1. 引言

ARM處理器是當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的處理器芯片，它功耗小、成本低、性能優(yōu)越，在消費電子類產(chǎn)品中占據(jù)主導(dǎo)地位。Linux操作系統(tǒng)近年來在嵌入式領(lǐng)域中發(fā)展很快，由于其強(qiáng)大的性能和開源免費的特點，越來越受到嵌入式系統(tǒng)開發(fā)商的青睞，信息家電、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、手持終端等都是嵌入式Linux應(yīng)用的廣大市場。

在嵌入式開發(fā)中，把操作系統(tǒng)移植到開發(fā)板是進(jìn)行嵌入式應(yīng)用開發(fā)的前提和基礎(chǔ)。ARM Linux是針對ARM體系結(jié)構(gòu)的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。本文主要闡述了將ARM Linux系統(tǒng)移植到基于PXA255處理器的開發(fā)板CSB226上的方法和關(guān)鍵技術(shù)。

2. 軟硬件平臺環(huán)境

2.1. 硬件平臺

（1）PXA255處理器

Intel PXA255是基于XScale微架構(gòu)的一款嵌入式應(yīng)用處理器，它在XScale結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上集成了眾多的外設(shè)接口，如：PCMCIA控制器、LCD控制器、多媒體通信口等，是專為高性能、低功耗的便攜式手持設(shè)備而開發(fā)的。CSB226是基于PXA255處理器而設(shè)計的一款開發(fā)板，本文的移植工作就是在此開發(fā)板上進(jìn)行的。CSB226還配置有許多外設(shè)，包括：64MB SDRAM內(nèi)存、32MB Flash、CS8900A以太網(wǎng)控制器、CF接口等。CSB226開發(fā)板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖^[2]如圖1所示。

圖1 CSB226開發(fā)板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

（2）硬件環(huán)境搭建

嵌入式開發(fā)通常采用宿主機(jī)―目標(biāo)機(jī)的主從開發(fā)模式^[3]。宿主機(jī)指開發(fā)主機(jī)，由一臺通用PC機(jī)或工作站構(gòu)成；目標(biāo)機(jī)即指嵌入式設(shè)備，在本文中是CSB226開發(fā)板。硬件的連線圖如圖2所示，開發(fā)板和宿主機(jī)之間通過串口、以太網(wǎng)或JTAG口等進(jìn)行通信，采用“交叉”開發(fā)方式。本文采用硬件仿真工具BDI2000進(jìn)行軟件的調(diào)試，仿真器一端通過JTAG口與目標(biāo)機(jī)相連，另一端用網(wǎng)線與宿主機(jī)相連。

圖2 主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的連線圖

2.2. 軟件環(huán)境

本文開發(fā)主機(jī)采用RedHat9.0操作系統(tǒng)。首先需要對開發(fā)主機(jī)和目標(biāo)機(jī)做一些設(shè)置，然后搭建交叉編譯和調(diào)試環(huán)境，具體步驟如下：

在開發(fā)主機(jī)上需要做以下設(shè)置：（1）啟動NFS服務(wù)，為目標(biāo)機(jī)使用NFS文件系統(tǒng)做準(zhǔn)備；（2）安裝TFTP服務(wù)器，為目標(biāo)機(jī)從主機(jī)上下載文件提供服務(wù)；（3）啟動Telnet服務(wù)；（4）安裝Minicom工具，它是Linux環(huán)境下的超級終端工具，用它與目標(biāo)機(jī)進(jìn)行串口通信。另外，目標(biāo)機(jī)上需要設(shè)置IP地址，與開發(fā)主機(jī)設(shè)置在同一網(wǎng)段。

對于交叉編譯環(huán)境，使用最廣泛的ARM Linux交叉工具鏈為arm-linux-toolchain，由bin、include、lib三部分組成。調(diào)試環(huán)境的搭建使用GNU/GDB調(diào)試工具，安裝后生成ARM平臺的交叉調(diào)試工具arm-linux-gdb。

3. 基于PXA255的ARM Linux移植關(guān)鍵技術(shù)

3.1. 內(nèi)核定制

Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)是嵌入式Linux的兩個核心部分。首先進(jìn)行內(nèi)核的編譯，在開發(fā)主機(jī)上配置編譯ARM Linux內(nèi)核，生成一個針對CSB226平臺的Linux內(nèi)核映像zImage。

本文使用2.4.19版本的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核，編譯內(nèi)核的步驟如下：（1）準(zhǔn)備Linux內(nèi)核源代碼linux-2.4.19.tar和平臺相關(guān)的系列補(bǔ)丁：patch-2.4.19-rmk7.gz、diff-2.4.19-rmk7-pxa2.gz、linux-2.4.19-rmk7-pxa2-ptx14.diff。（2）解壓源碼包并按順序打上幾個補(bǔ)丁，再對內(nèi)核源碼的配置文件作適當(dāng)?shù)男薷模缓笥胢ake dep，make zImage命令進(jìn)行編譯，如果編譯成功會在Linux源碼arch/arm/boot目錄下生成內(nèi)核映像文件zImage。

在內(nèi)核成功編譯之前，關(guān)鍵是對內(nèi)核源碼做適當(dāng)?shù)男薷?，以適應(yīng)特定的開發(fā)平臺。本文中對源碼的修改有如下幾點：（1）將Makefile文件中的編譯器改為交叉編譯器arm-linux-gcc，體系結(jié)構(gòu)改為ARM。（2）本文中使用NFS方式掛載文件系統(tǒng)，因此，需要在CSB226的默認(rèn)配制文件linux/arch/arm/def-configs/csb226中設(shè)置配置命令行的屬性：CONFIG_CMDLINE ="root=/dev/nfs rw nfsroot=10.0.0.1:/home/busybox ip=10.0.0.2 mem=64M console=tty0 console=ttyS0,38400"，其中“root=/dev/nfs”指定設(shè)備文件，“10.0.0.1:/home/busybox”是文件系統(tǒng)所在開發(fā)主機(jī)的IP地址和目錄位置，10.0.0.2是目標(biāo)機(jī)的IP地址。主機(jī)端和目標(biāo)機(jī)的串口通信波特率要一致，本項目中是38400。（3）在源碼linux/arch/arm/tools/目錄下的mach-types文件中添加CSB226的宏定義和機(jī)器號，CSB226的機(jī)器號是216，這個整數(shù)是唯一的，在啟動初始化的時候會把它賦給微處理器的R1寄存器。（4）用make menuconfig命令對默認(rèn)配置做一些調(diào)整，比如添加外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和文件格式等選項。

成功生成映像文件zImage后，就可以下載到目標(biāo)機(jī)運行了，但只有這個內(nèi)核還無法與系統(tǒng)交互，還需要一個文件系統(tǒng)。

3.2. 文件系統(tǒng)

（1）嵌入式文件系統(tǒng)制作

本文采用Busybox工具包組建嵌入式文件系統(tǒng)。直接配置編譯Busybox就可以創(chuàng)建/bin、/sbin、/usr等目錄，其中包含了大部分常用的命令，但Busybox并不提供與登錄相關(guān)的命令如：login、getty、passwd等，這需要用Tinylogin軟件包生成。/lib目錄的動態(tài)庫文件可以用Glibc生成。/dev目錄下是系統(tǒng)所用的設(shè)備節(jié)點，只需要根據(jù)當(dāng)前平臺對外設(shè)的支持情況逐個地添加即可。/etc目錄是系統(tǒng)配置文件和子目錄，比如啟動配置、網(wǎng)絡(luò)配置等，需要針對特定應(yīng)用啟動相應(yīng)的服務(wù)和進(jìn)程。

（2）文件系統(tǒng)的掛載

創(chuàng)建好文件系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu)后，還需要將目錄制作成某種格式的文件系統(tǒng)，掛載到Linux內(nèi)核下使用。常用的掛載方式有Ramdisk、JFFS2、NFS，其中NFS（Network File System）是網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，它的優(yōu)點是可以從主機(jī)上直接修改文件系統(tǒng)，方便開發(fā)。本文使用NFS的掛載方式，將根文件系統(tǒng)是放在開發(fā)主機(jī)上，開發(fā)主機(jī)提供網(wǎng)絡(luò)共享服務(wù)，目標(biāo)機(jī)在啟動時通過NFS方式掛載根文件系統(tǒng)。

3.3. 設(shè)備驅(qū)動移植

將Linux內(nèi)核移植到CSB226開發(fā)板上后，還需要移植常用外設(shè)的驅(qū)動程序，如：LCD液晶屏、鼠標(biāo)、鍵盤、CF卡等。下面重點闡述LCD液晶屏和CF卡的移植過程。

（1）LCD液晶屏的驅(qū)動移植

Linux中的Framebuffer幀緩沖驅(qū)動分為三層^[4]，中間層及上層是設(shè)備無關(guān)的軟件層，底層是與硬件相關(guān)的幀緩沖驅(qū)動，因此，LCD驅(qū)動移植主要是驅(qū)動幀緩沖硬件設(shè)備，在本文中對應(yīng)于CSB226平臺上的LCD控制器和其外接的TFT LCD顯示器。

基于PXA255微處理器的不同平臺的差異主要在于外接的LCD顯示屏硬件的差異，因此對于不同平臺的幀緩沖驅(qū)動程序的差別主要是在LCD控制寄存器中顯示屏規(guī)格參數(shù)的設(shè)置上有不同。LCD寄存器中的初始規(guī)格參數(shù)是在頭文件drivers/video/pxafb.h的宏定義中設(shè)置的，因此對于不同的硬件平臺只要更改硬件的規(guī)格參數(shù)即可。這些參數(shù)是在初始化函數(shù)pxafb_init()中進(jìn)行配置的。

（2）CF卡的驅(qū)動移植

CF（Compact Flash）接口是一種標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展接口，主要用于擴(kuò)展存儲空間，如本文使用的128M CF存儲卡，也可以外接其他設(shè)備，如CF接口的modem、無線網(wǎng)卡等。

在Linux系統(tǒng)下，由于CF卡與PCMCIA設(shè)備控制器兼容，通常把CF卡當(dāng)作PC Card設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動和管理。PCMCIA的插槽驅(qū)動和PC卡驅(qū)動與硬件直接相關(guān)，是驅(qū)動移植中需要重新實現(xiàn)的部分。CF存儲卡的驅(qū)動可以直接使用標(biāo)準(zhǔn)的ATA/IDE設(shè)備驅(qū)動ide-cs模塊，因此在CSB226平臺上驅(qū)動CF存儲卡，只需要編寫PCMCIA控制器的驅(qū)動。

PXA225片上的PCMCIA控制器驅(qū)動的初始化函數(shù)為pxa_pcmcia_driver_init()，它調(diào)用底層PCMCIA接口函數(shù)初始化具體平臺上的插槽接口設(shè)備。這些底層函數(shù)是板級驅(qū)動與插槽驅(qū)動之間的標(biāo)準(zhǔn)接口，定義在結(jié)構(gòu)體struct pcmcia_low_level中。CF卡驅(qū)動移植的主要工作就是實現(xiàn)pcmcia_low_level結(jié)構(gòu)體中底層平臺相關(guān)的5個接口函數(shù)。pcmcia_low_level數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

struct pcmcia_low_level {

int (*init)(struct pcmcia_init *);

int (*shutdown)(void);

int (*socket_state)(struct pcmcia_state_array *);

int (*get_irq_info)(struct pcmcia_irq_info *);

int (*configure_socket)(unsigned int, socket_state_t *);

};

l init函數(shù)，主要完成三個工作：執(zhí)行平臺相關(guān)的初始化任務(wù)；設(shè)置所需要中斷信號的方向和邊緣觸發(fā)方式；注冊設(shè)備發(fā)現(xiàn)中斷與對應(yīng)的中斷處理函數(shù)。

l shutdown函數(shù)，在卸載驅(qū)動時使用，用來釋放所申請的資源。

l socket_state函數(shù)，設(shè)置插槽的初始化狀態(tài)信息，完成對輸入?yún)?shù)所包含的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct pcmcia_state賦值，需要根據(jù)實際插槽的狀態(tài)信息正確設(shè)置此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

l get_irq_info函數(shù)，用來獲得每個插槽接口設(shè)備上的Ready中斷信號。

l configure_socket函數(shù)，由上層驅(qū)動調(diào)用，用來動態(tài)改變插槽的狀態(tài)，比如工作電壓VCC、可編程電壓VPP等。

將PCMCIA驅(qū)動程序成功編譯進(jìn)內(nèi)核后，還需要使用卡管理工具cardmgr監(jiān)測CF卡設(shè)備，當(dāng)CF存儲卡插入到CSB226開發(fā)板的插槽時，cardmgr會發(fā)現(xiàn)該設(shè)備并完成設(shè)備的加載。

4. 應(yīng)用實例

在CSB226開發(fā)板上成功移植了ARM Linux后，可以進(jìn)行多種應(yīng)用開發(fā)，如：電子地圖查詢系統(tǒng)，娛樂游戲機(jī)等。本文在CSB226開發(fā)板上插入一塊基于Prism2芯片組的CF接口的無線網(wǎng)卡，由于已經(jīng)成功驅(qū)動了CF接口，所以只需要將無線接入點程序Host AP編譯到ARM Linux內(nèi)核中，再使用網(wǎng)橋工具將CSB226開發(fā)板自身的10MBit以太網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)橋接起來，這個開發(fā)板就可以作為一臺無線接入點工作了。

5. 結(jié)論

Linux操作系統(tǒng)在嵌入式設(shè)備中應(yīng)用越來越廣泛。本文針對基于PXA255處理器的開發(fā)板進(jìn)行了系統(tǒng)移植，闡述了移植中的關(guān)鍵技術(shù)，如：內(nèi)核的修改、文件系統(tǒng)建立、設(shè)備驅(qū)動的移植，最后在開發(fā)板上實現(xiàn)了無線接入點。本文的移植過程對于其他類型微處理器上Linux的移植也具有參考價值。

本文作者創(chuàng)新點：基于CSB226開發(fā)板進(jìn)行了ARM Linux操作系統(tǒng)的移植，對LCD和CF卡設(shè)備驅(qū)動的平臺相關(guān)部分進(jìn)行了重寫。最后在開發(fā)板上實現(xiàn)了無線接入點的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 毛德操, 胡希明. 嵌入式系統(tǒng)采用公開源代碼和StrongARM/XScale處理器[M]. 杭州: 浙江大學(xué)出版社, 2003. p. 61-63.
[2] CSB226 Block Diagram. http://www.cogcomp.com/datasheets/Visio-CSB226_disti. pdf, 2004.
[3] 許先斌, 熊慧君, 李淵, 楊芬. 基于ARM9的嵌入式Linux開發(fā)流程的研究[J]. 微計算機(jī)信息. 2006,11:87-90.
[4] JonathanCorbet, GregKroah-Hartman, AlessandroRubini. Linux Device Driver[M]. 第三版.O'Reilly Media,Inc. 2005.