1.引言
目前,，在嵌入式系統(tǒng)里基于ARM微核的嵌入式處理器以其功耗低,，功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為市場的主流。與此同時,，在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)展起來的Linux操作系統(tǒng)，以其功能強(qiáng)大,，開放源代碼,，支持硬件種類眾多的特點(diǎn),，越來越受到人們的青睞。然而如何把Linux操作系統(tǒng)移植到ARM平臺上卻成了一個重點(diǎn),，也是一個難點(diǎn)問題,。
嵌入式Linux系統(tǒng)包括引導(dǎo)程序(Bootloader),內(nèi)核(kernel)和根文件系統(tǒng)三個部分,其開發(fā)流程如圖1所示:嵌入式Linux 移植到特定的硬件平臺上,一般需要以下五個步驟:(1)前期準(zhǔn)備包括從網(wǎng)站http://kernel.org上下載嵌入式Linux的源碼包, 搭建交叉編譯開發(fā)環(huán)境,配置主機(jī)的開發(fā)環(huán)境等(2)配置Bootloader,并將其燒寫到目標(biāo)平臺的Flash上,使其能正常的啟動內(nèi)核；(3)配置和編譯Linux內(nèi)核,，首先要對源碼進(jìn)行一定的修改, 并將其移植到目標(biāo)平臺上,然后再根據(jù)自己的硬件資源進(jìn)行裁減,使內(nèi)核達(dá)到最優(yōu),；(4)制作RAMDISK來掛接Linux的根文件系統(tǒng),并在 RAMDISK上添加自己的應(yīng)用程序；(5)部署Linux系統(tǒng)使目標(biāo)板脫離交叉開發(fā)環(huán)境,直接在目標(biāo)機(jī)上本地啟動運(yùn)行,。本文就將根據(jù)實(shí)際項目開發(fā)中一個 ARM構(gòu)架的嵌入式系統(tǒng)為例,，闡述如何移植Linux到AT91RM9200的ARM平臺上。
2.建立交叉編譯環(huán)境
一般而言,，直接在移植的目標(biāo)硬件平臺上編寫和調(diào)試Linux比較困難,，目前一般采用的辦法是首先在通用計算機(jī)上編寫程序，然后通過交叉編譯生成目標(biāo)平臺上可以運(yùn)行的二進(jìn)制代碼格式,，最后再下載到目標(biāo)平臺上的特定位置上運(yùn)行,。
移植前需要在宿主機(jī)上建立如圖2所示的ARM的交叉編譯環(huán)境,建立ARM的交叉編譯環(huán)境主要用到的開發(fā)工具有: binutils、gcc,、glibc,，其中 binutils是二進(jìn)制文件的處理工具； gcc是編譯工具, 用來編譯內(nèi)核代碼的工具,； glibc 是鏈接和運(yùn)行庫,。社區(qū)的開發(fā)者和一些芯片廠商已經(jīng)編譯出了常用體系結(jié)構(gòu)的工具鏈，使用這些工具鏈,，可以大大減少工作量,。交叉編譯工具的安裝步驟如下: (1)從官方站點(diǎn)http://arm.Linux.org.uk下載cross-2.95.3.tar.bz2；
(2)在usr/local/arm下解壓:#tar -jxvf cross-2.95.3.tar.bz2;
(3)在/etc/bashrc文件中修改PATH環(huán)境變量,，加入export PATH=/usr/local/arm/2.95.3/bin:$PATH,。
3. ARM Linux系統(tǒng)的開發(fā)
3.1 Linux啟動代碼Bootloader的移植
Bootloader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。這段程序完成硬件的初始化和建立內(nèi)存空間的映射圖等重要工作,，為內(nèi)核的啟動創(chuàng)建正確的環(huán)境,，并最終啟動內(nèi)核，Bootloader在Linux嵌入式系統(tǒng)中所處的層次位置如圖3所示,。Bootloader的實(shí)現(xiàn)依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu),，大多數(shù)的Bootloader都分為stage 1和stage 2兩大部分，圖4為兩階段Bootloader的結(jié)構(gòu)框圖,。依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的代碼,，如設(shè)備初始化代碼等，通常都放在stage 1,，而且用匯編語言實(shí)現(xiàn),。而stage 2則通常用C語言實(shí)現(xiàn),，這樣可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能，而且有更好的可讀性和移植性,。
目前基于嵌入式系統(tǒng)的Bootloader版本很多,，如Blob、Redboot,、Vivi和U-Boot等,，下面就以現(xiàn)在最流行的U-Boot為例，詳細(xì)介紹如何將它移植到自己的目標(biāo)板上,。U-boot移植主要步驟如下：
首先基于自己的目標(biāo)板的硬件資源,，修改或添加U-Boot源代碼的board/at91rm9200目錄中如下源碼文件：(1)重寫FLASH的設(shè)備控制程序flash.c , U-Boot讀、寫和刪除Flash設(shè)備的源代碼文件,。由于在不同目標(biāo)板中FLASH存儲器種類各不相同,，參照自己flash的datasheet重寫 flash的設(shè)備控制程序flash.c，該程序完成的功能包括Flash初始化,、打印Flash信息,、Flash擦除和Flash寫入等操作。(2)添加memsetup.s,。該匯編源碼文件初始化時鐘,、SMC控制器和SDRAM控制器。(3)添加網(wǎng)卡芯片DM9161E的設(shè)備控制程序dm9161.c 和dm9161.h,程序,。(4)修改Makefile文件,。對上述修改或添加的源代碼文件編譯后，在Makefile里面主要做如下修改: OBJS :=at91rm9200dk.c at45.o dm9161.o flash.o SOBJS:=memsetup.o(5) U-Boot.lds ,設(shè)置U-boot中各個目標(biāo)文件的連接地址,，基本不做修改,。(6)config.mk。根據(jù)目標(biāo)板的一級boot來修改,，修改后TEXT BASE=0x21f00000,。
其次，修改目錄include/configs的頭文件at91rm9200dk.h,，根據(jù)目標(biāo)板的資源配置,，修改內(nèi)容包括CPU ,系統(tǒng)時鐘、RAM ,、Flash等配里信息以及內(nèi)存映射相關(guān)參數(shù),。該頭文件還定義了U-Boot的一些環(huán)境變量和內(nèi)核啟動參數(shù).可在U-Boot啟動后通過setenv和 saveenv命令修改。U-Boot-1.1.2版本對at91rm9200處理器提供良好的支持,，因此對于目錄CPU at91rm9200中的源碼基本不做修改,。在U-Boot-1.1.2的Makefile中加入如下代碼：
at91rm9200dk_config: unconfig@/mkconfig $(@: _config=) arm at91rm9200 at91rm9200dk
其中“arm”是CPU的種類，at91rm9200是ARM CPU對應(yīng)的代碼目錄,，at91rm9200dk是目標(biāo)板對應(yīng)的目錄,。由于交叉編譯器安裝在目錄/usr/local/arm,，應(yīng)把環(huán)境變量 CROSS_COMPILE設(shè)置成相應(yīng)路徑：CROSS_COMPILE=/usr/local/arm/2.95.3 /bin/arm-linux-
最后，調(diào)試U-Boot源代碼,，直到U-Boot在開發(fā)板上能正常啟動，調(diào)試成功后,，燒寫U-Boot到FLASH,，燒寫完成后，復(fù)位目標(biāo)板,，串口終端就顯示U-Boot的啟動信息,。
3.2 Linux內(nèi)核的移植、配置和編譯
標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核相對于資源受限的嵌入式系統(tǒng)來說是過于龐大,，整個代碼分布如圖5所示,，因此要將其移植到嵌入式系統(tǒng)上，就需要將Linux內(nèi)核根據(jù)目標(biāo)平臺的情況進(jìn)行剪裁,、配置,該目標(biāo)板的主要硬件資源如圖6所示,。和ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼都放在arch/arm/以及include/asm-arm/目錄下，將linux移植到ARM平臺上,，主要修改這兩個目錄下的代碼,。要想使linux內(nèi)核應(yīng)用于自己的ARM平臺AT91RM9200上，必須對內(nèi)核的源代碼做一定的修改,主要修改部分如下：(1) 修改根目錄下的Makefile文件,，確認(rèn)ARCH和CROSS_COMPILE的定義：ARCH :=arm,； CROSS_COMPILE :=arm-linux- (2)修改arch目錄下的Makefile文件,根據(jù)自己的電路設(shè)置TEXTADDR變量，TEXTADDR決定內(nèi)核起始運(yùn)行地址,，即 image.ram應(yīng)下載的地址,。(3)修改arch目錄下的config.in 文件，添加CONFIG_ARCH_AT91RM9200自選項,，config文件決定了menuconfig菜單的內(nèi)容,，把使用的平臺加在需要的地方，這樣在配置linux內(nèi)核時就能夠選擇是否支你的平臺了,。
(4)修改arch/arm/boot目錄下的Makefile文件,根據(jù)自己的電路設(shè)置ZTEXTADDR和ZRELADDR, ZTEXTADDR和ZRELADDR分別是自解壓代碼的起始地址和內(nèi)核解壓后代碼輸出起始地址,。(5)修改arch/arm/boot /compressed目錄下的Makefile文件,加入head-at91rm9200.S (6)修改arch/arm/kernel目錄下的Makefile文件，增加AT91RM9200的支持,，同時在 debug-armv.S中加入關(guān)閉全部外圍設(shè)備,，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的代碼，在entry-armv.S中加入關(guān)于CPU中斷處理部分的代碼,。(7)修改 arch/arm目錄下的mm-armv.c文件,，將init_maps->bufferable=0改為init_maps-> bufferable=1；
當(dāng)然,，一些大的芯片開發(fā)商在發(fā)行芯片的同時,，針對自己芯片的體系結(jié)構(gòu)對linux內(nèi)核作了一些補(bǔ)丁,。實(shí)驗(yàn)中使用的是針對AT91RM9200體系結(jié)構(gòu)的補(bǔ)丁patch-2.4.19-rmk7給標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核源代碼打上補(bǔ)丁后，該內(nèi)核就可應(yīng)用于AT91RM9200了,，這樣可以大大減少開發(fā)的工作量,。
移植之后要做的工作就是編譯內(nèi)核，要想編譯適合自己工程中需要的內(nèi)核,，首先要對內(nèi)核進(jìn)行配置,，常用的配置命令有：make config；make oldconfig,；make menuconfig,；make xconfig；make defconfig,；Linux內(nèi)核包允許用戶對其各類功能逐項配置,在配置時, 大部分選項可以使用其缺省值, 只有小部分需要根據(jù)用戶不同需要選擇,。選擇的原則是將與內(nèi)核其它部分關(guān)系較遠(yuǎn)部分且不經(jīng)常使用的部分功能代碼編譯成為可加載模塊, 有利于減小內(nèi)核的長度, 減小內(nèi)核消耗的內(nèi)存,不需要的功能就不要選, 與內(nèi)核緊密且經(jīng)常使用的部分功能代碼直接編譯到內(nèi)核中。主要是進(jìn)行以下幾項配置: (1)選擇處理器類型,；(2)選擇板級支持,；(3)選擇對RAMDISK支持、對設(shè)備驅(qū)動的支持以及對文件系統(tǒng)的支持,。在配置工作完成后, 就可以進(jìn)行內(nèi)核編譯,。
編譯內(nèi)核有壓縮方式和非壓縮兩種方式。非壓縮方式使用make vmlinux來編譯內(nèi)核,，或者直接運(yùn)行make命令,。壓縮方式用make bzImage來編譯內(nèi)核。編譯成功后會在arch/arm/boot目錄中生成內(nèi)核的鏡像,，此鏡像下載到flash中就可以通過bootloader引導(dǎo),。具體的編譯步驟如下：(1) 進(jìn)入打上補(bǔ)丁修改好的內(nèi)核源代碼目錄下，執(zhí)行make mrproper,；make clean這兩條指令,，將源代碼清理干凈(防止以前編譯產(chǎn)生的“垃圾”干擾)。(2)執(zhí)行make at91rm9200dk_config,使源代碼按照AT91RM9200體系結(jié)構(gòu)來配置,。 (3)執(zhí)行make o1dconfig(保存原編譯配置)(4)執(zhí)行make menuconfig進(jìn)入內(nèi)核編譯前配置界面,，進(jìn)行配置。(5)執(zhí)行make dep聲稱編譯要用的依賴文件,。(6)執(zhí)行make zImage生成內(nèi)核鏡像,。
3.3 文件系統(tǒng)的移植
linux采用文件系統(tǒng)組織系統(tǒng)中的文件和設(shè)備，為設(shè)備和用戶程序提供統(tǒng)一接口,。linux要啟動起來還需要有根文件系統(tǒng),。根文件系統(tǒng)的作用是存放各種工具(如Linux命令)、應(yīng)用程序、必需的鏈接庫等等,。通常用busybox來制作根文件系統(tǒng),，在busybox中包含一百多種Linux上標(biāo)準(zhǔn)的工具程序, 而這些工具程序僅需幾百k空間。busybox使用非常方便, 只要建立一個符號連接即可, 用戶可以通過配置Config.h 和Makefile文件來定制busybox,。將busybox復(fù)制到bin目錄中,分別使用ln-s 建立每一個命令的符號連接,。但應(yīng)該注意的是busybox需要glibc支持(如果使用靜態(tài)連接則不需要glibc 庫文件),因此還需要將運(yùn)行busybox所需的庫文件copy到lib目錄中, 并建立符號連接。到此為止, ARM Linux 的根文件系統(tǒng)就已經(jīng)建立起來了,。
ARM Linux采用RAMDISK的方式來裝載根文件系統(tǒng),，所以在運(yùn)行內(nèi)核之前，需要先制作RAMDISK,將必須的文件和設(shè)備加人到RAMDISK中,。內(nèi)核啟動后，會從指定地址去讀取根文件系統(tǒng),，這里我們使用RAMDISK在內(nèi)存中虛擬一個磁盤,，具體方法如下：
(1)首先創(chuàng)建一個2048k的虛擬磁盤，文件名為initrd.img：# dd if= dev/zero of=initrd.img bs= lk count= 2048 (2)將該虛擬磁盤文件格式化成Ext2格式：# mkfs ext2 -c initrd.img這就生成了一個支持Ext2文件系統(tǒng)的ramdisk (3)mount這個文件系統(tǒng)到/tmp下,，# mount -o loop -t ext2 initrd.img /tmp (4)向/tmp中添加linux啟動必須的文件和設(shè)備,。 # cd /tmp; # mkdir bin dev etc lib mnt proc sbin sys usr 以上這幾個程序和設(shè)備是啟動Linux必須的，這樣得到的ramdisk大約400k (5)創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn),，添加相應(yīng)的程序,，將已經(jīng)訂制好的一個文件系統(tǒng)全部復(fù)制過來。# cp –a myfs/* /tmp (6)壓縮映像,，把loop設(shè)備卸載下來,，然后用gzip命令把映像壓縮一下。# umount /tmp ; #gzip –best –c initrd.img > initrd.img.gz現(xiàn)在我們就得到了一個壓縮的RAMDISK映像initrd.img.gz制作好了,。
4. 內(nèi)核的下載和執(zhí)行
要想使目標(biāo)板的Linux系統(tǒng)脫離交叉開發(fā)環(huán)境,，直接在目標(biāo)機(jī)上本地啟動運(yùn)行，必須通過U-boot將U-boot映像,，內(nèi)核映像和RAMDISK 映像燒寫到FLASH中,，因?yàn)槭褂肬-boot引導(dǎo)程序需要使用U-boot格式的內(nèi)核映像和RAMDISK映像，可以通過以下命令來實(shí)現(xiàn)：
($U-BOOT-PATH)/tools /mkimage -A arm -O linux -T kernel -C gzip –a 0x20008000 -e 0x20008000 –n “linux-2.4.19”-d linux.bin.gz uImage
($U-BOOT-PATH)/tools/mkimage-A arm -O linux -T ramdisk -C gzip –a 0x21100000 -e 0x21100000 –n “RAMDISK”-d ramdisk.bin ramdisk
通過U-boot將uImage和ramdisk燒寫到flash相應(yīng)的分區(qū)中去,，燒寫到flash相應(yīng)分區(qū)的地址如圖7所示：燒寫完畢后設(shè)置u- boot的環(huán)境變量,，讓系統(tǒng)自動啟動，系統(tǒng)復(fù)位后,，Linux系統(tǒng)就可以完全自動從本地flash啟動了,，啟動后，進(jìn)行地址映射,，u-boot會把u- boot壓縮映像,，kernel壓縮映像，ramdisk壓縮映像全部拷貝到SDRAM的相應(yīng)地址，SDRAM的映射地址如圖8所示,，這時Linux系統(tǒng)完全在SDRAM中運(yùn)行了,，Linux系統(tǒng)真正啟動起來了。
5. 總結(jié)
本文根據(jù)一個特定的目標(biāo)平臺,，結(jié)合AT91RM9200的開發(fā)經(jīng)驗(yàn),，詳細(xì)介紹了將Linux移植到ARM構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)上的主要技術(shù)和整個流程，實(shí)現(xiàn)了Linux 向目標(biāo)系統(tǒng)AT91RM9200的移植,，移植后的操作系統(tǒng)在目標(biāo)板上運(yùn)行穩(wěn)定,，并且可以根據(jù)實(shí)際需要編寫相應(yīng)的控制程序，將其應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)控制中,。掌握這些技術(shù),，對于開發(fā)嵌入式系統(tǒng)十分重要，對開發(fā)其他類型的嵌入式系統(tǒng)同樣具有參考意義,。
本論文作者創(chuàng)新點(diǎn)：從軟件與硬件的相互關(guān)系, 硬件對軟件的制約,、硬件對軟件的支持這個角度對裁減和移植進(jìn)行了分析，同時在Bootloader(啟動代碼)的移植,，Kernel(內(nèi)核)的裁減和移植過程中,，把代碼分成了兩部分，一部分是和硬件相關(guān)的部分,，一部分是和硬件無關(guān)的部分,，這樣做不僅思路清晰，而且可以大大減少工作量,。
參考文獻(xiàn):
[1] 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
[2] 劉振綱,劉成安,盧劍翔. 移植標(biāo)準(zhǔn)Linux 到S3C2410[J] 微計算機(jī)信息.2006,，32：152-154
[3] 羅致,王仲東. ARM Linux在AT91RM9200平臺上的移植.軟件技術(shù)，2006年第25卷第1期
[4] 李明,ARM Linux的移植過程及分析[J ].電子設(shè)計應(yīng)用, 2003,，7
[5] 劉崢嶸等編著,，嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)詳解[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004. 7