基于ARM920T核的Linux移植

O 引言
??? 隨著計算機技術、通信技術以及Internet的飛速發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)已得到越來越廣泛的應用。與此同時，嵌入式系統(tǒng)的復雜性也在不斷增加，嵌入式操作系統(tǒng)已經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)，憑借其在結構清晰、源代碼開放性、裁剪性好，開發(fā)與使用均易實現等方面的優(yōu)勢，擁有巨大的市場前景和商業(yè)機會。當前嵌入式Linux的一個熱點應用就是將Linux內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，以實現嵌入式系統(tǒng)用軟件的開發(fā)。
??? 此研究基于Linux 2．6內核的嵌入式Linux系統(tǒng)，分析了所面臨的理論問題、關鍵技術，實現了Linux內核在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，它需要相應的軟件組件支持，同時又與目標硬件平臺關系密切。因此，在正式移植
前，首先應明確嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的流程與開發(fā)環(huán)境，再根據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，其基本構成為核心板和底板(外設板或基本板)，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。其硬件平臺結構如圖l所示。

??? 此完整的應用系統(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內核及處理器
??? 目前用于嵌入式Linux系統(tǒng)的內核大多數使用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用范圍的日趨擴大，Linux-2．6版內核由于其針對嵌入式系統(tǒng)應用的顯著特點，必將會越來越多的被應用于嵌入式系統(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引導模式，S3C2410A處理器在芯片內集成了4 KB的被稱為steppingstone的SRAM。NAND Flash引導模式下，系統(tǒng)復位后NAND Flash中的前4位內容首先被復制到steppingstone，接著將steppingstone映射到nGCSO，即內存BankO起始她址為Ox00000000，隨后系統(tǒng)開始正常引導。
??? 同樣，在軟件方面，bootloader程序應被燒寫到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，必須先完成內存SDRAM的初始化，并將自身完全復制到SDRAM中，同時設置必要的堆棧，然后跳轉到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)內核的任務。
??? 本次移植使用ARM9開發(fā)板，通過跳線方式設置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，內核和文件系統(tǒng)都放在NAND Flash中，根據選用的方案，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)內核，支持NAND Flash及網絡下載和串口通信，從而方便嵌人式ARM．Linux移植以開發(fā)調試。
??? 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)及網絡通信、串口等。

3 Linux內核移植
??? 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，因而要實現移植就應結合自己的硬件電路，對已有的內核代碼進行修改。
3．1 內核移植難點
??? Linux系統(tǒng)的內核是多層次結構的單體內核，其可移植性比微內核要差一些，但是，這種內核具有較高的效率。從操作系統(tǒng)發(fā)展的趨勢來看，微內核作為一種先進的操作系統(tǒng)結構，是操作系統(tǒng)發(fā)展的一個潮流。但是，微內核結構較低的系統(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核結構而是選擇了傳統(tǒng)的單體內核機構。
3．2 內核移植的基本策略
??? 在Linux2．6內核支持下，Linux已經在許多典型的硬件平臺上實現移植，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內核進行移植工作。通?？梢圆捎靡韵聝煞N方法進行Linux內核移植工作：
??? (1)從頭設計。即采用“自底向上”的設計方法，從硬件的需求考慮逐步的采用分析、設計、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已經可以在多種體系結構中運行，那么，我們可以參考相近的體系結構的代碼，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成，即內核部分和系統(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)的加載程序將Linux部分內核調入內存，并將控制權交給內存中Linux內核的第一行代碼，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存，初始化所有的設備，在內存中建立好所需的數據構(有關進程、設備、內存等)。此時，內核已經可以控制所有硬件設備。而后轉入系統(tǒng)部分，操作并使用這些硬件設備。接下來內核加載根設備并啟動init守護進程，init守護進程會根據配置文件加載文件系統(tǒng)、配置網絡、服務進程及終端等。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，一部分內核初始化和控制絕大部分硬件設備，為內存管理、進程管理、設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內核硬件相關結構?？梢钥闯?，Linux內核中與具體硬件平臺相關的結構主要分為兩個部分：與具體的處理器結構相關的部分，包括中斷處理、內存操作以及進程控制等；與具體外設關系密切的部分，包括硬件驅動與I／O設備。
??? 內核移植由五個功能部分組成：進程管理(包括調度和通信)、內存管理、設備驅動、虛擬文件系統(tǒng)與網絡，它們之間存在復雜的調用關
系。前三部分按從前到后的順序，越靠前代表它們與硬件設備的相關程度越高，后面的虛擬文件系統(tǒng)和網絡則幾乎與平臺無關，它們由設備管理中所支持的驅動程序來提供底層支持。因此，在做內核移植的時候，需要改動的就是進程管理、內存管理和設備管理中被獨立出來的那部分即硬件相關部分的代碼。在Linux內核源代碼樹中，這部分代碼全部在areh目錄下，主要是被內核直接調用的底層支持部分。這些代碼重寫了內核所需調用的所有函數，因為接口函數是固定的，所以這里更像是為硬件平臺編寫API。
3．4 內核移植過程
??? 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內核，另一臺用作移植Linux內核。
??? (2)編寫和修改Linux內核。在通用計算機上修改和編寫新的內核代碼，編譯出新的Linux內核。
??? (3)調試新的Linux內核。將編譯后生成的新Linux內核加載到目標計算機上進行運行和調試，這個調試的過程就是交叉調試。
??? 調試器是一個單獨運行著的進程，它通過操作系統(tǒng)提供的調試接口來控制被調試的進程。在Linux內核移植過程中，調試時采用的是在宿主機和目標機之間進行的交叉調試。交叉調試有多種方法，它有一些典型特點：
??? ◇調試器和被調試進程通常運行在不同的機器上(注：Linux內核作為操作系統(tǒng)內核，不同于普通進程，但在交叉調試中作為被調試對象，與普通進程沒有區(qū)別)，一般調試器運行在PC或者工作站主機(宿主機)上，而被調試的進程則運行在各種專業(yè)調試板(目標機)上。調試器通過某種通信方式與被調試進程建立聯系，如串口、并口、網絡、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試代理，它負責與調試器共同配合完成對目標機上運行著的進程的調試。這種調試代理可能是某些支持調試功能的硬件設備(如 DBI2000)，也可能是某些專門的調試軟件(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。調試時，作為調試器的GDB運行在宿主機上，相應的GDB—Stub運行在目標機上。GDB通過串口或者網絡與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內核，讀取Linux內核的當前狀態(tài)，并能夠改變Linux內核的運行狀態(tài)。
??? 經過多次移植測試后，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。