基于μClinux的嵌入式應(yīng)用程序的開發(fā)

嵌入式系統(tǒng)范同非常廣泛，從簡單的單片機(jī)系統(tǒng)到主頻高達(dá)幾百兆的使用操作系統(tǒng)的非計算機(jī)系統(tǒng)，都可以稱為嵌入式系統(tǒng)。隨著各行業(yè)電子系統(tǒng)應(yīng)用要求的提高，嵌入式系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，硬件要求速度快、集成度高、外部接口多，軟件則要求功能豐富、模塊化、易于擴(kuò)展。ARM能夠很好滿足復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的要求，因此ARM芯片成為當(dāng)前嵌入式應(yīng)用最重要的硬件平臺。嵌入式硬件平臺性能的提高，使嵌入式操作系統(tǒng)的使用成為必然。

1 嵌入式系統(tǒng)與μClinux

基于ARM的嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)前最典型的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)的硬件主要部件是ARM7系列的S3C44B0X處理器。當(dāng)系統(tǒng)中需要使用各種各樣的外圍設(shè)備時，開發(fā)的難度相當(dāng)大，使用操作系統(tǒng)可以提高升發(fā)的效率。因此，嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)極為重要的組成部分。它具有通用操作系統(tǒng)的基小特點(diǎn)，而又增加了實(shí)時高效性、硬件依賴性、應(yīng)用專一性等新特點(diǎn)。常見的嵌入式操作系統(tǒng)有：VxWorks、uC／OS-II、Windows CE、μClinux等。μClinux操作系統(tǒng)是一種性能優(yōu)良、源碼公開且被廣泛應(yīng)用的免費(fèi)嵌入式操作系統(tǒng)，因此很多無MMU單元的嵌入式系統(tǒng)都使用μClinux作為操作系統(tǒng)。

 
μClinux是針對控制領(lǐng)域的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，它從Linux 2.0／2.4內(nèi)核派生而來，而又針對沒有MMU的處理器進(jìn)行設(shè)計，因此有著特別小的內(nèi)核和用戶軟件空間，而且所有程序訪問的地址都是實(shí)際的物理地址。操作系統(tǒng)對內(nèi)存空間沒有保護(hù)，各個進(jìn)程實(shí)際上共享一個運(yùn)行空間。

2 μClinux的移植

μClinux是依賴于硬件系統(tǒng)的，與PC上運(yùn)行的Linux系統(tǒng)有較大的區(qū)別。因此在ARM系統(tǒng)中使用μClinux時，需要對內(nèi)核進(jìn)行裁剪，再添加一些需要的驅(qū)動程序，才能在不同的嵌入式碰件系統(tǒng)中運(yùn)行。μClinux操作系統(tǒng)一般都是先在安裝Linux的計算機(jī)上編譯調(diào)試，然后再下載到目標(biāo)系統(tǒng)板上運(yùn)行，這一過程就是μClinux的移植。

2.1 Bootloader的設(shè)計

Bootloader就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段程序。嵌入式系統(tǒng)的Bootloader程序燒錄在系統(tǒng)地址的0x0處，即每次上電后先運(yùn)行Bootloader，完成硬件系統(tǒng)的初始化、建立內(nèi)存空間的映射圖和μClinux的引導(dǎo)工作。完整的Bootloader引導(dǎo)流程描述如圖2所示。

由上圖可以看出，Bootloader的主要任務(wù)對時鐘、中斷、I／O等芯片資源進(jìn)行初始化，為μClinux的運(yùn)行做好準(zhǔn)備。

2.2 μClinux移植的方法

2.2.1 建立交叉編譯環(huán)境

首先從網(wǎng)上下載GNU開發(fā)軟件包arm-elf-tools-20030312.sh，然后到源碼目錄下執(zhí)行sh arm-elf-tools-20030312.sh，這樣在PC上建立了ARM體系結(jié)構(gòu)的編譯器、連接器、調(diào)試器，可以用來編譯OS內(nèi)核，制作文件系統(tǒng)等。

2.2.2 在Windows下安裝ADS工具

ADS是ARM公司推出的新一代ARM集成開發(fā)工具。在硬件開發(fā)板完成后，可用ADS各硬件模塊進(jìn)行測試。

 
2.2.3 編譯μClinux

把代碼解壓縮到工作目錄下，運(yùn)行tar xjvfμClinux-dist-51EDA.tar.bz2， 它會把全部的文件解壓縮到home／μClinux-dist的目錄下。然后進(jìn)入目錄運(yùn)行menuconfig，對μClinux進(jìn)行配置，訂制自己的系統(tǒng)。

注意對于編譯uClinux，不能簡單地通過make來實(shí)現(xiàn)。為了編譯最后得到的鏡像文件，我們需要linux的內(nèi)核以及romfs。對于我們的S3C44B0X的移植來說，romfs是被編譯到內(nèi)核里面去的。因此，在編譯內(nèi)核前需要一個romfs。為了得到romfs的image，我們又需要編譯用戶的應(yīng)用程序。而為了編譯用戶的應(yīng)用程序，我們又需要編譯C運(yùn)行庫，這里我們用的C運(yùn)行庫是uClibc。根據(jù)上面的分析，我們使用以下步驟編譯μClinux。

(1) make dep：建立文件之間的依賴關(guān)系，make會根據(jù)這個依賴關(guān)系來確定哪些義件需要重新編譯、哪些文件可以跳過。

(2) make lib only：編譯uClibc。

(3) make user only：編譯用戶的應(yīng)用程序，包括初始化進(jìn)程init，和用戶交互的bash。

(4) make romfs：它會在μClinux的目錄下生成一個romfs目錄并且把user目錄下的文件、以及vendors目錄下特定系統(tǒng)所需要的文件組織起來，以便下面生成romfs的單個鏡像所用。

(5) make image：是生成romfs的鏡像文件和生成Linux的鏡像。

(6) make linux：用上面make image生成的romfs.o文件編譯Linux內(nèi)核。

(7) make image：執(zhí)行了這一步之后，就會在images目錄下找到3個文件：image.ram，image.rom，romfs.img。其中，image.ram和image.rom就是我們需要的鏡像文件。

2.2.4 加載μClinux內(nèi)核

μClinux內(nèi)核可以加載到Flash運(yùn)行，也可以加載到RAM中運(yùn)行。image.ram是直接下載到RAM執(zhí)行的文件，加載到SDRAM后，修改PC指針寄存器的值指向image.ram的下載地址就可以執(zhí)行。對于image.rom，它是一個zlmage文件，也就是自解壓的內(nèi)核。由于它使用了gzip將內(nèi)核壓縮過，所以可以減小文件的大小。這個image應(yīng)該燒寫到FLASH，向不能直接下載到RAM并執(zhí)行。

3 μClinux應(yīng)用程序的開發(fā)

要開發(fā)基于μClinux的應(yīng)用程序，首先需要在PC上建立交叉編譯環(huán)境，編寫、調(diào)試應(yīng)用程序，測試通過后，再重新編譯μClinux內(nèi)核映像，下載到目標(biāo)板運(yùn)行測試。具體步驟如下(在PC的Linux環(huán)境下進(jìn)行)。

(1) 在μClinux的user目錄下創(chuàng)建新目錄user／sample，用來存放應(yīng)用程序源代碼。編寫應(yīng)用程序"MyApp.c"文件。

(2) 編輯文件user／Makefile，在Makefile文件中按照字母順序增加以下內(nèi)容：dir_$(CONFIG_USER_SAMPLE_MYAPP)+=sample。

(3) 編輯文件config／Configure.help，增加下行：CONFIG USER SAMPLE MYAPP

注意：第2行以2個空格開頭，總長度小于70個字符。

(4) 編輯文件config／config.in，在'Games'后添加新的部分：

 

(5) 在user／sample目錄下創(chuàng)建應(yīng)用程序的Makefile文件。
 
 
(6) 重新編譯生成image.rom。注意在運(yùn)行makeconfig或make menuconfig時選擇生成的應(yīng)用程序"MyApp"。Makefile文件中修改如下：
(7) 重新運(yùn)行編譯μClinux內(nèi)核的步驟，把生成的image.ram或image.rom文件燒寫到目標(biāo)板，然后運(yùn)行μClinux，操作系統(tǒng)啟動后，運(yùn)行應(yīng)用程序MyApp，測試應(yīng)用程序的功能實(shí)現(xiàn)。

使用μClinux開發(fā)嵌入式應(yīng)用程序，可以提高嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的效率，而且易于擴(kuò)展和移植，是嵌入式研發(fā)人員很好的選擇。