摘 要： 首先介紹了嵌入式系統(tǒng)的概念，及相關硬件平臺和軟件版本。然后，主要介紹了嵌入式Linux的引導程序U-Boot的移植，以及開源、免費操作系統(tǒng)Linux2.6.32.2的移植。最后，構建了基于Nand Flash存儲器的Yaffs2文件系統(tǒng)，利用BusyBox創(chuàng)建根文件系統(tǒng)?；?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/ARM" title="ARM" target="_blank">ARM和嵌入式Linux的嵌入式系統(tǒng)平臺搭建基本完成，可以在此平臺上添加更多驅動，以便更好地開發(fā)應用程序。
關鍵詞： 嵌入式；Linux；U-Boot；移植
進入后PC時代以來，伴隨著設計和制造技術的發(fā)展，集成電路從當初的晶體管集成發(fā)展到現在的IP集成，即SoC（System on Chip）設計技術。促使嵌入式系統(tǒng)滲透到了當今社會中的各個行業(yè)，并且發(fā)揮越來越重要的作用。嵌入式系統(tǒng)一般可定義為以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟硬件可裁剪、適用于應用系統(tǒng)且對功能、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)，它的主要特點是嵌入、應用[1]。
隨著各種嵌入式設備功能越來越強大，在設備中使用嵌入式操作系統(tǒng)也成為必然。Linux操作系統(tǒng)具有開放源代碼、易于移植、資源豐富、免費等特點，在嵌入式領域的地位越來越重要。嵌入式Linux和PC上的Linux是同一套內核代碼，只是裁剪的程度不一樣，所以，很多在PC上開發(fā)的軟件，經過交叉編譯后可以直接在嵌入式設備上運行。本文主要涉及到Bootloader移植和Linux-2.6.32.2內核的移植、根文件系統(tǒng)移植、在S3C2440平臺上構建完整的嵌入式開發(fā)平臺三個方面。
1 交叉開發(fā)環(huán)境的建立
在進行嵌入式軟件開發(fā)之前，必須要在PC上建立ARM的交叉編譯環(huán)境。交叉編譯就是在PC平臺上生成可以在ARM平臺上運行的代碼。其中主要包括ARM的交叉編譯器arm-elf-gcc和交叉連接器arm-elf-ld。本文采用的交叉編譯器的版本是gcc-3.4.5-glibc-2.3.6[2]。交叉編譯流程如圖1所示。
2 BootLoader引導加載程序
BootLoader是一段在系統(tǒng)上電時開始執(zhí)行的程序，用以初始化硬件設備，準備好軟件環(huán)境，設置好啟動參數，最后引導操作系統(tǒng)，與PC上的BIOS程序相似。當前開放源碼的Linux引導程序主要有x86架構的LILO、GRUB，對于ARM架構的主要有Vivi和U-Boot。本文使用U-Boot作為引導程序。U-Boot(Universal Boot Loader)，即通用的BootLoader，遵循GPL條款開放源代碼。U-Boot相對于Vivi功能更加強大，也更方便后續(xù)程序的調試。
BootLoader的啟動一般分為兩個階段，第一階段的代碼主要是用匯編語言編寫，主要的功能是完成硬件設備的初始化，為加載第二階段的代碼準備RAM空間，設置好堆棧；第二階段主要用C語言編寫，檢測內存映射，將內核映像和根文件系統(tǒng)從Nand Flash讀到RAM中，為內核啟動設置參數，引導內核。
U-Boot的源代碼可以從ftp://ftp.denx.de/pub/u-boot/進行下載，本文使用的U-Boot版本是U-Boot2009.08。
移植U-Boot的關鍵步驟如下：
(1)首先，將include/configs目錄下的smdk2410.h復制并改名為mini2440.h，根據U-Boot的說明可以知道，如果要使用開發(fā)板board/<board_name>，則先執(zhí)行“make<board_name>”_config命令進行配置，然后執(zhí)行“make all”，生成可執(zhí)行文件。所以，修改U-Boot頂層的Makefile文件，添加下面一行mini2440_config : unconfig @$(MKCONFIG) $(@:_config=) arm arm920t mini2440 frank s3c24x0。這里有幾個重要的參數，arm指CPU的架構，arm920t指CPU的類型，s3c24x0指CPU的型號。這樣就可以使用make mini2440_config 這條命令進行配置。
(2)本文使用的U-Boot是從Nand Flash啟動的， CPU可以直接訪問Nand Flash中前4 KB代碼，利用這4 KB代碼把U-Boot中絕大部分代碼拷貝到內存中[3]。其中下面的代碼就是調用C語言中的Nand Flash的讀寫函數，該函數主要把Nand Flash中4 KB以后的代碼復制到RAM中。在編寫nand_read_ll的函數時，注意參考Nand Flash的數據手冊，對大頁和小頁的Nand Flash，其讀寫的命令和時序是不同的。
@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
由于在后面加載Linux內核和根文件系統(tǒng)時，使用的是tftp方式，所以必須添加DM9000EP網卡的驅動。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，因為它定義的是網卡的地址，不同的網卡有不同的地址，DM9000EP訪問的基址為0x20000000,之所以再偏移0x300是由它的特性決定的。
(3)要正確引導Linux內核，還需要配置下面幾個重要的宏定義，這幾個宏定義不同，意味著引導Linux內核的方式也不同。
#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分區(qū)所決定的，意味著Nand Flash的第4個分區(qū)為根文件系統(tǒng)。
#define CONFIG_BOOTCOMMAND"nand read 0x32000000 0x60000 0x560000;bootm 0x32000000"
這個宏定義是將Nand Flash中0x60000-0x560000(和kernel分區(qū)一致)的內容讀到內存0x32000000中，然后用bootm命令來執(zhí)行。
要正常地引導Linux內核，必須要具備如下幾個條件[4]：
(1)CPU寄存器
R0=0；
R1=機器類型ID；對于ARM結構的CPU，其機器類型ID在linux/arch/arm/tools/mach-types；
R2=啟動參數標記列表在RAM中起始基地址。
(2)CPU工作模式
必須禁止中斷（IRQs和FIQs）；
CPU必須為SVC模式。
(3)Cach和MMU的設置
MMU必須關閉；
指令Cach可以打開也可以關閉；
數據Cach必須關閉。
3 Linux2.6.32.2內核的移植
3.1 內核的獲取
Linux內核的更新很快，可以從http://www.kernel.org/pub/linux/kernel/得到最新的Linux內核版本，本文使用的Linux內核版本是Linux-2.6.32.2, 交叉編譯工具使用符合EABI標準的arm-linux-gcc-4.3.2。
3.2 內核的移植
可以在內核的根目錄下，運行make menuconfig命令，對內核進行適當的裁剪，以適應硬件平臺。
（1）修改Makefile文件
欲設置Linux的默認平臺為ARM平臺，需進入Linux-2.6.32文件夾中，修改此目錄下的Makefile文件。
export KBUILD_BUILDHOST := $(SUBARCH)
ARCH ?=arm//使用的目標平臺
CROSS_COMPILE ?=arm-linux-//使用的交叉編譯器，
這里使用系統(tǒng)默認的編譯器
（2）關于機器碼
在啟動內核時，根據BootLoader傳入的機器碼（MACH_TYPE）來決定應啟動哪種目標平臺[6]，本開發(fā)平臺的機器碼為1999。機器碼存放在文件opt/kernel/linux-2.6.32.2/arch/arm/tools/mach-types中。
mini2440 MACH_MINI2440 MINI2440 1999//機器碼
如果機器碼不匹配，引導內核不成功，則會出現如下的錯誤提示：
Uncompressing
Linux…………………………………………………………………
…………done, booting the kernel.
（3）修改時鐘源
將/kernel/linux-2.6.32.2/arch/arm/mach-s3c2440/目錄下的mach-smdk2440.c文件改名為mach-mini2440.c。因為mini2440和mach-smdk2440.c極其相似，以該文件為基礎進行修改，在mach-mini2440.c文件中將static void__init smdk2440_map_io(void)函數中的晶振頻率修改為mini2440 開發(fā)板上實際使用的12000000。
（4）為內核打上yaffs2補丁
①Yaffs2文件系統(tǒng)是專門針對嵌入式設備，特別是使用Nand Flash作為存儲器的嵌入式設備而創(chuàng)建的一種文件系統(tǒng)，使用yaffs2就可以支持大頁的Nand Flash。進入 yaffs2 源代碼目錄執(zhí)行如下命令：
#./patch-ker.sh c /opt/FriendlyARM/mini2440/linux-2.6.32.2
②配置內核以支持Yaffs2文件系統(tǒng)
在Linux內核源代碼根目錄運行make xconfig，在“File Systems”選項中，找到“Miscellaneous filesystems”菜單項，找到“YAFFS2 file system support”并選中它，這樣就在內核中添加了yaffs2 文件系統(tǒng)的支持，保存并退出。然后在命令行中，執(zhí)行make zImage。
（5）修改Nand Flash分區(qū)信息
①在mach-mini2440.c文件中添加Nand Flash的分區(qū)信息，下面的代碼將Nand Flash分成了4個分區(qū)，第1分區(qū)也是BootLoader所在的分區(qū)，對應dev/mtdblock0；第2個分區(qū)是U-Boot的參數分區(qū)，對應dev/mtdblock1；第3個分區(qū)是內核分區(qū)，對應dev/mtdblock2；第4個分區(qū)為根文件系統(tǒng)分區(qū)對應dev/mtdblock3。分區(qū)結構圖如表1所示。
其部分實現代碼如下：
static struct mtd_partition mini2440_default_nand_part[] ={
[0] = {
.name="U-boot",
.offset= 0,
.size= 0x00040000,
}
其中 name是分區(qū)的名字，offset是偏移的開始地址，size是分區(qū)的大小，其余部分的分區(qū)與此類似。
②下面代碼是添加Nand Flash的設置表，因為板子上只有一片Nand Flash，因此也就只有一個設置表。
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上面的設置完成后，還需要將Nand Flash 設備注冊到系統(tǒng)中。下面這段代碼就是將Nand Flash設備添加到開發(fā)板的設備列表結構。
static struct platform_device *mini2440_devices[] __initdata = {
&s3c_device_nand,
}
④在mini2440_machine_init函數中添加平臺的數據信息。
static void __init mini2440_machine_init(void){
s3c_device_nand.dev.platform_data=&mini2440_nand_info;
}
現在可以進入kernel/linux-2.6.32.2/arch/arm/boot目錄，然后執(zhí)行下面的命令，就會在該目錄下生成uImage.img格式的、U-Boot可以引導的內核鏡象。
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格式的鏡像文件復制到tftp目錄下，使用tftp進行下載。
3.3 文件系統(tǒng)
所謂根文件系統(tǒng)，就是創(chuàng)建各個目錄，例如在/bin、/sbin/目錄下存放各種可執(zhí)行的程序，在/etc目錄下存放配置文件，在/lib目錄下存放庫文件。
可以利用Busybox工具創(chuàng)建根文件系統(tǒng)，Bosybox 是一個遵循 GPL v2協議的開源項目，它在編寫過程中對文件大小進行優(yōu)化，并考慮了系統(tǒng)資源有限(例如內存)的情況，使用 Busybox可以自動生成根文件系統(tǒng)所需的bin、sbin、usr 目錄和 linuxrc 文件，可以使用make menuconfig對Busybox的選項進行配置。
(1)進入opt/kernel,創(chuàng)建一個shell腳本用于構建根文件系統(tǒng)的各個目錄，并且為其增加執(zhí)行權限；
(2)Linux中的init進程會根據etc/inittab文件創(chuàng)建其他子進程，下面代碼是inittab文件中的內容，說明了系統(tǒng)啟動后首先執(zhí)行的腳本文件是rcS，虛擬的終端是串口0，當按下ctr+alt+del時重啟系統(tǒng)，inittab文件的作用就是控制系統(tǒng)啟動時和啟動后一些程序的運行。
#etc/inittab
::sysinit:/etc/init.d/rcS
s3c2410_serial0::askfirst:-/bin/sh
::ctrlaltdel:/sbin/reboot
::shutdown:/bin/umount -a-r
(3)創(chuàng)建etc/init.d/rcS文件，這是一個腳本文件，可以在里面添加要自動執(zhí)行的一些命令。
#!/bin/sh
PATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin
runlevel=S//運行的級別
prevlevel=N
umask 022//文件夾的掩碼
mount -a//掛載/etc/fstab/文件指定的所有的文件系統(tǒng)
mdev-s
/bin/hostname -F /etc/sysconfig/HOSTNAME//主機的名字
使用yaffs源碼提供的工具制作文件系統(tǒng)的映像文件。由于128 MB的Nand Flash是大頁結構，所以需要使用相應的大頁制作工具；使用命令mkyaffs2image rootfs rootfs.img生成根文件系統(tǒng)映像文件。
本文通過對U-Boot移植和Linux內核移植的討論，給出了移植U-Boot和Linux到大多數開發(fā)板的關鍵部分。由于移植的復雜性，不可能包括全部步驟，但通過本文的闡述可以了解移植的基本流程和關鍵點，為移植不同版本到其他硬件平臺提供了參考，也為應用程序的開發(fā)搭建了一個比較完整的嵌入式平臺。
參考文獻
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[2] 孫瓊．嵌入式Linux應用程序開發(fā)詳解[M]．北京：人民郵電出版社，2006．
[3] Samsung Electronics.S3C2440A 32-bit RISC microprocessor user′s manual[S].2004．
[4] RUSSELL K．ARM Linux kernel Boot requirements[EB/OL]. [2002-03-18]．http://www.arm.linux.org.uk/developer/booting.php.
[5] 陳莉君．深入理解Linux內核[M]．北京：中國電力出版社，2007．
[6] JONATHAN C，ALESSANDRO R，GREG KROAH H．Linux 設備驅動程序[M]．北京：中國電力出版社，2006．