摘? 要: 介紹了一種嵌入式Linux操作系統—uClinux,給出了一種MCF5272硬件平臺的設計,并實現了uClinux在該目標板" title="目標板">目標板上的移植,講述了MCF5272處理器平臺硬件設計和uClinux板級移植的一般性方法。
關鍵詞: uClinux? MCF5272? 移植
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1 操作系統uClinux
Linux是一種很受歡迎的類UNIX操作系統,它免費并開放源代碼" title="源代碼">源代碼,在個人計算機、服務器領域應用廣泛。更重要的是,Linux采用模塊化設計,實際應用中可以定制,因此Linux也適用于嵌入式領域。uClinux正是Linux的一個嵌入式版本,其內核的二進制映像文件可以做到小于512KB。
uClinux針對無內存管理單元MMU(Memory Management Unit)的處理器設計,支持多任務,具有完備的TCP/IP協議棧并支持多種網絡協議。uClinux還支持多種文件系統" title="文件系統">文件系統,如ROMFS、NFS、FAT16/32。實際上,uClinux已經成功應用于路由器、網絡攝像機、機頂盒、PDA等諸多領域。
另外,uClinux可移植性很強,用戶通過重新配置、編譯內核,很方便將其移植到68K、Dragon Ball、ColdFire、Power PC、ARM等多種處理器計算平臺。當前uClinux提供2.0和2.4兩個內核版本。從內核版本2.2開始,Linux被設計成與IEEE POSIX標準兼容的系統,這意味著大部分已有的UNIX程序,源代碼不經修改就可以進行編譯并移植到新的目標平臺。筆者選擇了2.4內核的uClinux作為平臺操作系統。
2 硬件平臺設計
2.1 處理器
目標平臺CPU采用Motorola公司生產的ColdFire嵌入式處理器MCF5272。MCF5272采用ColdFire V2可變長RISC處理器核和DigitalDNA技術,在66MHz時鐘下能夠達到63MIPS@Dhrystone2.1的優良處理能力。其內部SIM(System Integrated Module)單元集成了豐富的通用模塊,如10/100Mbps快速以太網控制器、USB1.1接口等,并且能夠與常用的外圍設備(如SDRAM、ISDN收發器)實現無縫連接,從而簡化了外圍電路設計,降低了產品成本、體積和功耗。
2.2 系統內存
系統內存" title="系統內存">系統內存由三部分組成。MCF5272內部集成了4K字節的SRAM(靜態RAM)以及片外擴展的FLASH(閃爍存儲器)和SDRAM(同步動態RAM)。FLASH容量為1M×16Bit,AMD29LV系列,片選信號為CS0,用于存放矢量表、uClinux內核映像及ROMFS文件系統。SDRAM采用兩片HY系列4M×16Bit的SDRAM,共同組成16M、32位寬的系統主存儲器。SDRAM片選信號為CS7。
2.3? 通用外設
MCF5272內部集成了UART、USB控制器,只需很少的外圍芯片就可以實現兩個RS232串口和一個USB Slave接口。MCF5272還內嵌一個FEC(快速以太網控制器),片外擴展一片LXT971,可方便地實現了一個100/10 Base T的以太網接口。
2.4 調試接口
ColdFire系列處理器支持背景調試模式(BDM),它提供了對底層硬件的調試手段。在背景調試模式下,通過向CPU發送命令,可以實現對CPU寄存器、系統存儲器的訪問。使用Motorola推薦的26針插座接到BDM仿真頭,實現代碼的下載和調試。
3 移植uClinux到目標平臺
3.1 uClinux的啟動過程
uClinux的啟動通常經歷三個階段。首先,它必須完成CPU和存儲器的硬件初始化。在系統RAM中建立程序堆棧和數據段(包括DATA和BSS數據段),建立程序的運行時環境。如果ROMFS是RAM駐留的,也必須對其進行初始化。
最初的初始化完成后,uClinux內核就取得了CPU的控制權,開始操作系統自身的初始化。這包括建立RAM中斷矢量表、加載設備驅動程序、內存管理模塊等。這一切完成后,uClinux啟動一個最初的init線程,進入到第三階段。這時候內核已經正常運行,外圍模塊也都就緒,開始執行一些腳本文件(如/etc/rc腳本文件)。這通常是嵌入式開發者最感興趣的一個切入點。
3.2 編寫硬件相關代碼
作為源代碼公開的免費操作系統,uClinux源代碼可以從www.uclinux.org得到。這個源代碼也在不斷更新。筆者使用的是于2002年5月發布的Greg Ungerer(gerg@snapgear.com)版本。該版本的uClinux包含了對Motorola公司M5272C3和其他幾款MCF5272評估板的支持。但與筆者的目標平臺相比,硬件資源并不完全相同,且為RAM版本,并不能直接固化到ROM中。于是決定直接在M5272C3的基礎上進行修改,以減少工作量。
需要添加三個文件:crt0_rom.S、sysinit.c和rom.ld。crt0_rom.S可以由crt0_ram.S修改得到,它提供一個ROM矢量表以供CPU上電時讀取,并初始化CPU寄存器,設置程序堆棧,并最終跳轉到uClinux內核。MEM_SIZE也必須修改為實際容量。
????……
????#define??? MEM_SIZE??? 0x01000000
?????????? ???????????????????????????????? //實際的SDRAM為16M
???? ……
_vectors：??????????????????????????????????????? //矢量表起始地址
.long?????? 0x0， _start， _fault， _fault，…
???? ???????????????????????????????????????????? //初始化1K字節矢量表
……
_start： nop?
???? ??????????? move.w?? #0x2700， %sr??????????????? //關中斷
???????????????? move.l???? #_vectors， %d0
????? ???? move.c??? %d0， %VBR?????? ?????????? //VBR指向FLASH
???????????????? move.l???? #0x10000001， %d0???
???????????????? move.c??? %d0， %MBAR????? ?????????? //SIM單元基地址
?????????????????????????????????????????????????????? ?0x10000000
????? ?????????? move.l???? #0x20000001， %a0??
???????????????????????????????????????????????????????//SRAM起始地址0x20000000
???????? ??????? move.c??? %a0， %RAMBAR0
?????????? ???????????????????????????????? ?????????? //初始化SRAM作為堆棧
???????????????? move.l???? #0x20001001， %a7???????? ?//設置堆棧指針
……
下面對MCF5272的UART、GPIO以及SIM單元進行初始化。Motorola網站提供了這樣的例程(sysinit.c)。需要針對實際情況做必要的修改,主要就實際占用的片選資源CS0~CS7、SDRAM控制寄存器SDCR、SDTR作一些修改以適應目標板。以下的程序片段描述了對SDRAM的初始化。
??? ……
??? /*初始化CS7 16MB SDRAM */
??? MCF5272_WR_CS_CSBR7(imm， 0
??????? |MCF5272_CS_BR_BASE(SDRAM_ADDRESS)
??????? |MCF5272_CS_BR_SDRAM
??????? |MCF5272_CS_BR_PS_LINE
??????? |MCF5272_CS_BR_EN)；
MCF5272_WR_CS_CSOR7(imm， 0
??????? |MCF5272_CS_OR_MASK_16M
??????? |MCF5272_CS_OR_WS(0x1F))；
……
/*初始化SDRAM控制寄存器SDCTR、SDCCR*/
MCF5272_WR_SDRAMC_SDCTR(imm， 0xF539)；
MCF5272_WR_SDRAMC_SDCCR(imm， 0x4311)；
由于代碼在SDRAM中運行的速度比在FLASH中更快,而且在該目標平臺中,SDRAM是32位數據總線,而FLASH是16位總線,因此代碼在ROM中運行和在RAM中運行的速度有著顯著差異。考慮到這些因素,采取將uClinux內核和ROMFS文件系統復制到SDRAM中運行的模式。這雖然會犧牲一些系統的啟動速度,并導致一些額外的系統內存開銷,但是換來的是系統整體性能的提高,因此是值得的。
uClinux會從內存中的某個位置加載ROMFS作為根文件系統。當ROMFS為RAM駐留時,缺省位置緊接著BSS段(參考drivers/block/blkmem.c)。ROMFS文件系統的二進制映像romfs.img在ROM中的實際存放地址可以根據rom.ld文件計算。由于BSS數據段存放的是未初始化的數據,直到運行時才建立,因此使用m68k-elf-objcopy生成的內核二進制映像文件linux.bin中并無BSS段。romfs.img的起始地址應該是: ROM代碼段結束地址+RAM代碼段長度+DATA數據段長度;而復制的目標地址就是BSS段的結束地址,這是一個VMA地址,可以從rom.ld文件中直接獲得。
3.3 修改啟動腳本
在uClinux完成內核初始化后,由init(void *)內核線程調用/bin/init,然后執行/etc/rc腳本中的命令。可以利用這個腳本完成系統上電后的自動配置,或者運行用戶程序。ROMFS文件系統中/etc/rc的源文件是/vendors/Generic/big/etc/rc。
一個典型的rc文件如下所示。它完成以太網的設置并執行用戶程序/bin/usrapp。
#設置主機名
hostname uClinux
/bin/expand /etc/ramfs.img /dev/ram0
mount -t proc proc /proc
mount -t ext2 /dev/ram0 /var
ifconfig lo 127.0.0.1
route add -net 127.0.0.0 netmask 255.0.0.0 lo
#配置網卡IP和路由
ifconfig eth0 202.119.45.98
ifconfig eth0 broadcast 202.119.45.255
route add -net 202.119.45.0 eth0
route add default gw 202.119.45.1
#執行用戶程序
/bin/usrapp
3.4 內核的配置和編譯
需要建立一個交叉編譯環境來完成內核和應用程序的編譯,生成ROMFS文件系統,并最終形成一個固化文件。www.uclinux.org也提供這樣一個工具包。正確安裝后,就可以進行編譯了。首先進入源代碼目錄uClinux-dist,執行make xconfig,在彈出的對話框" title="對話框">對話框中選擇“Target Platform Selection”,出現圖1所示的對話框。
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由于直接對M5272C3評估板的代碼進行修改,因此目標板選擇M5272C3。內核版本號選擇2.4,采用uC-libc庫。另外選中“Customize Kernel Settings”以定制需要的內核。在內核配置對話框中,將RAM大小配置為16MB,確認ROMFS為RAM駐留。為了可以直接mount宿主機硬盤以方便調試,還需給內核添加對NFS文件系統的支持。
配置完畢后,在源代碼目錄執行“make dep”以及“make”,就得到了需要的二進制內核映像image.bin,可以直接下載到目標板運行。
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參考文獻
1 MCF5272 ColdFire Integrated Microprocessor User’s Manual， Rev. 1， 02/2001
2 Daniel P.Bovet, Marco Cesati. Understanding the Linux?Kernel， 1st Edition， October 2000
3 M5272C3 Evaluation Board Schemetic. Rev. 1.2， 2000