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(shí)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(jì)算機(jī)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(shí),，嵌入式系統(tǒng)的復(fù)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)等方面的優(yōu)勢,，擁有巨大的市場前景和商業(yè)機(jī)會。當(dāng)前嵌入式Linux的一個熱點(diǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)了Linux內(nèi)核在ARM9平臺上的運(yùn)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(shí)又與目標(biāo)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(biāo)硬件平臺的特點(diǎn)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(jìn)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(qiáng)等特點(diǎn),，能夠裝載和運(yùn)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(jìn)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(qiáng)及其應(yīng)用范圍的日趨擴(kuò)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(diǎn)，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(shí)間后(這個時(shí)間可更改)自行啟動Linux內(nèi)核，它是vivi的默認(rèn)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(dǎo)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(dǎo)模式下,，系統(tǒng)復(fù)位后NAND Flash中的前4位內(nèi)容首先被復(fù)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(dǎo),。
    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(fù)制到SDRAM中,，同時(shí)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(yùn)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(yùn)行,，那么這個系統(tǒng)便是可移植的。將某一個平臺的代碼運(yùn)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(jì)的硬件電路會有所不同，從而使這些代碼可能無法正確運(yùn)行,，因而要實(shí)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(jìn)行修改。
3．1 內(nèi)核移植難點(diǎn)
    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(jìn)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(jìn)的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)而是選擇了傳統(tǒng)的單體內(nèi)核機(jī)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(shí)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(jì)的硬件平臺,，需要從頭對Linux進(jìn)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(biāo)板提供了支持,，如果使用了Linux尚未支持的CPU或目標(biāo)板,，也需要對Linux內(nèi)核進(jìn)行移植工作。通?？梢圆捎靡韵聝煞N方法進(jìn)行Linux內(nèi)核移植工作：
    (1)從頭設(shè)計(jì),。即采用“自底向上”的設(shè)計(jì)方法，從硬件的需求考慮逐步的采用分析,、設(shè)計(jì),、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,。
    (2)修改已有的代碼。如前所述,，Linux已經(jīng)可以在多種體系結(jié)構(gòu)中運(yùn)行,，那么，我們可以參考相近的體系結(jié)構(gòu)的代碼,，只修改與我們的目標(biāo)硬件平臺不同的部分即可,。這種方法的難點(diǎn)在于開發(fā)人員除了要了解目標(biāo)硬件平臺外。還必須對已支持的軟硬件有一個較好的理解,。本次研究的移植工作就是采用了這種開發(fā)方法,。
3．3 內(nèi)核移植方法
    對于系統(tǒng)移植而言，Linux實(shí)際上是由兩個比較獨(dú)立的部分所構(gòu)成,，即內(nèi)核部分和系統(tǒng)部分,。通常啟動一個Linux系統(tǒng)的過程為：一個不隸屬于任何操作系統(tǒng)的加載程序?qū)inux部分內(nèi)核調(diào)入內(nèi)存，并將控制權(quán)交給內(nèi)存中Linux內(nèi)核的第一行代碼,，這樣就完成了加載程序的工作,。此后Linux要將自己的剩余部分全部加載到內(nèi)存，初始化所有的設(shè)備,，在內(nèi)存中建立好所需的數(shù)據(jù)構(gòu)(有關(guān)進(jìn)程,、設(shè)備、內(nèi)存等),。此時(shí),，內(nèi)核已經(jīng)可以控制所有硬件設(shè)備。而后轉(zhuǎn)入系統(tǒng)部分,，操作并使用這些硬件設(shè)備,。接下來內(nèi)核加載根設(shè)備并啟動init守護(hù)進(jìn)程,，init守護(hù)進(jìn)程會根據(jù)配置文件加載文件系統(tǒng)、配置網(wǎng)絡(luò),、服務(wù)進(jìn)程及終端等,。一旦終端初始化完畢，我們就會看到系統(tǒng)的歡迎界面了,。概括說來,，一部分內(nèi)核初始化和控制絕大部分硬件設(shè)備，為內(nèi)存管理,、進(jìn)程管理,、設(shè)備讀寫等做好一切準(zhǔn)備工作；另一部分系統(tǒng)加載必需的設(shè)備,，配置各種環(huán)境以便用戶可以使用整個系統(tǒng),。

    圖2所示為Linux內(nèi)核硬件相關(guān)結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，Linux內(nèi)核中與具體硬件平臺相關(guān)的結(jié)構(gòu)主要分為兩個部分：與具體的處理器結(jié)構(gòu)相關(guān)的部分，包括中斷處理,、內(nèi)存操作以及進(jìn)程控制等,；與具體外設(shè)關(guān)系密切的部分，包括硬件驅(qū)動與I／O設(shè)備,。
    內(nèi)核移植由五個功能部分組成：進(jìn)程管理(包括調(diào)度和通信),、內(nèi)存管理、設(shè)備驅(qū)動,、虛擬文件系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò),，它們之間存在復(fù)雜的調(diào)用關(guān)
系。前三部分按從前到后的順序,，越靠前代表它們與硬件設(shè)備的相關(guān)程度越高,，后面的虛擬文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)則幾乎與平臺無關(guān)，它們由設(shè)備管理中所支持的驅(qū)動程序來提供底層支持,。因此,，在做內(nèi)核移植的時(shí)候，需要改動的就是進(jìn)程管理,、內(nèi)存管理和設(shè)備管理中被獨(dú)立出來的那部分即硬件相關(guān)部分的代碼,。在Linux內(nèi)核源代碼樹中，這部分代碼全部在areh目錄下,，主要是被內(nèi)核直接調(diào)用的底層支持部分,。這些代碼重寫了內(nèi)核所需調(diào)用的所有函數(shù)，因?yàn)榻涌诤瘮?shù)是固定的,，所以這里更像是為硬件平臺編寫API,。
3．4 內(nèi)核移植過程
    首先在通用計(jì)算機(jī)上編寫程序,，然后通過交叉編譯生成可在目標(biāo)平臺上運(yùn)行的二進(jìn)制代碼格式，最后再下載到目標(biāo)平臺計(jì)算機(jī)的特定位置上運(yùn)行,。Linux內(nèi)核移植過程如下：
    (1)建立移植所必須的交叉開發(fā)環(huán)境。需準(zhǔn)備兩臺計(jì)算機(jī),，一臺用作修改編譯Linux內(nèi)核,，另一臺用作移植Linux內(nèi)核。
    (2)編寫和修改Linux內(nèi)核,。在通用計(jì)算機(jī)上修改和編寫新的內(nèi)核代碼,，編譯出新的Linux內(nèi)核。
    (3)調(diào)試新的Linux內(nèi)核,。將編譯后生成的新Linux內(nèi)核加載到目標(biāo)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行運(yùn)行和調(diào)試,，這個調(diào)試的過程就是交叉調(diào)試。
    調(diào)試器是一個單獨(dú)運(yùn)行著的進(jìn)程,，它通過操作系統(tǒng)提供的調(diào)試接口來控制被調(diào)試的進(jìn)程,。在Linux內(nèi)核移植過程中，調(diào)試時(shí)采用的是在宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間進(jìn)行的交叉調(diào)試,。交叉調(diào)試有多種方法,，它有一些典型特點(diǎn)：
    ◇調(diào)試器和被調(diào)試進(jìn)程通常運(yùn)行在不同的機(jī)器上(注：Linux內(nèi)核作為操作系統(tǒng)內(nèi)核，不同于普通進(jìn)程,，但在交叉調(diào)試中作為被調(diào)試對象,，與普通進(jìn)程沒有區(qū)別)，一般調(diào)試器運(yùn)行在PC或者工作站主機(jī)(宿主機(jī))上,，而被調(diào)試的進(jìn)程則運(yùn)行在各種專業(yè)調(diào)試板(目標(biāo)機(jī))上,。調(diào)試器通過某種通信方式與被調(diào)試進(jìn)程建立聯(lián)系，如串口,、并口,、網(wǎng)絡(luò)、DBM或者專用的通信方式,。本次移植采用了串口和JTAG兩種方式與目標(biāo)機(jī)進(jìn)行通信,。
    ◇在目標(biāo)機(jī)上一般會具備某種形式的調(diào)試代理，它負(fù)責(zé)與調(diào)試器共同配合完成對目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行著的進(jìn)程的調(diào)試,。這種調(diào)試代理可能是某些支持調(diào)試功能的硬件設(shè)備(如 DBI2000),，也可能是某些專門的調(diào)試軟件(如 gdbserver)。本次移植使用的是GDB—Stub,。
    ◇如果目標(biāo)機(jī)是某種形式的系統(tǒng)仿真器,，通過在宿主機(jī)上運(yùn)行目標(biāo)機(jī)的仿真軟件，整個調(diào)試過程可以在一臺計(jì)算機(jī)上運(yùn)行,。雖然此時(shí)物理上只有一臺計(jì)算機(jī)，但邏輯上仍然存在著宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的區(qū)別,。本次移植沒有使用系統(tǒng)仿真器,。調(diào)試時(shí)，作為調(diào)試器的GDB運(yùn)行在宿主機(jī)上,，相應(yīng)的GDB—Stub運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)上。GDB通過串口或者網(wǎng)絡(luò)與GDB—Stub進(jìn)行通信,，發(fā)出指令控制,、訪問運(yùn)行在目標(biāo)硬件平臺上的新的Linux內(nèi)核，讀取Linux內(nèi)核的當(dāng)前狀態(tài),，并能夠改變Linux內(nèi)核的運(yùn)行狀態(tài),。
    經(jīng)過多次移植測試后，就在基于ARM920T核的53C24lO處理器為核心處理器的ARM9平臺上成功移植了Linux操作系統(tǒng),。

4 結(jié)束語
    文中闡述了在基于ARM920T核的53C2410處理器為核心的ARM9平臺上移植Linux操作系統(tǒng)的環(huán)境,、方案和過程，對移植的難點(diǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)分
析,，這對ARM9平臺上的嵌入式Linux移植具有較好的實(shí)用價(jià)值和參考價(jià)值,，同時(shí)對于其它平臺上的嵌入式Linux移植的方法也具有一定的借鑒意義。