基于Xscale的PC/104 Linux系統(tǒng)構(gòu)建

1 引言

PC/104是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線。其實質(zhì)是一種緊湊的IEEE-P996總線規(guī)范。PC/104的信號定義和PC/AT基本一致，但電氣和機械規(guī)范完全不同，是一種優(yōu)化的、低功耗的、小型的、堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)[1]。

基于嵌入式PC/104的操作系統(tǒng)多為DOS或者Windows。采用DOS系統(tǒng)無圖形窗口，交互能力差;采用Windows系統(tǒng)則需要昂貴的版權(quán)費，成本高，且存在安全問題。

ARM(Advanced RISC Machines) 公司是全球領(lǐng)先的16/32位RISC微處理器知識產(chǎn)權(quán)設(shè)計供應(yīng)商[2]。 ARM處理器具有體積小、功耗低、性能優(yōu)良且成本低廉等優(yōu)點，與PC/104的工作環(huán)境對其提出的要求相符，而且Linux具有開放源碼的特點，用戶不必為昂貴的版權(quán)費用擔(dān)心。因此，研究以基于ARM的Xscale處理器替代傳統(tǒng)的X86架構(gòu)的PC/104處理器，并以嵌入式Linux系統(tǒng)替代DOS或 Windows系統(tǒng)具有重要意義。

2 PC/104目標(biāo)硬件平臺介紹

本文采取博創(chuàng)公司的UP-PXA270 PC/104 CPU模塊作為構(gòu)建Linux的目標(biāo)硬件平臺。該模塊采用Intel PXA270 Xscale低功耗處理器，主頻104MHZ～520MHZ，集成了64M的SDRAM，有16M的Nor Flash存儲軟件程序及重要數(shù)據(jù)，提供了CF卡接口、USB接口、VGA接口、LVDS接口、串口、以太網(wǎng)接口。

3 Linux系統(tǒng)在PC/104上的實現(xiàn)

3.1 內(nèi)核的選擇與下載

目前，Linux已經(jīng)正式發(fā)布了2.6.20內(nèi)核版本，綜合考慮先進性和穩(wěn)定性兩個因素，本

文不采用最新的2.6.20版本，而是采用更穩(wěn)定和成熟的2.6.10版本，該版本可從下面的網(wǎng)址

http://www.arm.linux.rog.uk/下載。

3.2 交叉編譯環(huán)境的建立

由于宿主機和目標(biāo)板的處理器架構(gòu)不同，需要建立交叉編譯環(huán)境。在宿主機上完成程序的開發(fā)和編譯，在目標(biāo)板上執(zhí)行，可以充分利用宿主機的高性能，有效提高編譯效率。

主機采用商用版Redhat-Linux9.0，以解決基于Windows虛擬機環(huán)境存在兼容性及對速度產(chǎn)生影響等問題。

本文在X86架構(gòu)上的主機上采用針對ARM的工具鏈進行開發(fā)，開發(fā)工具鏈采用UP-PXA270 PC/104 CPU模塊配套光盤中提供的交叉編譯器arm-linux-gcc，安裝步驟如下：

以超級用戶root登陸，并打開一個shell，依次執(zhí)行如下操作：

1) #mkdir/usr/local/arm;創(chuàng)建開發(fā)工具目錄;

2) #cd/usr/local/arm;進入該目錄;

3) #tar xvzf arm_linux_gcc.tar.gz;解壓縮交叉編譯工具;

4) #export PATH=/usr/local/arm/3.2.1/bin:￥PATH。設(shè)置環(huán)境變量。

便可完成安裝，建立好交叉編譯環(huán)境。

3.3 Boot Loader移植

引導(dǎo)加載程序Boot loader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行前運行的一小段程序。用來完成硬件和軟件運行環(huán)境的初始化，建立內(nèi)存空間映射圖，以便最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核。作用與PC機上的BIOS基本相同，是最底層的引導(dǎo)程序。

本文采用了功能最多、最具彈性的被最為積極開發(fā)和維護的開放源碼的bootloader，即U-BOOT。它除了提供引導(dǎo)功能外，還提供監(jiān)控程序的功能，該功能在系統(tǒng)開發(fā)期間非常有用。

Boot Loader移植操作如下：

首先確定在cpu./xscale/和board./pxa270下存在xscale.c和pxa270.c兩個文件，然后在根目錄下輸入：make pxa270_config得到U-Boot.bin映像文件，最后用JTAG燒錄到FLASH，完成Boot Loader的移植。

3.4 Linux內(nèi)核的配置與裁減

Linux內(nèi)核已經(jīng)發(fā)展到2.6.20版本，功能非常強大，但是，體積也變的異常龐大。因此，必須針對PC/104目標(biāo)板的硬件配置進行裁減。

根據(jù)目標(biāo)板PXA270的資源配置，采用make menuconfig配置內(nèi)核，將有關(guān)CPU、內(nèi)存管理、JFFS2文件系統(tǒng)支持、串口支持、網(wǎng)口支持編譯進內(nèi)核，將音頻、觸摸屏接口、LVDS接口作為模塊編譯，需要時動態(tài)載入，這樣編譯下來的內(nèi)核只有300KB左右，大大減小了內(nèi)核的體積，減輕了目標(biāo)板有限的存儲空間和內(nèi)存的壓力。

編譯并生成鏡像命令如下：

1)#tar jxvf my-linux-2.6.10..tar.bz2

2)#ln –s linux-2.6.10 linux

3)#cd linux

4)#make clean

5)#make dep

6)#make bzImage

3.5 文件系統(tǒng)的選擇和建立

根據(jù)文件系統(tǒng)的特性[5]和PC/104目標(biāo)板的硬件環(huán)境，選擇JFFS2作為PC/104目標(biāo)板的文件系統(tǒng)。JFFS2文件系統(tǒng)具有垃圾回收功能維護空間，并且它的元數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)允許文件系統(tǒng)的寫入操作，故可提供對使用Flash系統(tǒng)而言非常重要的斷電可靠性和損耗平衡特性，能應(yīng)對PC104工作時的突發(fā)事件，避免系統(tǒng)由于突發(fā)事件造成崩潰，從而提高系統(tǒng)的安全性。

商用發(fā)行版Red Hat的文件系統(tǒng)內(nèi)容來自GNU，體積龐大，不適合做嵌入式系統(tǒng)的文件系統(tǒng)，而Busybox是小型嵌入式系統(tǒng)常用的一個套件，它可以根據(jù)配置執(zhí)行ash shell的基本功能，以及幾十個小應(yīng)用程序的功能，而大小只有300K左右，是目前嵌入式領(lǐng)域最活躍的系統(tǒng)應(yīng)用套件。故本文使用Busybox系統(tǒng)套件。

將全部的文件系統(tǒng)移植到目標(biāo)板之前，需要用mkfs.jffs2工具打包。具體移植操作如下：

1) 解壓根文件系統(tǒng)，生成root目錄。

#tar jxf up-netpxa270_fs.tar.bz2

2) 解壓busybox

#cd up-techpxa270/kernel/02_root

#tar zxf busybox-1.00-pre9.tar.gz

#cd busybox-1.00-pre9

3) 配置安裝busybox

#make menucongfig

4) 生成JFFS2文件系統(tǒng)

#/mkfs.jffs2 -r root -o rootfs.img -e 0x20000 --pad=0xd00000

移植好文件系統(tǒng)后，便可以通過U-boot引導(dǎo)，并掛載該文件系統(tǒng)根分區(qū)啟動Linux。

4 系統(tǒng)測試

開發(fā)的基于Xscale的PC/104 Linux系統(tǒng)硬件如圖1所示。室溫25℃，通風(fēng)良好條件下，經(jīng)測試，系統(tǒng)能夠啟動并穩(wěn)定運行(如圖2)，通過PING命令測試表明，系統(tǒng)能夠與外網(wǎng)連通(如圖3)，且工作穩(wěn)定，系統(tǒng)構(gòu)建成功。

圖1 PC/104開發(fā)板

5 結(jié)論

以博創(chuàng)公司的UP-PXA270 PC/104 CPU模塊作為構(gòu)建Linux的目標(biāo)硬件平臺，采用商用版Redhat-Linux9.0建立交叉編譯環(huán)境;利用U-BOOT進行Boot Loader移植，用make menuconfig配置內(nèi)核;將音頻、觸摸屏接口、LVDS接口作為模塊編譯，以減小內(nèi)核的體積;并根據(jù)文件系統(tǒng)的特性，使用Busybox系統(tǒng)套件進行文件系統(tǒng)移植。測試結(jié)果表明，本文構(gòu)建的基于Xscale處理器的PC/104Linux系統(tǒng)能夠正常啟動并與外網(wǎng)穩(wěn)定通訊，為PC/104在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了新的途徑，提出的移植方法具有普遍的借鑒價值。

今后，需要在此基礎(chǔ)上，研究并實現(xiàn)易于使用、界面友好的圖形用戶接口，提高系統(tǒng)的人機交互性和操作便捷性。

本文作者創(chuàng)新觀點：首次提出以Xscale處理器架構(gòu)的PC/104板作為Linux系統(tǒng)的移植目標(biāo)平臺并進行系統(tǒng)構(gòu)建。

參考文獻

[1] 包乃蘭，寧立革，林濤，郭計策.一種嵌入式系統(tǒng)控制方案的研究[J].微計算機信息，2005，9-2:62-64

[2] 王田苗. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[3] 鄒淼，包啟亮.PC/104下嵌入式Linux操作系統(tǒng)優(yōu)化方案[J].光電工程，2004，12(31):152-155

[4] 蔡勇，戰(zhàn)興群，張炎華等. 基于嵌入式Linux的“北斗一號”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)軟件設(shè)計[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報，2005(13):54-58

[5] Karim Yaghbmour. 構(gòu)建嵌入式LINUX系統(tǒng)[M]. 北京：中國電力出版社，2006.