基于ARM9的嵌入式Linux代码移植

摘要：介绍了嵌入式Linux移植的方法和过程，给出了嵌入式开发环境下基于硬件平台ARM9的bootloader、Linux内核移植的实现方案，该方案可为嵌入式系统的应用研究提供操作系统层面的支持。
关键词：嵌入式系统；ARM；vivi；Linux移植

O 引言
    随着计算机技术、通信技术以及Internet的飞速发展。嵌入式系统已得到越来越广泛的应用。与此同时，嵌入式系统的复杂性也在不断增加，嵌入式操作系统已经成为其中最重要的组成部分。目前，市场上存在着众多的嵌入式操作系统，而在这些系统之中，兼有Linux和嵌入式优点的嵌入式Linux操作系统，凭借其在结构清晰、源代码开放性、裁剪性好，开发与使用均易实现等方面的优势，拥有巨大的市场前景和商业机会。当前嵌入式Linux的一个热点应用就是将Linux内核移植到一些典型的微控制器和微处理器上，提供操作系统层面支持，以实现嵌入式系统用软件的开发。
    此研究基于Linux 2．6内核的嵌入式Linux系统，分析了所面临的理论问题、关键技术，实现了Linux内核在ARM9平台上的运行。

1 开发环境介绍
    嵌入式IJnux移植是嵌入式系统开发的重要组成部分，它需要相应的软件组件支持，同时又与目标硬件平台关系密切。因此，在正式移植
前，首先应明确嵌入式系统开发的流程与开发环境，再根据目标硬件平台的特点和所选择的软件组件，正确搭建功能完善的交叉开发环境，最后制定出合理的移植方案，从而使移植工作可以顺利的进行。
1．1 ARM9硬件平台
    本次移植采用斯道ARM9开发板作为硬件平台，其基本构成为核心板和底板(外设板或基本板)，核心板上集成了SamsungS3C2410处理器、64 M的FLASH和64M的SDRAM，为应用研发提供了足够的空间，基板则提供了丰富的外围接口。其硬件平台结构如图l所示。

    此完整的应用系统具有体积小、耗电低、处理能力强等特点，能够装载和运行嵌入式Linux操作系统。用户可以在这个系统平台上自主进行软件开发。
1．2 Linux内核及处理器
    目前用于嵌入式Linux系统的内核大多数使用2．4．x版，然而，随着嵌入式微处理器性能的不断增强及其应用范围的日趋扩大，Linux-2．6版内核由于其针对嵌入式系统应用的显著特点，必将会越来越多的被应用于嵌入式系统移植与开发Linux系统之中。文中采用的是Linux-2．6版内核。
    vivi是韩国mizi公司开发的bootloader，适用于ARM9处理器，支持S3C2410X嵌入式ARM-Linux移植的应用处理器。和所有的bootloader一样，vivi也有两种工作模式，即启动加载模式和下载模式。启动加载模式指在一段时间后(这个时间可更改)自行启动Linux内核，它是vivi的默认模式。下载模式则是指vivi为用户提供一个命令行接口，用户可通过接口使用命令。

2 系统移植方案
    在硬件方面，为支持NAND Flash引导模式，S3C2410A处理器在芯片内集成了4 KB的被称为steppingstone的SRAM。NAND Flash引导模式下，系统复位后NAND Flash中的前4位内容首先被复制到steppingstone，接着将steppingstone映射到nGCSO，即内存BankO起始她址为Ox00000000，随后系统开始正常引导。
    同样，在软件方面，bootloader程序应被烧写到NAND Flash最前面的部分。通常bootloader程序大于4 KB，因此，在bootloader的前4 KB程序段中，必须先完成内存SDRAM的初始化，并将自身完全复制到SDRAM中，同时设置必要的堆栈，然后跳转到SDRAM中去执行这一系列工作。这样方可完成后续的初始化系统资源及装载操作系统内核的任务。
    本次移植使用ARM9开发板，通过跳线方式设置OM[1：0]引脚来支持NAND Flash启动模式，因此，移植方案使用NAND Flash+SDRAM的存储模式，bootloader放在SDRAM中，内核和文件系统都放在NAND Flash中，根据选用的方案，整个系统移植要做的工作包括两方面：
    Bootloader：为装载操作系统内核，支持NAND Flash及网络下载和串口通信，从而方便嵌人式ARM．Linux移植以开发调试。
    Linux系统：支持NAND Flash，并移植Cramfs+Yaffs混合文件系统；支持NFS文件系统及网络通信、串口等。

3 Linux内核移植
    在同一硬件平台上可以嵌入不同的嵌入式操作系统，这就好比PC既可以安装Windows又可以安装Linux一样。同样，有些操作系统经过移植后即可运行在不同的硬件平台上。通常情况下，如果一个系统可以在不同硬件平台上运行，那么这个系统便是可移植的。将某一个平台的代码运行在其他平台上的过程称作移植。嵌入式系统是“硬件可裁剪”的，因此工程师们设计的硬件电路会有所不同，从而使这些代码可能无法正确运行，因而要实现移植就应结合自己的硬件电路，对已有的内核代码进行修改。
3．1 内核移植难点
    Linux系统的内核是多层次结构的单体内核，其可移植性比微内核要差一些，但是，这种内核具有较高的效率。从操作系统发展的趋势来看，微内核作为一种先进的操作系统结构，是操作系统发展的一个潮流。但是，微内核结构较低的系统通信效率大大的降低了系统的性能。所以，从系统效率和性能的角度来考虑，Linux并没有采用先进的微内核结构而是选择了传统的单体内核机构。
3．2 内核移植的基本策略
    在Linux2．6内核支持下，Linux已经在许多典型的硬件平台上实现移植，其中包括：I386、ARM、MIPS、ALPHA、PowerPC、SPARC、SH等。但是对于基于特定硬件体系设计的硬件平台，需要从头对Linux进行移植。此外还有部分体系的硬件平台，Linux只对其中部分的CPU或目标板提供了支持，如果使用了Linux尚未支持的CPU或目标板，也需要对Linux内核进行移植工作。通常可以采用以下两种方法进行Linux内核移植工作：
    (1)从头设计。即采用“自底向上”的设计方法，从硬件的需求考虑逐步的采用分析、设计、编码、测试。这种方法比较适合针对一种全新的硬件平台开展移植工作。[!--empirenews.page--]
    (2)修改已有的代码。如前所述，Linux已经可以在多种体系结构中运行，那么，我们可以参考相近的体系结构的代码，只修改与我们的目标硬件平台不同的部分即可。这种方法的难点在于开发人员除了要了解目标硬件平台外。还必须对已支持的软硬件有一个较好的理解。本次研究的移植工作就是采用了这种开发方法。
3．3 内核移植方法
    对于系统移植而言，Linux实际上是由两个比较独立的部分所构成，即内核部分和系统部分。通常启动一个Linux系统的过程为：一个不隶属于任何操作系统的加载程序将Linux部分内核调入内存，并将控制权交给内存中Linux内核的第一行代码，这样就完成了加载程序的工作。此后Linux要将自己的剩余部分全部加载到内存，初始化所有的设备，在内存中建立好所需的数据构(有关进程、设备、内存等)。此时，内核已经可以控制所有硬件设备。而后转入系统部分，操作并使用这些硬件设备。接下来内核加载根设备并启动init守护进程，init守护进程会根据配置文件加载文件系统、配置网络、服务进程及终端等。一旦终端初始化完毕，我们就会看到系统的欢迎界面了。概括说来，一部分内核初始化和控制绝大部分硬件设备，为内存管理、进程管理、设备读写等做好一切准备工作；另一部分系统加载必需的设备，配置各种环境以便用户可以使用整个系统。

    图2所示为Linux内核硬件相关结构。可以看出，Linux内核中与具体硬件平台相关的结构主要分为两个部分：与具体的处理器结构相关的部分，包括中断处理、内存操作以及进程控制等；与具体外设关系密切的部分，包括硬件驱动与I／O设备。
    内核移植由五个功能部分组成：进程管理(包括调度和通信)、内存管理、设备驱动、虚拟文件系统与网络，它们之间存在复杂的调用关
系。前三部分按从前到后的顺序，越靠前代表它们与硬件设备的相关程度越高，后面的虚拟文件系统和网络则几乎与平台无关，它们由设备管理中所支持的驱动程序来提供底层支持。因此，在做内核移植的时候，需要改动的就是进程管理、内存管理和设备管理中被独立出来的那部分即硬件相关部分的代码。在Linux内核源代码树中，这部分代码全部在areh目录下，主要是被内核直接调用的底层支持部分。这些代码重写了内核所需调用的所有函数，因为接口函数是固定的，所以这里更像是为硬件平台编写API。
3．4 内核移植过程
    首先在通用计算机上编写程序，然后通过交叉编译生成可在目标平台上运行的二进制代码格式，最后再下载到目标平台计算机的特定位置上运行。Linux内核移植过程如下：
    (1)建立移植所必须的交叉开发环境。需准备两台计算机，一台用作修改编译Linux内核，另一台用作移植Linux内核。
    (2)编写和修改Linux内核。在通用计算机上修改和编写新的内核代码，编译出新的Linux内核。
    (3)调试新的Linux内核。将编译后生成的新Linux内核加载到目标计算机上进行运行和调试，这个调试的过程就是交叉调试。
    调试器是一个单独运行着的进程，它通过操作系统提供的调试接口来控制被调试的进程。在Linux内核移植过程中，调试时采用的是在宿主机和目标机之间进行的交叉调试。交叉调试有多种方法，它有一些典型特点：
    ◇调试器和被调试进程通常运行在不同的机器上(注：Linux内核作为操作系统内核，不同于普通进程，但在交叉调试中作为被调试对象，与普通进程没有区别)，一般调试器运行在PC或者工作站主机(宿主机)上，而被调试的进程则运行在各种专业调试板(目标机)上。调试器通过某种通信方式与被调试进程建立联系，如串口、并口、网络、DBM或者专用的通信方式。本次移植采用了串口和JTAG两种方式与目标机进行通信。
    ◇在目标机上一般会具备某种形式的调试代理，它负责与调试器共同配合完成对目标机上运行着的进程的调试。这种调试代理可能是某些支持调试功能的硬件设备(如 DBI2000)，也可能是某些专门的调试软件(如 gdbserver)。本次移植使用的是GDB—Stub。
    ◇如果目标机是某种形式的系统仿真器，通过在宿主机上运行目标机的仿真软件，整个调试过程可以在一台计算机上运行。虽然此时物理上只有一台计算机，但逻辑上仍然存在着宿主机和目标机的区别。本次移植没有使用系统仿真器。调试时，作为调试器的GDB运行在宿主机上，相应的GDB—Stub运行在目标机上。GDB通过串口或者网络与GDB—Stub进行通信，发出指令控制、访问运行在目标硬件平台上的新的Linux内核，读取Linux内核的当前状态，并能够改变Linux内核的运行状态。
    经过多次移植测试后，就在基于ARM920T核的53C24lO处理器为核心处理器的ARM9平台上成功移植了Linux操作系统。

4 结束语
    文中阐述了在基于ARM920T核的53C2410处理器为核心的ARM9平台上移植Linux操作系统的环境、方案和过程，对移植的难点进行了重点分
析，这对ARM9平台上的嵌入式Linux移植具有较好的实用价值和参考价值，同时对于其它平台上的嵌入式Linux移植的方法也具有一定的借鉴意义。