基于Xscale的PC/104 Linux系统构建
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1 引言
PC/104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线。其实质是一种紧凑的IEEE-P996总线规范。PC/104的信号定义和PC/AT基本一致,但电气和机械规范完全不同,是一种优化的、低功耗的、小型的、堆栈式结构的嵌入式控制系统[1]。
基于嵌入式PC/104的操作系统多为DOS或者Windows。采用DOS系统无图形窗口,交互能力差;采用Windows系统则需要昂贵的版权费,成本高,且存在安全问题。
ARM(Advanced RISC Machines) 公司是全球领先的16/32位RISC微处理器知识产权设计供应商[2]。 ARM处理器具有体积小、功耗低、性能优良且成本低廉等优点,与PC/104的工作环境对其提出的要求相符,而且Linux具有开放源码的特点,用户不必为昂贵的版权费用担心。因此,研究以基于ARM的Xscale处理器替代传统的X86架构的PC/104处理器,并以嵌入式Linux系统替代DOS或 Windows系统具有重要意义。
2 PC/104目标硬件平台介绍
本文采取博创公司的UP-PXA270 PC/104 CPU模块作为构建Linux的目标硬件平台。该模块采用Intel PXA270 Xscale低功耗处理器,主频104MHZ~520MHZ,集成了64M的SDRAM,有16M的Nor Flash存储软件程序及重要数据,提供了CF卡接口、USB接口、VGA接口、LVDS接口、串口、以太网接口。
3 Linux系统在PC/104上的实现
3.1 内核的选择与下载
目前,Linux已经正式发布了2.6.20内核版本,综合考虑先进性和稳定性两个因素,本
文不采用最新的2.6.20版本,而是采用更稳定和成熟的2.6.10版本,该版本可从下面的网址
http://www.arm.linux.rog.uk/下载。
3.2 交叉编译环境的建立
由于宿主机和目标板的处理器架构不同,需要建立交叉编译环境。在宿主机上完成程序的开发和编译,在目标板上执行,可以充分利用宿主机的高性能,有效提高编译效率。
主机采用商用版Redhat-Linux9.0,以解决基于Windows虚拟机环境存在兼容性及对速度产生影响等问题。
本文在X86架构上的主机上采用针对ARM的工具链进行开发,开发工具链采用UP-PXA270 PC/104 CPU模块配套光盘中提供的交叉编译器arm-linux-gcc,安装步骤如下:
以超级用户root登陆,并打开一个shell,依次执行如下操作:
1) #mkdir/usr/local/arm;创建开发工具目录;
2) #cd/usr/local/arm;进入该目录;
3) #tar xvzf arm_linux_gcc.tar.gz;解压缩交叉编译工具;
4) #export PATH=/usr/local/arm/3.2.1/bin:¥PATH。设置环境变量。
便可完成安装,建立好交叉编译环境。
3.3 Boot Loader移植
引导加载程序Boot loader是在操作系统内核运行前运行的一小段程序。用来完成硬件和软件运行环境的初始化,建立内存空间映射图,以便最终调用操作系统内核。作用与PC机上的BIOS基本相同,是最底层的引导程序。
本文采用了功能最多、最具弹性的被最为积极开发和维护的开放源码的bootloader,即U-BOOT。它除了提供引导功能外,还提供监控程序的功能,该功能在系统开发期间非常有用。
Boot Loader移植操作如下:
首先确定在cpu./xscale/和board./pxa270下存在xscale.c和pxa270.c两个文件,然后在根目录下输入:make pxa270_config得到U-Boot.bin映像文件,最后用JTAG烧录到FLASH,完成Boot Loader的移植。
3.4 Linux内核的配置与裁减
Linux内核已经发展到2.6.20版本,功能非常强大,但是,体积也变的异常庞大。因此,必须针对PC/104目标板的硬件配置进行裁减。
根据目标板PXA270的资源配置,采用make menuconfig配置内核,将有关CPU、内存管理、JFFS2文件系统支持、串口支持、网口支持编译进内核,将音频、触摸屏接口、LVDS接口作为模块编译,需要时动态载入,这样编译下来的内核只有300KB左右,大大减小了内核的体积,减轻了目标板有限的存储空间和内存的压力。
编译并生成镜像命令如下:
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 文件系统的选择和建立
根据文件系统的特性[5]和PC/104目标板的硬件环境,选择JFFS2作为PC/104目标板的文件系统。JFFS2文件系统具有垃圾回收功能维护空间,并且它的元数据的结构允许文件系统的写入操作,故可提供对使用Flash系统而言非常重要的断电可靠性和损耗平衡特性,能应对PC104工作时的突发事件,避免系统由于突发事件造成崩溃,从而提高系统的安全性。
商用发行版Red Hat的文件系统内容来自GNU,体积庞大,不适合做嵌入式系统的文件系统,而Busybox是小型嵌入式系统常用的一个套件,它可以根据配置执行ash shell的基本功能,以及几十个小应用程序的功能,而大小只有300K左右,是目前嵌入式领域最活跃的系统应用套件。故本文使用Busybox系统套件。
将全部的文件系统移植到目标板之前,需要用mkfs.jffs2工具打包。具体移植操作如下:
1) 解压根文件系统,生成root目录。
#tar jxf up-netpxa270_fs.tar.bz2
2) 解压busybox
#cd up-techpxa270/kernel/02_root
#tar zxf busybox-1.00-pre9.tar.gz
#cd busybox-1.00-pre9
3) 配置安装busybox
#make menucongfig
4) 生成JFFS2文件系统
#/mkfs.jffs2 -r root -o rootfs.img -e 0x20000 --pad=0xd00000
移植好文件系统后,便可以通过U-boot引导,并挂载该文件系统根分区启动Linux。
4 系统测试
开发的基于Xscale的PC/104 Linux系统硬件如图1所示。室温25℃,通风良好条件下,经测试,系统能够启动并稳定运行(如图2),通过PING命令测试表明,系统能够与外网连通(如图3),且工作稳定,系统构建成功。
图1 PC/104开发板
5 结论
以博创公司的UP-PXA270 PC/104 CPU模块作为构建Linux的目标硬件平台,采用商用版Redhat-Linux9.0建立交叉编译环境;利用U-BOOT进行Boot Loader移植,用make menuconfig配置内核;将音频、触摸屏接口、LVDS接口作为模块编译,以减小内核的体积;并根据文件系统的特性,使用Busybox系统套件进行文件系统移植。测试结果表明,本文构建的基于Xscale处理器的PC/104Linux系统能够正常启动并与外网稳定通讯,为PC/104在工业控制领域的广泛应用提供了新的途径,提出的移植方法具有普遍的借鉴价值。
今后,需要在此基础上,研究并实现易于使用、界面友好的图形用户接口,提高系统的人机交互性和操作便捷性。
本文作者创新观点:首次提出以Xscale处理器架构的PC/104板作为Linux系统的移植目标平台并进行系统构建。
参考文献
[1] 包乃兰,宁立革,林涛,郭计策.一种嵌入式系统控制方案的研究[J].微计算机信息,2005,9-2:62-64
[2] 王田苗. 嵌入式系统设计与实例开发[M].北京:清华大学出版社,2003.
[3] 邹淼,包启亮.PC/104下嵌入式Linux操作系统优化方案[J].光电工程,2004,12(31):152-155
[4] 蔡勇,战兴群,张炎华等. 基于嵌入式Linux的“北斗一号”卫星导航系统软件设计[J].中国惯性技术学报,2005(13):54-58
[5] Karim Yaghbmour. 构建嵌入式LINUX系统[M]. 北京:中国电力出版社,2006.