://www.kernel.org/pub/linux/kernel/得到最新的Linux內核版本，本文使用的Linux內核版本是Linux-2.6.32.2,交叉編譯工具使用符合EABI標準的arm-linux-gcc-4.3.2。

3.2 內核的移植

可以在內核的根目錄下，運行make menuconfig命令，對內核進行適當的裁剪，以適應硬件平臺。

（1）修改 Makefile文件

欲設置Linux的默認平臺為ARM平臺，需進入Linux-2.6.32文件夾中，修改此目錄下的Makefile文件。

（2）關于機器碼

在啟動內核時，根據BootLoader傳入的機器碼（MACH_TYPE）來決定應啟動哪種目標平臺[6]，本開發平臺的機器碼為1999。機器碼存放在文件opt/kernel/linux-2.6.32.2/arch/arm/tools/mach-types中。

如果機器碼不匹配，引導內核不成功，則會出現如下的錯誤提示：

（3）修改時鐘源

將/kernel/linux-2.6.32.2/arch/arm/mach-s3c2440/目錄下的 mach-smdk2440.c文件改名為 mach-mini2440.c。因為mini2440和mach-smdk2440.c極其相似，以該文件為基礎進行修改，在mach-mini2440.c文件中將static void__init smdk2440_map_io(void)函數中的晶振頻率修改為mini2440開發板上實際使用的12000000。

（4）為內核打上 yaffs2補丁

①Yaffs2文件系統是專門針對嵌入式設備，特別是使用Nand Flash作為存儲器的嵌入式設備而創建的一種文件系統，使用yaffs2就可以支持大頁的Nand Flash。進入 yaffs2源代碼目錄執行如下命令：

②配置內核以支持Yaffs2文件系統

在 Linux內核源代碼根目錄運行 make xconfig，在“File Systems”選 項 中 ，找 到 “Miscellaneous filesystems”菜單項，找到“YAFFS2 file system support”并選中它，這樣就在內核中添加了yaffs2文件系統的支持，保存并退出。然后在命令行中，執行make zImage。

（5）修改 Nand Flash分區信息

①在mach-mini2440.c文件中添加Nand Flash的分區信息，下面的代碼將Nand Flash分成了4個分區，第1分區也是 BootLoader所在的分區，對應 dev/mtdblock0；第2個分區是 U-Boot的參數分區，對應 dev/mtdblock1；第 3個分區是內核分區，對應dev/mtdblock2；第 4個分區為根文件系統分區對應dev/mtdblock3。分區結構圖如表1所示。

表1 128 MB Nand Flash的分區結構圖

其部分實現代碼如下：

其中 name是分區的名字，offset是偏移的開始地址，size是分區的大小，其余部分的分區與此類似。

②下面代碼是添加Nand Flash的設置表，因為板子上只有一片Nand Flash，因此也就只有一個設置表。

③上面的設置完成后，還需要將Nand Flash設備注冊到系統中。下面這段代碼就是將Nand Flash設備添加到開發板的設備列表結構。

現在可以進入kernel/linux-2.6.32.2/arch/arm/boot目錄，然后執行下面的命令，就會在該目錄下生成uImage.img格式的、U-Boot可以引導的內核鏡象。

至此，可以把生成的uImage.img格式的鏡像文件復制到tftp目錄下，使用tftp進行下載。

3.3 文件系統

所謂根文件系統，就是創建各個目錄，例如在/bin、/sbin/目錄下存放各種可執行的程序，在/etc目錄下存放配置文件，在/lib目錄下存放庫文件。

可以利用Busybox工具創建根文件系統，Bosybox是一個遵循 GPL v2協議的開源項目，它在編寫過程中對文件大小進行優化，并考慮了系統資源有限(例如內存)的情況，使用 Busybox可以自動生成根文件系統所需的bin、sbin、usr目錄和 linuxrc文件，可以使用 make menuconfig對Busybox的選項進行配置。

(1)進入 opt/kernel,創建一個 shell腳本用于構建根文件系統的各個目錄，并且為其增加執行權限；

(2)Linux中的init進程會根據etc/inittab文件創建其他子進程，下面代碼是inittab文件中的內容，說明了系統啟動后首先執行的腳本文件是rcS，虛擬的終端是串口 0，當按下 ctr+alt+del時重啟系統，inittab文件的作用就是控制系統啟動時和啟動后一些程序的運行。

使用yaffs源碼提供的工具制作文件系統的映像文件。由于128 MB的Nand Flash是大頁結構，所以需要使用相應的大頁制作工具；使用命令mkyaffs2image rootfs rootfs.img生成根文件系統映像文件。

本文通過對U-Boot移植和Linux內核移植的討論，給出了移植U-Boot和Linux到大多數開發板的關鍵部分。由于移植的復雜性，不可能包括全部步驟，但通過本文的闡述可以了解移植的基本流程和關鍵點，為移植不同版本到其他硬件平臺提供了參考，也為應用程序的開發搭建了一個比較完整的嵌入式平臺。

[1]韋東山.嵌入式 Linux應用開發完成手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[2]孫瓊.嵌入式Linux應用程序開發詳解[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[3]Samsung Electronics.S3C2440A 32-bit RISC microprocessor user′s manual[S].2004.

[4]RUSSELL K.ARM Linux kernel Boot requirements[EB/OL].[2002-03-18].http://www.arm.linux.org.uk/developer/booting.php.

[5]陳莉君.深入理解 Linux內核[M].北京：中國電力出版社，2007.

[6]JONATHAN C，ALESSANDRO R，GREG KROAH H.Linux

設備驅動程序[M].北京：中國電力出版社，2006.