基于ARM和Linux的嵌入式平台的构建-文章-单片机-ARM

基于ARM和Linux的嵌入式平台的构建

时间:05-07 08:55 阅读:827次

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摘要：首先介绍了嵌入式系统的概念，及相关硬件平台和软件版本。然后，主要介绍了嵌入式Linux 的引导程序U-Boot 的移植，以及开源、免费操作系统Linux2.6.32.2 的移植。最后，构建了基于NandFlash存储器的Yaffs2 文件系统，利用BusyBox 创建根文件系统。基于ARM 和嵌入式Linux 的嵌入式系统平台搭建基本完成，可以在此平台上添加更多驱动，以便更好地开发应用程序。

进入后PC 时代以来，伴随着设计和制造技术的发展，集成电路从当初的晶体管集成发展到现在的IP 集成，即SoC（Systemon Chip ）设计技术。促使嵌入式系统渗透到了当今社会中的各个行业，并且发挥越来越重要的作用。嵌入式系统一般可定义为以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适用于应用系统且对功能、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统，它的主要特点是嵌入、应用。

随着各种嵌入式设备功能越来越强大，在设备中使用嵌入式操作系统也成为必然。Linux 操作系统具有开放源代码、易于移植、资源丰富、免费等特点，在嵌入式领域的地位越来越重要。嵌入式Linux 和PC 上的Linux是同一套内核代码，只是裁剪的程度不一样，所以，很多在PC 上开发的软件，经过交叉编译后可以直接在嵌入式设备上运行。本文主要涉及到Bootloader 移植和Linux-2.6.32.2 内核的移植、根文件系统移植、在S3C2440平台上构建完整的嵌入式开发平台三个方面。

1 交叉开发环境的建立

在进行嵌入式软件开发之前，必须要在PC 上建立ARM 的交叉编译环境。交叉编译就是在PC 平台上生成可以在ARM 平台上运行的代码。其中主要包括ARM 的交叉编译器arm-elf-gcc 和交叉连接器arm-elf-ld 。本文采用的交叉编译器的版本是gcc -3.4.5 -glibc -2.3.6 。

交叉编译流程如图1 所示。

图1 嵌入式系统交叉编译流程

2 BootLoader 引导加载程序

BootLoader 是一段在系统上电时开始执行的程序，用以初始化硬件设备，准备好软件环境，设置好启动参数，最后引导操作系统，与PC 上的BIOS 程序相似。当前开放源码的Linux 引导程序主要有x86 架构的LILO、GRUB，对于ARM 架构的主要有Vivi 和U-Boot 。本文使用U-Boot 作为引导程序。U-Boot（Universal Boot Loader），即通用的BootLoader ，遵循GPL 条款开放源代码。U-Boot相对于Vivi 功能更加强大，也更方便后续程序的调试。

BootLoader 的启动一般分为两个阶段，第一阶段的代码主要是用汇编语言编写，主要的功能是完成硬件设备的初始化，为加载第二阶段的代码准备RAM 空间，设置好堆栈；第二阶段主要用C 语言编写，检测内存映射，将内核映像和根文件系统从Nand Flash 读到RAM中，为内核启动设置参数，引导内核。

U-Boot 的源代码可以从ftp://ftp.denx.de/pub/u-boot/进行下载，本文使用的U-Boot 版本是U-Boot2009.08 。

移植U-Boot 的关键步骤如下：

（1）首先，将include/configs 目录下的smdk2410.h 复制并改名为mini2440.h ，根据U-Boot 的说明可以知道，如果要使用开发板board/<board_name > ，则先执行“make <board_name > ”_config 命令进行配置，然后执行“make all ” ，生成可执行文件。所以，修改U-Boot 顶层的Makefile 文件，添加下面一行mini2440_config : unconfig@ $ （MKCONFIG） $ （@:_config = ） arm arm920t mini2440frank s3c24x0 。这里有几个重要的参数，arm 指CPU 的架构，arm920t 指CPU 的类型，s3c24x0 指CPU 的型号。这样就可以使用make mini2440_config 这条命令进行配置。

（2）本文使用的U-Boot 是从Nand Flash 启动的， CPU可以直接访问Nand Flash 中前4 KB 代码，利用这4 KB代码把U-Boot 中绝大部分代码拷贝到内存中[ 3]。其中下面的代码就是调用C 语言中的Nand Flash 的读写函数，该函数主要把Nand Flash 中4 KB 以后的代码复制到RAM 中。在编写nand_read_ll 的函数时，注意参考Nand Flash 的数据手册，对大页和小页的Nand Flash ，其读写的命令和时序是不同的。

@copy U-Boot to RAM

ldr r0,=TEXT_BASE

mov r1,#0x0

mov r2,#0x60000

bl nand_read_ll

tst r0,#0x0

beq ok_nand_read

由于在后面加载Linux 内核和根文件系统时，使用的是tftp 方式，所以必须添加DM9000EP网卡的驱动。在mini2440.h 文件中，其主要的配置如下：

#define CONFIG_DRIVER_DM9000 1

#define CONFIG_NET_MULTI 1

#define CONFIG_DM9000_NO_SROM 1

#define CONFIG_DM9000_BASE 0x20000300

#define DM9000_DATA （CONFIG_DM9000_BASE +4）

其中，CONFIG_DM9000_BASE 宏是最重要的，因为它定义的是网卡的地址，不同的网卡有不同的地址，DM9000EP 访问的基址为0x20000000, 之所以再偏移0x300 是由它的特性决定的。

（3）要正确引导Linux 内核，还需要配置下面几个重要的宏定义，这几个宏定义不同，意味着引导Linux 内核的方式也不同。

#define CONFIG_BOOTARGS"noinitrd root=/dev/mtdblock3

init=/linuxrc console=ttySAC0,115200 mem=64M"

其中，root =/dev/mtdblock3 是由Linux 中的Nand Flash 分区所决定的，意味着Nand Flash 的第4 个分区为根文件系统。

#define CONFIG_BOOTCOMMAND"nand read 0x32000000 0x60000 0x560000;bootm 0x32000000"

这个宏定义是将Nand Flash 中0x60000 -0x560000（和kernel 分区一致）的内容读到内存0x32000000 中，然后用bootm 命令来执行。

要正常地引导Linux 内核，必须要具备如下几个条件：

（1）CPU 寄存器

R0=0 ；

R1= 机器类型ID ；对于ARM 结构的CPU，其机器类

型ID 在linux/arch/arm/tools/mach-types ；

R2=启动参数标记列表在RAM 中起始基地址。

（2）CPU 工作模式

必须禁止中断（IRQs 和FIQs ）；

CPU 必须为SVC 模式。

（3）Cach 和MMU 的设置

MMU 必须关闭；

指令Cach 可以打开也可以关闭；

数据Cach 必须关闭。

3 Linux2.6.32.2 内核的移植

3.1 内核的获取

Linux 内核的更新很快，可以从http://www.kernel.org/pub/linux/kernel/ 得到最新的Linux 内核版本，本文使用的Linux 内核版本是Linux -2.6.32.2, 交叉编译工具使用符合EABI 标准的arm-linux-gcc-4.3.2 。

3.2 内核的移植

可以在内核的根目录下，运行make menuconfig 命令，对内核进行适当的裁剪，以适应硬件平台。

对内核进行适当的裁剪，以适应硬件平台。

（1）修改Makefile 文件

欲设置Linux 的默认平台为ARM 平台，需进入Linux-2.6.32 文件夹中，修改此目录下的Makefile 文件。

export KBUILD_BUILDHOST := $（SUBARCH）

ARCH ?=arm // 使用的目标平台

CROSS_COMPILE ?=arm-linux- // 使用的交叉编译器，

这里使用系统默认的编译器

（2）关于机器码

在启动内核时，根据BootLoader 传入的机器码（MACH_TYPE）来决定应启动哪种目标平台[ 6]，本开发平台的机器码为1999 。机器码存放在文件opt/kernel/linux-2.6.32.2/arch/arm/tools/mach-types 中。

mini2440 MACH_MINI2440 MINI2440 1999 // 机器码

如果机器码不匹配，引导内核不成功，则会出现如下的错误提示：

Uncompressing

Linux……………………………………………………………………………done, booting the kernel.

（3）修改时钟源

将/kernel/linux -2.6.32.2/arch/arm/mach -s3c2440/ 目录下的mach-smdk2440.c 文件改名为mach-mini2440.c。

因为mini2440 和mach-smdk2440.c 极其相似，以该文件为基础进行修改，在mach -mini2440.c 文件中将staticvoid__init smdk2440_map_io （ void ）函数中的晶振频率修改为mini2440 开发板上实际使用的12000000。

（4）为内核打上yaffs2 补丁

①Yaffs2 文件系统是专门针对嵌入式设备，特别是使用Nand Flash 作为存储器的嵌入式设备而创建的一种文件系统，使用yaffs2 就可以支持大页的Nand Flash。

进入yaffs2 源代码目录执行如下命令：

#./patch -ker.sh c /opt/FriendlyARM/mini2440/linux -2.6.32.2

②配置内核以支持Yaffs2 文件系统

在Linux 内核源代码根目录运行make xconfig，在“File Systems ” 选项中，找到“Miscellaneous filesystems ” 菜单项，找到“YAFFS2 file system support ” 并选中它，这样就在内核中添加了yaffs2 文件系统的支持，保存并退出。然后在命令行中，执行make zImage 。

（5）修改Nand Flash 分区信息

①在mach-mini2440.c 文件中添加Nand Flash 的分区信息，下面的代码将Nand Flash 分成了4 个分区，第1 分区也是BootLoader 所在的分区，对应dev/mtdblock0 ；第2 个分区是U-Boot 的参数分区，对应dev/mtdblock1 ；第3 个分区是内核分区，对应dev/mtdblock2 ；第4 个分区为根文件系统分区对应dev/mtdblock3 。分区结构图如表1 所示。

表1 128 MB Nand Flash 的分区结构图

其部分实现代码如下：

static struct mtd_partition mini2440_default_nand_part[] ={

[0] = {

.name="U-boot",

.offset= 0,

.size= 0x00040000,

}

其中name 是分区的名字，offset 是偏移的开始地址，size是分区的大小，其余部分的分区与此类似。

②下面代码是添加Nand Flash 的设置表，因为板子上只有一片Nand Flash，因此也就只有一个设置表。

static struct s3c2410_nand_set mini2440_nand_sets[] = {

[0] = {

.name= "NAND",

.nr_chips= 1,

.nr_partitions=

ARRAY_SIZE（mini2440_default_nand_part），

.partitions= mini2440_default_nand_part,

}

③上面的设置完成后，还需要将Nand Flash 设备注册到系统中。下面这段代码就是将Nand Flash 设备添加到开发板的设备列表结构。

static struct platform_device *mini2440_devices [] __initdata

= {

&s3c_device_nand,

}

④在mini2440_machine_init 函数中添加平台的数据信息。

static void __init mini2440_machine_init（void）{

s3c_device_nand.dev.platform_data=&mini2440_nand_info;

}

现在可以进入kernel/linux-2.6.32.2/arch/arm/boot 目录，然后执行下面的命令，就会在该目录下生成uImage.img格式的、U-Boot 可以引导的内核镜象。

Mkimage – n ‘linux-2.6.32.2 ’ –A arm – O linux–T kernel –C none – a 0x30008000 – e 0x30008000 –d zImage uImage.img

至此，可以把生成的uImage.img 格式的镜像文件复制到tftp 目录下，使用tftp 进行下载。

3.3 文件系统

所谓根文件系统，就是创建各个目录，例如在/bin 、/sbin/ 目录下存放各种可执行的程序，在/etc 目录下存放配置文件，在/lib 目录下存放库文件。

可以利用Busybox 工具创建根文件系统，Bosybox 是一个遵循GPL v2 协议的开源项目，它在编写过程中对文件大小进行优化，并考虑了系统资源有限（例如内存）的情况，使用Busybox 可以自动生成根文件系统所需的bin、sbin、usr 目录和linuxrc 文件，可以使用make menuconfig对Busybox 的选项进行配置。

（1）进入opt/kernel, 创建一个shell 脚本用于构建根文件系统的各个目录，并且为其增加执行权限；（2）Linux 中的init 进程会根据etc/inittab 文件创建其他子进程，下面代码是inittab 文件中的内容，说明了系统启动后首先执行的脚本文件是rcS，虚拟的终端是串口0，当按下ctr+alt+del 时重启系统，inittab 文件的作用就是控制系统启动时和启动后一些程序的运行。

#etc/inittab

::sysinit:/etc/init.d/rcS

s3c2410_serial0::askfirst:-/bin/sh

::ctrlaltdel:/sbin/reboot

::shutdown:/bin/umount -a-r

（3）创建etc/init.d/rcS 文件，这是一个脚本文件，可以在里面添加要自动执行的一些命令。

#! /bin/sh

PATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin

runlevel=S // 运行的级别

prevlevel=N

umask 022 // 文件夹的掩码

mount -a // 挂载/etc/fstab/ 文件指定的所有的文件系统