基于嵌入式Linux內(nèi)核的ARM9運行實現(xiàn)方式介紹

0 引言

隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)以及Internet的飛速發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)已得到越來越廣泛的應(yīng)用。與此同時，嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜性也在不斷增加，嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)成為其中最重要的組成部分。目前，市場上存在著眾多的嵌入式操作系統(tǒng)，而在這些系統(tǒng)之中，兼有Linux和嵌入式優(yōu)點的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，憑借其在結(jié)構(gòu)清晰、源代碼開放性、裁剪性好，開發(fā)與使用均易實現(xiàn)等方面的優(yōu)勢，擁有巨大的市場前景和商業(yè)機會。當前嵌入式Linux的一個熱點應(yīng)用就是將Linux內(nèi)核移植到一些典型的微控制器和微處理器上，提供操作系統(tǒng)層面支持，以實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)用軟件的開發(fā)。

此研究基于Linux 2．6內(nèi)核的嵌入式Linux系統(tǒng)，分析了所面臨的理論問題、關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了Linux內(nèi)核在ARM9平臺上的運行。

1 開發(fā)環(huán)境介紹

嵌入式IJnux移植是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的重要組成部分，它需要相應(yīng)的軟件組件支持，同時又與目標硬件平臺關(guān)系密切。因此，在正式移植

前，首先應(yīng)明確嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的流程與開發(fā)環(huán)境，再根據(jù)目標硬件平臺的特點和所選擇的軟件組件，正確搭建功能完善的交叉開發(fā)環(huán)境，最后制定出合理的移植方案，從而使移植工作可以順利的進行。

1．1 ARM9硬件平臺

本次移植采用斯道ARM9開發(fā)板作為硬件平臺，其基本構(gòu)成為核心板和底板（外設(shè)板或基本板），核心板上集成了SamsungS3C2410處理器、64 M的FLASH和64M的SDRAM，為應(yīng)用研發(fā)提供了足夠的空間，基板則提供了豐富的外圍接口。其硬件平臺結(jié)構(gòu)如圖l所示。

此完整的應(yīng)用系統(tǒng)具有體積小、耗電低、處理能力強等特點，能夠裝載和運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)。用戶可以在這個系統(tǒng)平臺上自主進行軟件開發(fā)。

1．2 Linux內(nèi)核及處理器

目前用于嵌入式Linux系統(tǒng)的內(nèi)核大多數(shù)使用2．4．x版，然而，隨著嵌入式微處理器性能的不斷增強及其應(yīng)用范圍的日趨擴大，Linux-2．6版內(nèi)核由于其針對嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的顯著特點，必將會越來越多的被應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)移植與開發(fā)Linux系統(tǒng)之中。文中采用的是Linux-2．6版內(nèi)核。

vivi是韓國mizi公司開發(fā)的bootloader，適用于ARM9處理器，支持S3C2410X嵌入式ARM-Linux移植的應(yīng)用處理器。和所有的bootloader一樣，vivi也有兩種工作模式，即啟動加載模式和下載模式。啟動加載模式指在一段時間后（這個時間可更改）自行啟動Linux內(nèi)核，它是vivi的默認模式。下載模式則是指vivi為用戶提供一個命令行接口，用戶可通過接口使用命令。

2 系統(tǒng)移植方案

在硬件方面，為支持NAND Flash引導(dǎo)模式，S3C2410A處理器在芯片內(nèi)集成了4 KB的被稱為steppingstone的SRAM。NAND Flash引導(dǎo)模式下，系統(tǒng)復(fù)位后NAND Flash中的前4位內(nèi)容首先被復(fù)制到steppingstone，接著將steppingstone映射到nGCSO，即內(nèi)存BankO起始她址為Ox00000000，隨后系統(tǒng)開始正常引導(dǎo)。

同樣，在軟件方面，bootloader程序應(yīng)被燒寫到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，必須先完成內(nèi)存SDRAM的初始化，并將自身完全復(fù)制到SDRAM中，同時設(shè)置必要的堆棧，然后跳轉(zhuǎn)到SDRAM中去執(zhí)行這一系列工作。這樣方可完成后續(xù)的初始化系統(tǒng)資源及裝載操作系統(tǒng)內(nèi)核的任務(wù)。

本次移植使用ARM9開發(fā)板，通過跳線方式設(shè)置OM［1：0］引腳來支持NAND Flash啟動模式，因此，移植方案使用NAND Flash+SDRAM的存儲模式，bootloader放在SDRAM中，內(nèi)核和文件系統(tǒng)都放在NAND Flash中，根據(jù)選用的方案，整個系統(tǒng)移植要做的工作包括兩方面：

Bootloader：為裝載操作系統(tǒng)內(nèi)核，支持NAND Flash及網(wǎng)絡(luò)下載和串口通信，從而方便嵌人式ARM．Linux移植以開發(fā)調(diào)試。

Linux系統(tǒng)：支持NAND Flash，并移植Cramfs+Yaffs混合文件系統(tǒng)；支持NFS文件系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)通信、串口等。

3 Linux內(nèi)核移植

在同一硬件平臺上可以嵌入不同的嵌入式操作系統(tǒng)，這就好比PC既可以安裝Windows又可以安裝Linux一樣。同樣，有些操作系統(tǒng)經(jīng)過移植后即可運行在不同的硬件平臺上。通常情況下，如果一個系統(tǒng)可以在不同硬件平臺上運行，那么這個系統(tǒng)便是可移植的。將某一個平臺的代碼運行在其他平臺上的過程稱作移植。嵌入式系統(tǒng)是“硬件可裁剪”的，因此工程師們設(shè)計的硬件電路會有所不同，從而使這些代碼可能無法正確運行，因而要實現(xiàn)移植就應(yīng)結(jié)合自己的硬件電路，對已有的內(nèi)核代碼進行修改。

3．1 內(nèi)核移植難點

Linux系統(tǒng)的內(nèi)核是多層次結(jié)構(gòu)的單體內(nèi)核，其可移植性比微內(nèi)核要差一些，但是，這種內(nèi)核具有較高的效率。從操作系統(tǒng)發(fā)展的趨勢來看，微內(nèi)核作為一種先進的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是操作系統(tǒng)發(fā)展的一個潮流。但是，微內(nèi)核結(jié)構(gòu)較低的系統(tǒng)通信效率大大的降低了系統(tǒng)的性能。所以，從系統(tǒng)效率和性能的角度來考慮，Linux并沒有采用先進的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)而是選擇了傳統(tǒng)的單體內(nèi)核機構(gòu)。

3．2 內(nèi)核移植的基本策略

在Linux2．6內(nèi)核支持下，Linux已經(jīng)在許多典型的硬件平臺上實現(xiàn)移植，其中包括：I386、ARM、MIPS、ALPHA、PowerPC、SPARC、SH等。但是對于基于特定硬件體系設(shè)計的硬件平臺，需要從頭對Linux進行移植。此外還有部分體系的硬件平臺，Linux只對其中部分的CPU或目標板提供了支持，如果使用了Linux尚未支持的CPU或目標板，也需要對Linux內(nèi)核進行移植工作。通常可以采用以下兩種方法進行Linux內(nèi)核移植工作：

（1）從頭設(shè)計。即采用“自底向上”的設(shè)計方法，從硬件的需求考慮逐步的采用分析、設(shè)計、編碼、測試。這種方法比較適合針對一種全新的硬件平臺開展移植工作。

（2）修改已有的代碼。如前所述，Linux已經(jīng)可以在多種體系結(jié)構(gòu)中運行，那么，我們可以參考相近的體系結(jié)構(gòu)的代碼，只修改與我們的目標硬件平臺不同的部分即可。這種方法的難點在于開發(fā)人員除了要了解目標硬件平臺外。還必須對已支持的軟硬件有一個較好的理解。本次研究的移植工作就是采用了這種開發(fā)方法。

3．3 內(nèi)核移植方法

對于系統(tǒng)移植而言，Linux實際上是由兩個比較獨立的部分所構(gòu)成，即內(nèi)核部分和系統(tǒng)部分。通常啟動一個Linux系統(tǒng)的過程為：一個不隸屬于任何操作系統(tǒng)的加載程序?qū)inux部分內(nèi)核調(diào)入內(nèi)存，并將控制權(quán)交給內(nèi)存中Linux內(nèi)核的第一行代碼，這樣就完成了加載程序的工作。此后Linux要將自己的剩余部分全部加載到內(nèi)存，初始化所有的設(shè)備，在內(nèi)存中建立好所需的數(shù)據(jù)構(gòu)（有關(guān)進程、設(shè)備、內(nèi)存等）。此時，內(nèi)核已經(jīng)可以控制所有硬件設(shè)備。而后轉(zhuǎn)入系統(tǒng)部分，操作并使用這些硬件設(shè)備。接下來內(nèi)核加載根設(shè)備并啟動init守護進程，init守護進程會根據(jù)配置文件加載文件系統(tǒng)、配置網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)進程及終端等。一旦終端初始化完畢，我們就會看到系統(tǒng)的歡迎界面了。概括說來，一部分內(nèi)核初始化和控制絕大部分硬件設(shè)備，為內(nèi)存管理、進程管理、設(shè)備讀寫等做好一切準備工作；另一部分系統(tǒng)加載必需的設(shè)備，配置各種環(huán)境以便用戶可以使用整個系統(tǒng)。

圖2所示為Linux內(nèi)核硬件相關(guān)結(jié)構(gòu)。可以看出，Linux內(nèi)核中與具體硬件平臺相關(guān)的結(jié)構(gòu)主要分為兩個部分：與具體的處理器結(jié)構(gòu)相關(guān)的部分，包括中斷處理、內(nèi)存操作以及進程控制等；與具體外設(shè)關(guān)系密切的部分，包括硬件驅(qū)動與I／O設(shè)備。

內(nèi)核移植由五個功能部分組成：進程管理（包括調(diào)度和通信）、內(nèi)存管理、設(shè)備驅(qū)動、虛擬文件系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)，它們之間存在復(fù)雜的調(diào)用關(guān)

系。前三部分按從前到后的順序，越靠前代表它們與硬件設(shè)備的相關(guān)程度越高，后面的虛擬文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)則幾乎與平臺無關(guān)，它們由設(shè)備管理中所支持的驅(qū)動程序來提供底層支持。因此，在做內(nèi)核移植的時候，需要改動的就是進程管理、內(nèi)存管理和設(shè)備管理中被獨立出來的那部分即硬件相關(guān)部分的代碼。在Linux內(nèi)核源代碼樹中，這部分代碼全部在areh目錄下，主要是被內(nèi)核直接調(diào)用的底層支持部分。這些代碼重寫了內(nèi)核所需調(diào)用的所有函數(shù)，因為接口函數(shù)是固定的，所以這里更像是為硬件平臺編寫API。

3．4 內(nèi)核移植過程

首先在通用計算機上編寫程序，然后通過交叉編譯生成可在目標平臺上運行的二進制代碼格式，最后再下載到目標平臺計算機的特定位置上運行。Linux內(nèi)核移植過程如下：

（1）建立移植所必須的交叉開發(fā)環(huán)境。需準備兩臺計算機，一臺用作修改編譯Linux內(nèi)核，另一臺用作移植Linux內(nèi)核。

（2）編寫和修改Linux內(nèi)核。在通用計算機上修改和編寫新的內(nèi)核代碼，編譯出新的Linux內(nèi)核。

（3）調(diào)試新的Linux內(nèi)核。將編譯后生成的新Linux內(nèi)核加載到目標計算機上進行運行和調(diào)試，這個調(diào)試的過程就是交叉調(diào)試。

調(diào)試器是一個單獨運行著的進程，它通過操作系統(tǒng)提供的調(diào)試接口來控制被調(diào)試的進程。在Linux內(nèi)核移植過程中，調(diào)試時采用的是在宿主機和目標機之間進行的交叉調(diào)試。交叉調(diào)試有多種方法，它有一些典型特點：

◇調(diào)試器和被調(diào)試進程通常運行在不同的機器上（注：Linux內(nèi)核作為操作系統(tǒng)內(nèi)核，不同于普通進程，但在交叉調(diào)試中作為被調(diào)試對象，與普通進程沒有區(qū)別），一般調(diào)試器運行在PC或者工作站主機（宿主機）上，而被調(diào)試的進程則運行在各種專業(yè)調(diào)試板（目標機）上。調(diào)試器通過某種通信方式與被調(diào)試進程建立聯(lián)系，如串口、并口、網(wǎng)絡(luò)、DBM或者專用的通信方式。本次移植采用了串口和JTAG兩種方式與目標機進行通信。

◇在目標機上一般會具備某種形式的調(diào)試代理，它負責(zé)與調(diào)試器共同配合完成對目標機上運行著的進程的調(diào)試。這種調(diào)試代理可能是某些支持調(diào)試功能的硬件設(shè)備（如 DBI2000），也可能是某些專門的調(diào)試軟件（如 gdbserver）。本次移植使用的是GDB—Stub。

◇如果目標機是某種形式的系統(tǒng)仿真器，通過在宿主機上運行目標機的仿真軟件，整個調(diào)試過程可以在一臺計算機上運行。雖然此時物理上只有一臺計算機，但邏輯上仍然存在著宿主機和目標機的區(qū)別。本次移植沒有使用系統(tǒng)仿真器。調(diào)試時，作為調(diào)試器的GDB運行在宿主機上，相應(yīng)的GDB—Stub運行在目標機上。GDB通過串口或者網(wǎng)絡(luò)與GDB—Stub進行通信，發(fā)出指令控制、訪問運行在目標硬件平臺上的新的Linux內(nèi)核，讀取Linux內(nèi)核的當前狀態(tài)，并能夠改變Linux內(nèi)核的運行狀態(tài)。

經(jīng)過多次移植測試后，就在基于ARM920T核的53C24lO處理器為核心處理器的ARM9平臺上成功移植了Linux操作系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

文中闡述了在基于ARM920T核的53C2410處理器為核心的ARM9平臺上移植Linux操作系統(tǒng)的環(huán)境、方案和過程，對移植的難點進行了重點分

析，這對ARM9平臺上的嵌入式Linux移植具有較好的實用價值和參考價值，同時對于其它平臺上的嵌入式Linux移植的方法也具有一定的借鑒意義。