基于ARM9的嵌入式Linux代碼移植

摘要：介紹了嵌入式Linux移植的方法和過程，給出了嵌入式開發(fā)環(huán)境下基于硬件平臺ARM9的bootloader、Linux內(nèi)核移植的實現(xiàn)方案，該方案可為嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用研究提供操作系統(tǒng)層面的支持。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；ARM；vivi；Linux移植

O 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引導模式下，系統(tǒng)復位后NAND Flash中的前4位內(nèi)容首先被復制到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。
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。