引言
目前，嵌入式操作系統(tǒng)的種類很多，如VxWorks，Windows CE和Linux等。在這些操作系統(tǒng)中，Linux是發(fā)展最快，應(yīng)用最廣泛的。由于使用費(fèi)用、開放源代碼程度和使用習(xí)慣等各方面因素，Linux是得到較多推廣的操作系統(tǒng)之一。由于Linux支持從x86到嵌入式處理器的多種處理器，使得Linux桌面PC上開發(fā)的很多資源可以輕松的移植到各種嵌入式平臺(tái)上，這種便利使得在嵌入式系統(tǒng)中使用Linux操作系統(tǒng)具有很大吸引力。
開發(fā)環(huán)境
硬件環(huán)境
本系統(tǒng)中使用目標(biāo)平臺(tái)S3C2410(SAM SUNG公司使用ARM920T處理器內(nèi)核開發(fā)的一款嵌入式處理器)。ARM920T核由ARM9TDMI，存儲(chǔ)管理單元(MMU)和高速緩存三部分組成。
S3C2410的資源還包括外圍存儲(chǔ)設(shè)備(SDRAM和NandFlash)，外圍顯示設(shè)備(觸摸屏和LCD)與外圍接口設(shè)備(串口、網(wǎng)口與并口)。
軟件平臺(tái)
嵌入式Linux系統(tǒng)從軟件系統(tǒng)的角度通常可以分為以下4個(gè)部分。
·引導(dǎo)加載程序。包括固化在固件中的啟動(dòng)代碼(可選)和Bootloader。
·內(nèi)核。特定于嵌入式板子的定制內(nèi)核以及控制內(nèi)核引導(dǎo)系統(tǒng)的參數(shù)。
·文件系統(tǒng)。包括根文件系統(tǒng)和建立于Flash內(nèi)存設(shè)備之上的文件系統(tǒng)。它是提供管理系統(tǒng)的各種配置文件以及系統(tǒng)執(zhí)行用戶應(yīng)用程序的良好的運(yùn)行環(huán)境的載體。
·用戶應(yīng)用程序。特定于用戶的應(yīng)用程序。有時(shí)在用戶應(yīng)用程序和內(nèi)核層之間可能還會(huì)有一個(gè)嵌入式圖形用戶界面。同時(shí)裝有Bootloader、內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)、內(nèi)核映象和根文件系統(tǒng)。
嵌入式Linux系統(tǒng)移植的實(shí)現(xiàn)
引導(dǎo)加載程序
Boot Loader 是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。大多數(shù) Boot Loader 都分為 stage1 和 stage2 兩大部分。Stage1主要包含依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)硬件初始化的代碼，通常都用匯編語言來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)階段的任務(wù)有：(1)為基本的硬件設(shè)備初始化(屏蔽所有的中斷、關(guān)閉處理器內(nèi)部指令/數(shù)據(jù)cache等)，(2)為第二階段準(zhǔn)備RAM空間(如果是從某個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)媒質(zhì)中，則復(fù)制Bootloader的第二階段的代碼到RAM)，(3)設(shè)置堆棧并跳轉(zhuǎn)到第二階段的C程序入口點(diǎn)。Stage2通常用C語言完成，以便實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能，也使程序有更好的可讀性和可移植性。這個(gè)階段的任務(wù)有：(1)初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備，檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射。(2)將內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像從Flash讀到RAM。(3)為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)，調(diào)用內(nèi)核。
本系統(tǒng)中采用的BootLoader是韓國Mizi公司開發(fā)的vivi，適用于ARM9處理器。在配置編譯之前，首先要建立交叉編譯環(huán)境。把cross-2.95.3.tar.bz2、arm-linux-gcc-3.4.1.tar.bz2軟件包拷貝到/usr/local/arm目錄下，分別解壓這兩個(gè)包以構(gòu)成本系統(tǒng)的交叉編譯環(huán)境。
編譯Bootload vivi 主要步驟如下：
[1]解壓vivi源文件 tar jxvf vivi.tar.bz2
[2]進(jìn)入vivi目錄 編譯 makefile ，主要修改如下：
LINUX_INCLUDE_DIR = /usr/local/arm/2.95.3/include
CROSS_COMPILE = /usr/local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-
ARM_GCC_LIBS = /usr/local/arm/2.95.3/lib/gcc-lib/arm-linux/2.95.3
[3]編譯vivi/arch/s3c2410/smdk.c，根據(jù)實(shí)際板子的實(shí)際情況對NandFlash進(jìn)行分區(qū)。需要注意的是要和下面Linux內(nèi)核配置編譯配合起來。本開發(fā)板提供的64M的NandFlash做為存儲(chǔ)設(shè)備，其空間分配表如表1所示。
[4] make menuconfig
[5] make
至此，可以生成vivi的bin文件，通過開發(fā)板JTAG口和PC機(jī)并口建立連接，把vivi移植 到開發(fā)板上，重新加電，這樣就可以引導(dǎo)內(nèi)核。
Linux內(nèi)核的移植
Linux的內(nèi)核版本發(fā)行同Linux對嵌入式處理器支持程度的發(fā)展是不同步的。因此，需要對特定的處理器體系結(jié)構(gòu)選擇合適的核。本系統(tǒng)采用的是linux-2.6.14.1.tar.bz2的版本，與2.4的版本相比，2.6版本對資源的定義進(jìn)行了分類，代碼相當(dāng)精練，可讀性很好，條理清晰，修改起來容易。
而且支持標(biāo)準(zhǔn)的高級(jí)電源管理apm。事實(shí)上，Samsung S3C2410已經(jīng)成為linux的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)支持平臺(tái)。
編譯配置內(nèi)核主要步驟如下：
[1]進(jìn)入內(nèi)核源代碼目錄，修改Flash分區(qū)表部分的源碼，與vivi對NandFlash的分區(qū)相匹配。即定義文件arch/arm/mach-s3c2410/devs.c中的分區(qū)表結(jié)構(gòu)體static struct mtd_partition partition_info[]中的分區(qū)名，偏移量和分區(qū)大小。同時(shí)加入NandFlash分區(qū)，即定義結(jié)構(gòu)體struct s3c2410-nand-set nandset[]。與此同時(shí)，修改結(jié)構(gòu)體struct s3c2410-platform-nandsupperlpplatform[]以建立對Nand Flash芯片的支持。
最后，加入Nand Flash芯片支持到Nand Flash驅(qū)動(dòng)。
[2]對內(nèi)核進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲谩Ｔ诒鞠到y(tǒng)中，配置過程的關(guān)鍵在于是：在對MTD配置時(shí)，選擇支持MTD驅(qū)動(dòng)以及支持NAND FLASH驅(qū)動(dòng)；選擇支持要用到的各類文件選擇支持要用到的各類文件系統(tǒng)。如果要建立及安裝模塊，則要在配置內(nèi)核時(shí)選擇模塊的支持。選擇交叉編譯工具arm-linux-gcc-3.4.1編譯內(nèi)核源碼之后，會(huì)在kernel/arch/arm/boot/下生成名為zImage的內(nèi)核映象。在vivi的命令提示模式下使用下載命令完成內(nèi)核加載到開發(fā)板的存儲(chǔ)設(shè)備上。
根文件系統(tǒng)
Linux系統(tǒng)采用文件系統(tǒng)組織系統(tǒng)的文件與設(shè)備，為設(shè)備和用戶程序提供統(tǒng)一的接口。文件系統(tǒng)的存在使得數(shù)據(jù)和設(shè)備可以被有效而透明地存取訪問。
本系統(tǒng)使用CRAMFS格式的根文件系統(tǒng)，它是具備最基本特性的文件系統(tǒng)，主要用于嵌入式系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是將文件數(shù)據(jù)以壓縮形式存儲(chǔ)，在需要運(yùn)行的時(shí)候進(jìn)行解壓縮，具有很大的壓縮比，可以做到高效的隨機(jī)讀取。
在本系統(tǒng)中，首先，在根文件目錄rootfs下通過輸入下面的命令：
mkdir dev proc etc mnt bin sbin lib tmp
建立上述的目錄。沒有建立home目錄是因?yàn)槠鋬?nèi)容只是針對工作站與服務(wù)器的設(shè)置有用，在嵌入式Linux中即使有也是空的。然后把所需要的配置文件，動(dòng)態(tài)函數(shù)庫放到相應(yīng)的目錄。
采用BusyBox是縮小根文件系統(tǒng)的一個(gè)好方法。BusyBox非常形象地稱為嵌入式Linux系統(tǒng)的“瑞士軍刀”，因?yàn)樗鼘⒃S多常用的UNIX命令與工具結(jié)合到了一個(gè)單獨(dú)的可執(zhí)行程序中。雖然與相應(yīng)的GNU工具比較起來，BusyBox所提供的功能和參數(shù)略少，但在嵌入式系統(tǒng)中，已經(jīng)足夠了。
將busybox -1.1.3 .tar.gz放到上述tmp目錄下，進(jìn)行解壓：
tar busybox -1.1.3 .tar.gz
make distclean
make menuconfig
make TARGET_ARCH=arm
CROSS=arm-linux- \
PREFIX＝/home/arm/dev_home/rootfs/my_rootfs/all install ，其中PREFIX指明了安裝路徑即我們根文件系統(tǒng)所在路徑。
由于根文件系統(tǒng)采用的是CRAMFS格式，所以使用mkcramfs生成cramfs映象，具體的命令是：mkcramfs my_rootfs my_rootfs.cramfs。根文件系統(tǒng)映象文件就完成了。同內(nèi)核加載一樣，通過vivi命令提示把根文件系統(tǒng)映象加載到開發(fā)板上。按照上面的安排，一個(gè)基本的嵌入式Linux系統(tǒng)構(gòu)建完畢。其啟動(dòng)過程如圖1所示。
結(jié)語
本工作對嵌入式Linux系統(tǒng)的啟動(dòng)加載程序bootloader進(jìn)行配置，對Linux內(nèi)核進(jìn)行裁剪，完成對根文件系統(tǒng)的制作，將嵌入式Linux移植到基于ARM920T處理器目標(biāo)板，為開發(fā)者提供了在ARM9平臺(tái)上構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)的方法的參考。實(shí)驗(yàn)表明其系統(tǒng)具有很好的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性。