基于ARM的嵌入式設(shè)備中uCLinux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

1 引言 信息家電和手持設(shè)備大大加速了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，而ARM體系32位高性能、低功耗處理器和嵌入式操作系統(tǒng)Linux無(wú)疑成為佼佼者。因?yàn)長(zhǎng)inux源代碼開(kāi)放、免費(fèi)，任何將其定制于PDA、掌上機(jī)或者便攜式設(shè)備感興趣的人都可以從因特網(wǎng)免費(fèi)下載其內(nèi)核和應(yīng)用程序，并開(kāi)始移植或開(kāi)發(fā)，所以Linux在嵌入式開(kāi)發(fā)領(lǐng)域得到穩(wěn)步發(fā)展。uCLinux 即是目前嵌入式linux 中最流行的一種,它是針對(duì)微控制領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的Linux系統(tǒng)，其最大特征就是沒(méi)有MMU(內(nèi)存管理單元模塊)，適合嵌入式系統(tǒng)小型化應(yīng)用。 　　uCLinux支持多任務(wù)，支持多種文件系統(tǒng)，提供了對(duì)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大支持，具有完整的TCP/IP協(xié)議棧，以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的API。由于它的很多核心代碼都為沒(méi)有被MMU的處理器重新編寫過(guò)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)Linux龐大的應(yīng)用程序庫(kù)和驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)作了刪改，所以它的內(nèi)核要比常規(guī)的Linux 內(nèi)核小很多;uCLinux包含Linux常用的API和小于512k的內(nèi)核及相關(guān)的工具，總代碼只有900k左右，但同時(shí)保留了常規(guī)Linux 操作系統(tǒng)絕大多數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。 2 基于ARM的硬件平臺(tái) 嵌入式領(lǐng)域32位處理器以ARM公司的ARM核最為流行，本文以Samsung公司的ARM7TDMI芯片S3C4510為處理器開(kāi)發(fā)板為硬件平臺(tái)，開(kāi)發(fā)板上與S3C4510相關(guān)的部分主要集成了如下器件： (2M+512k)B 的Flash,其中AT29C010A為512B作為BootLoader，一片SST49VF160為1M%26;#215;16bitFlash; 16MB 的DRAM,由兩片4M%26;#215;16bits的HY57V641620提供 ; 16MB 的SRAM，由M-systems的新一代閃存盤DOC2000構(gòu)成; Ethernet接口; ARM JTAG 接口。 　　開(kāi)發(fā)板上與S3C4510相關(guān)部分功能框圖如圖1 所示。

IO UART S3C4510 JTAG Ethernet FLASH 　　　　　　　　 　　 　 F DOC2000 232串口 JTAG接口 LED 以太網(wǎng)接口 用戶自定義邏輯 DRAM 3 uCLinux內(nèi)核移植 嵌入式 Linux 開(kāi)發(fā)大致涉及三個(gè)層次：引導(dǎo)裝載程序、Linux 內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用程序。我們將討論涉及這三層的一些基本概念;深入了解引導(dǎo)裝載程序、內(nèi)核和文件系統(tǒng)是如何交互的。 引導(dǎo)程序BootLoader的主要作用包括初始化處理器;初始化必備的設(shè)備;下載系統(tǒng)映象;初始化操作系統(tǒng)系統(tǒng)并準(zhǔn)備執(zhí)行。 引導(dǎo)裝載程序有兩種方法：專用軟件和微小的引導(dǎo)代碼。專用軟件可以直接與遠(yuǎn)程系統(tǒng)上的閃存設(shè)備進(jìn)行交互并將引導(dǎo)裝載程序安裝在閃存的給定位置中。而某些種類的嵌入式設(shè)備具有微小的引導(dǎo)代碼：根據(jù)幾個(gè)字節(jié)的指令，它將初始化一些 DRAM 設(shè)置并啟用目標(biāo)上的一個(gè)串行(或者 USB，或者以太網(wǎng))端口與主機(jī)程序通信;然后，主機(jī)程序或裝入程序可以使用這個(gè)連接將引導(dǎo)裝載程序傳送到目標(biāo)上，并將它寫入閃存。 嵌入式設(shè)備上一些流行的并可免費(fèi)使用的 Linux 引導(dǎo)裝載程序有 Blob、Redboot 和 Bootldr。所有這些引導(dǎo)裝載程序都用于基于 ARM 設(shè)備上的 Linux，并需要Jflash-linux 工具用于安裝。一旦將引導(dǎo)裝載程序安裝到目標(biāo)的閃存中，它就會(huì)執(zhí)行我們上面提到的所有初始化工作。然后，它準(zhǔn)備接收來(lái)自主機(jī)的內(nèi)核和文件系統(tǒng)。一旦裝入了內(nèi)核，引導(dǎo)裝載程序就將控制轉(zhuǎn)給內(nèi)核。 Linux內(nèi)核移植首先需要配置內(nèi)核，可以用make menuconfig進(jìn)行，根據(jù)板卡選擇必要的選項(xiàng)。主要包括系統(tǒng)類型選定(ARM system type),配置SDRAM/Flash地址;對(duì)塊設(shè)備、字符設(shè)備進(jìn)行選擇和配置;配置文件系統(tǒng);是否配置圖形用戶界面(GUI)。修改內(nèi)核，我們選用 www.lomx.net上的uClinux-2.4.26-uc0.diff，已經(jīng)為S3C4510移植好的內(nèi)核，需要修改的地方很少。編譯內(nèi)核，首先要在宿主機(jī)(安裝有Linux)上建立交*編譯環(huán)境，下載arm-elf-tools安裝在Linux 宿主機(jī)上的/usr/local/bin 目錄下。現(xiàn)在的BLOB 和將來(lái)的uClinux 都要在這個(gè)環(huán)境下編譯。 開(kāi)始編譯uClinux 編譯內(nèi)核：執(zhí)行命令： make menuconfig 在出現(xiàn)的對(duì)話框選Samsung/4510B 和 uC-libc,然后退出。如果選擇uC-libc編譯出錯(cuò)，可以改選uClibc! make dep make lib_only make user_only make romfs make image 產(chǎn)生 romfs.o，這一步將會(huì)出現(xiàn)一些錯(cuò)誤報(bào)告，可忽略繼續(xù)下面的命令 make 如果make無(wú)錯(cuò)誤，在images的目錄下你會(huì)看到有 image.ram 和 image.rom 兩個(gè)二進(jìn)制的內(nèi)核文件。即image.ram和image.rom。 image.ram可以通過(guò)Bootloader下載到SDRAM中運(yùn)行。image.rom可以寫入到Flash SST39VF160中直接運(yùn)行。 down image.ram看看能不能運(yùn)行 最后一步，uClinux調(diào)試完畢，通過(guò)jflashp將其寫入到Flash中：開(kāi)發(fā)板斷電，把JTAG仿真器接到計(jì)算機(jī)的并口和板子的14Pin JTAG插座上;接通5V電源;執(zhí)行 FlashP w -f image.rom，大約30分鐘以后燒寫完畢。撤掉JTAG仿真器以后再上電就應(yīng)該運(yùn)行uClinux了。如果想把BootLoader寫回Flash，執(zhí)行FlashP w -f bios.img即可。 4 uCLinux驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā) 嵌入式系統(tǒng)通常有許多設(shè)備用于與用戶交互，象觸摸屏、小鍵盤、滾動(dòng)輪、傳感器、RS232 接口、LCD 等等。除了這些設(shè)備外，還有許多其它專用設(shè)備，包括閃存、USB、GSM、GPS 等。內(nèi)核通過(guò)所有這些設(shè)備各自的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)控制它們，包括 GUI 用戶應(yīng)用程序也通過(guò)訪問(wèn)這些驅(qū)動(dòng)程序來(lái)訪問(wèn)設(shè)備。uClinux 的驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)不可能包括實(shí)際項(xiàng)目系統(tǒng)中所有外圍硬件的驅(qū)動(dòng),所以在應(yīng)用開(kāi)發(fā)中,編寫驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)重要步驟,驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的好壞直接影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率。 在uClinux 內(nèi)核編寫驅(qū)動(dòng)程序并不像其他操作系統(tǒng)那么復(fù)雜,實(shí)際上,所要做的只是為相應(yīng)的設(shè)備編寫幾個(gè)基本函數(shù)并向VFS(virtual file system) 注冊(cè)即可。當(dāng)上層應(yīng)用要使用該設(shè)備時(shí),VFS 就會(huì)調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備函數(shù)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通?？蓺w為以下3 類: a) 塊設(shè)備(block) ,以塊為單位,允許隨機(jī)訪問(wèn),多用緩存技術(shù); b) 字符設(shè)備(char) ,以字節(jié)為單位,只能按順序訪問(wèn),不用緩存; c) 網(wǎng)絡(luò)接口(net) 。 在本系統(tǒng)中，DOC作為塊設(shè)備可被模擬為IDE設(shè)備進(jìn)行識(shí)別，系統(tǒng)用主設(shè)備號(hào)(MAJOR)和次設(shè)備號(hào)(MINOR)來(lái)唯一標(biāo)識(shí)一般設(shè)備;相同主設(shè)備號(hào)表示同一類設(shè)備，次設(shè)備號(hào)表示同類設(shè)備的個(gè)數(shù)。所有設(shè)備在適當(dāng)?shù)哪夸?通常是/dev目錄)下必須有相應(yīng)的文件，這樣字符設(shè)備和塊設(shè)備都可以通過(guò)文件操作的系統(tǒng)調(diào)用完成。不同的是，塊設(shè)備操作經(jīng)常和緩沖區(qū)聯(lián)系在一起。 字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)在device_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的chrdevs向量中增加一項(xiàng)的方法來(lái)向內(nèi)核注冊(cè)自己。然后對(duì)這個(gè)設(shè)備的所有調(diào)用都用這個(gè)設(shè)備號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn); 塊設(shè)備和字符設(shè)備都需要定義功能函數(shù):對(duì)于每一個(gè)驅(qū)動(dòng)函數(shù)來(lái)說(shuō),都有一些和此設(shè)備密切相關(guān)的功能函數(shù),就最常用的字符設(shè)備來(lái)說(shuō),都存在著諸如 open()、read()、write()、ioctrol( ) 這一類的操作。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用這些操作時(shí),將自動(dòng)的使用file-operations 結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的操作;塊設(shè)備由于使用高速緩存，其驅(qū)動(dòng)程序不需要保護(hù)自己的read()、write()和fsync()函數(shù)，但必須使用自己的open()、release()和ioctl()函數(shù)，函數(shù)原型為： static int my_open(struct inode *inode,struct file *file); static int my_release(struct inode *inode,struct file *file); static int my_ioctl(struct inode *inode,struct file *file,unsigned int cmd,unsigned long age); 塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的請(qǐng)求處理函數(shù)一般通過(guò)中斷實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)程序被調(diào)用時(shí)CPU由內(nèi)核程序控制，故不可搶占，驅(qū)動(dòng)程序必須調(diào)用sleep_on()函數(shù)釋放對(duì) CPU的占用，在中斷服務(wù)子程序?qū)?shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)核內(nèi)核后，再發(fā)出wake_up()調(diào)用。 字符設(shè)備如LCD、USB應(yīng)用廣泛，下面以此為例詳細(xì)說(shuō)明添加設(shè)備驅(qū)動(dòng)的過(guò)程。設(shè)備名稱為scre,設(shè)備號(hào)為254。塊設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以比照處理。 在目錄/linux_2.4/drives/char編寫源程序scre.c，編寫字符設(shè)備的處理函數(shù)。 1.設(shè)備驅(qū)動(dòng)原文件必須包括這樣的一個(gè)函數(shù)： void scre_init(void){register(254, "scre", %26;amp;scre_fops)} 這個(gè)函數(shù)完成注冊(cè).在linux-2.4.x/driver/mem.c 將會(huì)調(diào)用它。 2.修改 linux-2.4.x/driver/char/Makefile 在適當(dāng)位置添加一行：obj_$(CONFIG_SCRE) += scre.o 3.修改linux-2.4.x/driver/char/Config.in, 添加一行： 　 bool "scre device" CONFIG_SCRE，便于在 make menuconfig 時(shí)選擇 4.修改linux-2.4.x/driver/char/mem.c ，在適當(dāng)位置(你去找就會(huì)發(fā)現(xiàn),在文件頭部)添加： #ifdef CONFIG_SCRE extern void scre_init(void); #endif 在chr_dev_init()函數(shù)添加: #ifdef CONFIG_SCRE scre_init(); #endif 5. 修改vendor/Samsung/4510b/Makefile ，建立設(shè)備節(jié)點(diǎn);在12---35行間，DEVICE 部分添加如下內(nèi)容 ：scre,c,254,0 。 6.make menuconfig 選中scre device，編譯,下載;啟動(dòng)后你會(huì)看到 /proc/devices 中字符設(shè)備多了一項(xiàng) scre 254 。 uClinux的Web技術(shù)，主要有三個(gè)Web服務(wù)器：httpd,thttpd和boa。Httpd簡(jiǎn)單，但只能Web瀏覽，不支持認(rèn)證、 CGI，thttpd和boa Web服務(wù)器功能較全;而boa Web代碼簡(jiǎn)單、速度快，適合嵌入式應(yīng)用。Boa作為一個(gè)簡(jiǎn)單的http服務(wù)器，與傳統(tǒng)服務(wù)器的主要區(qū)別是它是單進(jìn)程的。boa在uClinux下的實(shí)現(xiàn)需要對(duì)boa.conf和mime.types作一些配置和修改,并且需在命令行指定配置文件所在目錄。配置完成后需要重新編譯內(nèi)核，并選中boa選項(xiàng)，將編譯好的內(nèi)核下載到開(kāi)發(fā)板，啟動(dòng)uClinux,完成IP設(shè)置，啟動(dòng)boa Web后便可通過(guò)IE訪問(wèn)網(wǎng)頁(yè)了。 5 結(jié)語(yǔ) uClinux在嵌入式領(lǐng)域憑借其穩(wěn)定、良好的移植性，優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能，靈活完備的文件系統(tǒng)以及眾多的技術(shù)支持等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，并將有更廣闊的應(yīng)用前景。本文針對(duì)uClinux的開(kāi)發(fā)應(yīng)用步驟作了大致的闡述，對(duì)ARM應(yīng)用平臺(tái)上的系統(tǒng)移植和應(yīng)用開(kāi)發(fā)作了分析，具有一定的指導(dǎo)意義。 [b]參考文獻(xiàn) [/b][1].劉安昱 溫曉輝 劉志紅,基于S3C44B0X的uClinux的移植，《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》[J]2003.12. [2].徐雪松等，基于嵌入式Linux的DiskOnChip設(shè)備的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，《電子設(shè)計(jì)應(yīng)用》[J]2003.12 [3].Linux on module project-Lom ARM7 ,www.lomx.net. [4].朱珂等譯，《Linux編程白皮書(shū)》[M],機(jī)械工業(yè)出版社，2000. [5].趙炯，《Linux內(nèi)核完全注釋(內(nèi)核版本0.11)》[M]，2003[!--empirenews.page--]