基于ARM的Linux系統(tǒng)移植研究與實現(xiàn)

摘要：Linux具有源代碼開放、效率高、可裁剪等優(yōu)點，在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中具有廣泛的應(yīng)用。文章介紹了嵌入式Linux操作系統(tǒng)、移植目標平臺SBC2410及Linux內(nèi)核源代碼的目錄結(jié)構(gòu)，分析了Linux移植到SBC2410平臺的實現(xiàn)過程，闡述了Linux內(nèi)核、u-boot的裁剪和編譯以及根文件系統(tǒng)的制作過程，最后在SBC2410平臺上成功移植了嵌入式Linux系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：SBC2410：Linux；嵌入式系統(tǒng)；系統(tǒng)移植

0 引言
    嵌入式系統(tǒng)是一個專用的計算機系統(tǒng)。該系統(tǒng)以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，但對功能、可靠性、成本等都有嚴格的要求。今天，一些專用系統(tǒng)需要處理大量的信息，由于傳統(tǒng)的計算機系統(tǒng)很難實現(xiàn)硬件可裁減，因而已經(jīng)不能滿足專用系統(tǒng)的需要。伴隨著我國汽車、家電等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用與開發(fā)已成為目前IT產(chǎn)業(yè)的一個新的熱點。基于ARM的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，首先要解決的問題是嵌入式操作系統(tǒng)的移植。Linux操作系統(tǒng)作為一種源代碼開放、同時可支持多種處理器結(jié)構(gòu)的多任務(wù)操作系統(tǒng)，具有內(nèi)核小、易裁剪、可移植性好等優(yōu)點，是目前嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與開發(fā)的主流操作系統(tǒng)。本文主要研究在ARM9平臺上搭建嵌入式Linux系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。

1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)及特點
    目前，在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，52％的項目選擇Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)，這與Linux自身的優(yōu)良特性有不可分割的關(guān)系。
     Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核源代碼開放，并具有豐富的軟件資源。不同的應(yīng)用領(lǐng)域可以根據(jù)需要對內(nèi)核進行修改，每一種通用程序在Linux都能找到。在Linux上開發(fā)程序不需要從頭做起，可以選擇一個類似的軟件進行二次開發(fā)，因而能夠低成本地開發(fā)出滿足自己需要的嵌入式系統(tǒng)。
    另外，Linux系統(tǒng)能支持多種硬件設(shè)備，而且驅(qū)動豐富，能支持多種主流硬件設(shè)備和最新硬件技術(shù)。隨著Linux的廣泛應(yīng)用，許多芯片生產(chǎn)廠家也已經(jīng)開始為Linux提供驅(qū)動，這為Linux在各種硬件平臺上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
     Linux可支持多種體系結(jié)構(gòu)，具有較好的可移植性。目前，Linux已經(jīng)移植到絕大多數(shù)硬件平臺上，能夠支持ARM、MIPS、LPHA、SPARC等多種體系，Linux支持幾乎所有流行的CPU。Linux具備一整套工具鏈，容易建立嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境和交叉運行環(huán)境，可跨越嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中仿真工具的障礙。由于其符合IEEE POSIX．1標準，因而應(yīng)用程序具有較好的可移植性。
    Linux具有完善的網(wǎng)絡(luò)通信和文件管理機制。實際上，Linux從一開始就與網(wǎng)絡(luò)密不可分，網(wǎng)絡(luò)是Linux的最為顯著的特征。Linux具有ARM9上的嵌入式Linux系統(tǒng)移植的特性，從而保證了它支持所有標準因特網(wǎng)協(xié)議，可以利用Linux的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧開發(fā)嵌入式TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。同時，Linux支持ext2、fat16、fat32、romfs等文件系統(tǒng)，從而為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)打下了很好的基礎(chǔ)。

2 Linux在ARM平臺上的移植
2．1 SBC2410硬件平臺介紹
    SBC2410硬件平臺是具有基于ARM9處理器SBC2410A，可支持ARM—Linux、WindowsCE等操作系統(tǒng)的嵌入式硬件平臺。主要硬件資源有一片64 MB SDRAM，一片64 MBNandFlash，一片1 MB Nor Flash，一個串口COM0，一個USB Host A型接口，一個USB Slave B型接口，以及一個標準的JTAG接口等。
2．2 Linux在ARM平臺上的移植準備
    首先是要建立交叉編譯環(huán)境。交叉編譯環(huán)境是一個由編譯器、連接器和解釋器組成的綜合開發(fā)環(huán)境。交叉編譯工具主要包括編譯器gcc，二進制工具binutils，目標系統(tǒng)的標準c庫glibc和目標系統(tǒng)的Linux內(nèi)核頭文件。宿主機要選好做嵌入式開發(fā)的Linux操作系統(tǒng)，配置好網(wǎng)絡(luò)、NFS服務(wù)等。因為目標機沒有足夠的資源運行開發(fā)工具和調(diào)試工具，所以要在宿主機上建立交叉編譯環(huán)境，然后由交叉編譯工具生成可執(zhí)行二進制代碼(并不能在宿主機上運行)，再下載到目標板上調(diào)試和運行。交叉編譯標準c環(huán)境的生成步驟包括以下四步：
    (1)獲得binutils、gcc、glibc的源碼；
    (2)配置編譯binutils，得到匯編器和連接器；
    (3)配置編譯gcc源碼，生成gcc編譯器；
    (4)配置glibc編譯生成glibc的c庫函數(shù)。[!--empirenews.page--]
2．3 引導(dǎo)程序移植bootloader
    引導(dǎo)程序bootloader是與體系結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的部分，是操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序運行之前運行的一小段程序，用于完成系統(tǒng)的啟動和加載。它類似于PC機中的BIOS程序。bootloade嚴重依賴于硬件實現(xiàn)，一般在嵌入式系統(tǒng)中建立一個通用的bootloader是不可能的。用戶必須自己編寫這一小段程序，從而完成硬件設(shè)備的初始化，建立內(nèi)存空間的映射圖，將系統(tǒng)的軟硬件帶到一個合適的狀態(tài)，為操作系統(tǒng)內(nèi)核的運行做準備。
    通常bootloader移植分為兩步：
    第一步常用匯編語言實現(xiàn)依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的代碼。主要包括硬件設(shè)備初始化；為加載bootloader準備RAM空間；拷貝bootloader到RAM空間中；設(shè)置好堆棧。
    第二步常用C語言來實現(xiàn)。即：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(memory map)；將kernel映像和根文件系統(tǒng)映像從flash上讀到ram空間中；為內(nèi)核設(shè)置啟動參數(shù)；調(diào)用內(nèi)核。圖1所示是bootloader的工作流程圖。

2．4 內(nèi)核移植
    內(nèi)核移植首先應(yīng)當(dāng)啟動操作系統(tǒng)，完成內(nèi)存管理、任務(wù)調(diào)度、進程管理、加載驅(qū)動程序、網(wǎng)絡(luò)等功能，然后執(zhí)行應(yīng)用程序或等待用戶命令。雖然各功能之間存在復(fù)雜的調(diào)度關(guān)系，但由于Linux分層結(jié)構(gòu)的特點，已將其中硬件相關(guān)的代碼獨立了出來，因此，移植過程中只需要改動進程管理、內(nèi)存管理和設(shè)備管理中與硬件相關(guān)的那部分代碼。
    一般情況下，從官方網(wǎng)站上下載的內(nèi)核不能直接在硬件平臺上運行，而要跟據(jù)具體的硬件平臺重新裁剪、編譯內(nèi)核，并根據(jù)硬件平臺特性編寫相應(yīng)的硬件相關(guān)的代碼，將Linux移植到硬件平臺。對內(nèi)核代碼的修改包括以下部分：
    (1)修改內(nèi)核目錄樹根下的Makefile，找到ARCH和CROSS_COMPILE，修改ARCH=arm，CROSS_COMPILE=armlinux，然后設(shè)置PATH環(huán)境變量，在文件bashrc中添加expor PATH=／usr／local／arm／3．4．4／bin：＄PATH，使其可以找到交叉編譯工具鏈，然后重新登陸。
    (2)設(shè)置flash分區(qū)，修改arch／arm／machSBC2410／devs．c用以指明分區(qū)信息，該文件的內(nèi)容建立nand flash分區(qū)表；修改arch／arm ／machSBC2410／machsmdk2410．c文件指定啟動時初始化，并在kernel啟動時依據(jù)對分區(qū)的設(shè)置進行初始配置。在Linux源文件目錄下，執(zhí)行makemenuconfig命令，配置內(nèi)核產(chǎn)生config文件，選擇處理器類型為SBC2410，選擇串口驅(qū)動設(shè)備，完成后保存config文件。
    在完成內(nèi)核的裁減之后，執(zhí)行命令make clean，編譯內(nèi)核之前先把環(huán)境給清理干凈，也可以用makerealclean或makemrproper來徹底清除相關(guān)依賴，保證沒有不正確的文件存在，最后將zimage下載到開發(fā)板。

3 結(jié)語
    經(jīng)過移植，Uboot和Linux在SBC2410平臺就能運行，在此基礎(chǔ)上，還可以進一步開發(fā)各類驅(qū)動程序及應(yīng)用軟件。用串口線將SBC2410和PC機相連，通過超級終端可以看到移植成功。系統(tǒng)成功啟動后，就可以進入根文件系統(tǒng)。本文通過分析Linux的特點和移植方法，總結(jié)出了一種基于ARM的Linux系統(tǒng)移植的方法，并實現(xiàn)了Linux系統(tǒng)內(nèi)核在SBC2410處理器平臺上的移植。