基于ARM和Linux的嵌入式平台的构建

　　摘要： 首先介绍了嵌入式系统的概念， 及相关硬件平台和软件版本。然后， 主要介绍了嵌入式Linux 的引导程序U-Boot 的移植， 以及开源、免费操作系统Linux2.6.32.2 的移植。最后， 构建了基于Nand Flash 存储器的Yaffs2 文件系统，利用BusyBox 创建根文件系统。基于ARM 和嵌入式Linux 的嵌入式系统平台搭建基本完成，可以在此平台上添加更多驱动，以便更好地开发应用程序。

　　进入后PC 时代以来， 伴随着设计和制造技术的发展， 集成电路从当初的晶体管集成发展到现在的IP 集成， 即SoC（System on Chip ） 设计技术。促使嵌入式系统渗透到了当今社会中的各个行业， 并且发挥越来越重要的作用。嵌入式系统一般可定义为以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适用于应用系统且对功能、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统，它的主要特点是嵌入、应用。

　　随着各种嵌入式设备功能越来越强大， 在设备中使用嵌入式操作系统也成为必然。Linux 操作系统具有开放源代码、易于移植、资源丰富、免费等特点， 在嵌入式领域的地位越来越重要。嵌入式Linux 和PC 上的Linux是同一套内核代码， 只是裁剪的程度不一样， 所以， 很多在PC 上开发的软件， 经过交叉编译后可以直接在嵌入式设备上运行。本文主要涉及到Bootloader 移植和Linux-2.6.32.2 内核的移植、根文件系统移植、在S3C2440平台上构建完整的嵌入式开发平台三个方面。

　　1 交叉开发环境的建立

　　在进行嵌入式软件开发之前， 必须要在PC 上建立ARM 的交叉编译环境。交叉编译就是在PC 平台上生成可以在ARM 平台上运行的代码。其中主要包括ARM 的交叉编译器arm-elf-gcc 和交叉连接器arm-elf-ld 。本文采用的交叉编译器的版本是gcc -3.4.5 -glibc -2.3.6 。

　　交叉编译流程如图1 所示。

图1 嵌入式系统交叉编译流程

　　2 BootLoader 引导加载程序

　　BootLoader 是一段在系统上电时开始执行的程序，用以初始化硬件设备， 准备好软件环境， 设置好启动参数， 最后引导操作系统， 与PC 上的BIOS 程序相似。当前开放源码的Linux 引导程序主要有x86 架构的LILO、GRUB， 对于ARM 架构的主要有Vivi 和U-Boot 。本文使用U-Boot 作为引导程序。U-Boot（Universal Boot Loader） ，即通用的BootLoader ， 遵循GPL 条款开放源代码。U-Boot相对于Vivi 功能更加强大， 也更方便后续程序的调试。

　　BootLoader 的启动一般分为两个阶段， 第一阶段的代码主要是用汇编语言编写， 主要的功能是完成硬件设备的初始化， 为加载第二阶段的代码准备RAM 空间， 设置好堆栈； 第二阶段主要用C 语言编写， 检测内存映射， 将内核映像和根文件系统从Nand Flash 读到RAM中， 为内核启动设置参数， 引导内核。

　　移植U-Boot 的关键步骤如下：

　　（1） 首先， 将include/configs 目录下的smdk2410.h 复制并改名为mini2440.h ， 根据U-Boot 的说明可以知道，如果要使用开发板board/<board_name > ， 则先执行“make <board_name > ”_config 命令进行配置， 然后执行“make all ” ， 生成可执行文件。所以， 修改U-Boot 顶层的Makefile 文件， 添加下面一行mini2440_config : unconfig@ $ （MKCONFIG） $ （@:_config = ） arm arm920t mini2440frank s3c24x0 。这里有几个重要的参数，arm 指CPU 的架构，arm920t 指CPU 的类型，s3c24x0 指CPU 的型号。这样就可以使用make mini2440_config 这条命令进行配置。

　　（2）本文使用的U-Boot 是从Nand Flash 启动的， CPU可以直接访问Nand Flash 中前4 KB 代码， 利用这4 KB代码把U-Boot 中绝大部分代码拷贝到内存中[ 3]。其中下面的代码就是调用C 语言中的Nand Flash 的读写函数， 该函数主要把Nand Flash 中4 KB 以后的代码复制到RAM 中。在编写nand_read_ll 的函数时， 注意参考Nand Flash 的数据手册， 对大页和小页的Nand Flash ， 其读写的命令和时序是不同的。

　　@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

　　由于在后面加载Linux 内核和根文件系统时， 使用的是tftp 方式， 所以必须添加DM9000EP 网卡的驱动。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， 因为它定义的是网卡的地址， 不同的网卡有不同的地址，DM9000EP 访问的基址为0x20000000, 之所以再偏移0x300 是由它的特性决定的。

　　（3） 要正确引导Linux 内核， 还需要配置下面几个重要的宏定义， 这几个宏定义不同， 意味着引导Linux 内核的方式也不同。

　　#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 分区所决定的， 意味着Nand Flash 的第4 个分区为根文件系统。

　　#define CONFIG_BOOTCOMMAND"nand read 0x32000000 0x60000 0x560000;bootm 0x32000000"

　　这个宏定义是将Nand Flash 中0x60000 -0x560000（ 和kernel 分区一致） 的内容读到内存0x32000000 中， 然后用bootm 命令来执行。

　　要正常地引导Linux 内核， 必须要具备如下几个条件：

　　（1）CPU 寄存器

　　R0=0 ；

　　R1= 机器类型ID ； 对于ARM 结构的CPU， 其机器类

　　型ID 在linux/arch/arm/tools/mach-types ；

　　R2=启动参数标记列表在RAM 中起始基地址。

　　（2）CPU 工作模式

　　必须禁止中断（IRQs 和FIQs ） ；

　　CPU 必须为SVC 模式。

　　（3）Cach 和MMU 的设置

　　MMU 必须关闭；

　　指令Cach 可以打开也可以关闭；

　　数据Cach 必须关闭。