基于ARM9的嵌入式Linux系统移植

                   这篇文章是我6个月前在老师的指导下写的论文，留在博客里，做个备份，那时我的系统环境是window 7虚拟机下的RedHat Enterprise Linux6.0 ,现在我的系统环境是Ubuntu13.04。讲的比较粗糙，有不正确的地方希望大家指出。

                    

        本文结合S3C2440处理器和GT2440开发板这个实验平台，进行了嵌入式Linux的移植，Linux内核版本号为2.6.29。通过本次实践，成功实现了Linux系统移植，从而为后续的Linux应用程序开发及设备驱动程序开发打下了基础，进而为ARM的实际工业自动化应用及其他应用打开一个良好的开端。

           

嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可以裁剪，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格的要求的系统。嵌入式系统的设计开发主要涉及嵌入式微处理器和嵌入式操作系统。处理器的选择是嵌入式系统的基础。目前,市场上的CPU种类繁多，包括X86系列、ARM系列、MIPS系列及其他一些专用的CPU，本文采用的CPU是ARM系列的S3C2440，它是三星的一款基于ARM920T内核开发的32位嵌入式处理器，为手持设备和其它嵌入式应用提供了低功耗、低价格、高性能微控制器的解决方案

操作系统也是嵌入式系统的重要组成部分。目前的嵌入式操作系统有WindowsCE、Linux、uClinux、uC/OS-II、Vxworks等，每种操作系统都有其各自的优点。本文选用的是现在比较流行应用广泛的Linux系统。它是以Unix为基础发展起来的一款开源的操作系统，是真正的多用户、多任务操作系统，具有极强的平台可伸缩性、丰富的图形用户界面及强大的网络功能。再加上它提供了强大的管理功能，因此，Linux系统非常适于嵌入式系统开发

        

1. 系统引导程序及移植

   1. 构建交叉编译环境

                     

     嵌入式Linux的开发环境可以是PC机上直接安装Linux，也可以是Windows下在虚拟机上安装Linux。本文的实验环境是在Windows7下使用虚拟机安装RedHat Linux操作系统，主机与目标板的链接主要是通过USB口、串口、并口、以太网口建立联系的。PC机一般称为主机，目标板称为目标机。

在移植前首先要先构建交叉编译环境。交叉编译环境是指利用运行在机器上的编译器编译某个源程序，生成在另一台机器上运行的目标代码的过程^[5]。主要的开发工具包括三个部分：arm-linux-gcc,arm-linux-objdump,arm-linux-readelf。其中arm-linux-gcc是编译工具，arm-linux-objdump是反汇编工具，arm-linux-readelf是ELF文件查看工具。

将已经制作好的交叉编译工具的安装包arm-linux-gcc-4.3.2.tar.gz通过vmwaretools工具从windows下挂载到Linux下的/mnt/hgfs/目录下，执行命令[root@localhosthgfs]# tar xvzf arm-linux-gcc-4.3.2.tar.gz -C /opt,将交叉编译工具解压到/opt,然后修改/etc/profile这个配置文件，通过vim编辑器进入文件中，添加export PATH=$PATH:/usr/local/arm/4.3.2/bin,最后关键的一步是执行source  /etc/profile,完成交叉编译环境的安装。

      

         2.bootloader引导程序及移植

引导加载程序是系统加电后运行的第一段代码，类似于PC机上的BIOS,它包括固化在固件（fireware)中的boot代码和bootloader两大部分。通过这段程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图、为最终调用操作系统内核作好准备。Bootloader是依赖于硬件实现的，因此在嵌入式操作系统中建立一个通用的Bootloader是不可行的。大多数Bootloader都分为stage1和stage2两大部分。依赖于cpu体系结构的代码，比如设备初始化代码等，通常都放在stage1中，而且通常都是汇编语言来实现，以达到短小精悍的目的。而stage2则通常用c语言来实现，这样可以实现更复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和克移植性^[2]。

Bootloader的stage1上电启动后通常按以下步骤执行：首先初始化硬件设备，如：CPU内部寄存器、内存等。然后是为加载Bootloader的stage2准备RAM空间，接着拷贝Bootloader的stage2到RAM空间中，然后设置好堆栈，最后跳转到stage2的c入口点。

Bootloader的stage2通常按以下步骤执行：初始化本阶段要使用的硬件设备，如：串口、网卡等，然后将内核映像和根文件系统映像从flash上读到RAM空间中，最后调用内核。

U-boot是一种通用引导程序，能够支持像ARM,X86,XS-cale等多个处理器系列，支持Linux，Vxwork等多个嵌入式操作系统，具有可靠性和稳定性强的特点，拥有丰富的设备驱动源代码，拥有强大的网络支持和大量的开发调试文档。U-boot作为一种源码开放的引导程序，源代码采用模块化编程，能够很好的在各种硬件平台上实现方便移植。本文选用的是GT2440开发板作为Linux操作系统移植的硬件平台，完成U-boot的移植的步骤如下：

1.在顶层的Makefile中为开发板添加新的配置选项^[4]。

2.在board目录中创建一个属于新开发板的目录，并添加文件：

         mkdir  -p  board/gt2440

         cp -rf   board/smkd2440 board/gt2440

3.为开发板添加新的配置文件，先复制参考开发板的配置文件，再修改。

        cp  include/configs/smdk2440.h   include/configs/gt2440.h

4.配置开发板：

make  gt2440_config具体的配置需要根据自己的开发板硬件资源的功能和应用作选择。

5.编译U-boot：

make CROSS_COMPILE= arm-linux-，编译成功可以得到U-boot映像。

6.将U-boot映像通过JTAG烧写的到GT2440开发板的NANDFlash的根文件分区中。

2. 嵌入式linux系统移植

   1. 配置编译内核文件

      将Linux源码linux-2.6.29.tar.gz通过vmwaretools工具从windows下挂载到Linux下的/mnt/hgfs/目录下，执行命令[root@localhosthgfs]# tar xvzf   linux-2.6.29.tar.gz -C / 解压到你指定的目录。接下来配置步骤如下：

1.清除原有的配置与中间文件：make  distclean

2.配置内核：make menuconfig ARCH=arm 具体的内核配置应根据硬件平台和应用需要进行选择

3.编译内核：make Image ARCH=arm CROSS_COMPILE= arm-linux-

编译成功后会在arch/<cpu>/boot/目录下看到uImage内核

2. Linux内核的移植

连接并启动开发板，通过setenv命令设置ethaddr, ipadder, serverip等参数，再通过saveenv命令保存设置。其中ethaddr是网卡地址，ipadder是开发板的ip地址，serverip是tftp服务器的地址。

最后把目录下的uImage通过tftp读入到起始地址为0的nandflash中^[5]：U-boot〉tftp 22200000 uImage

U-boot〉nand write 22200000 0 200000

3. 根文件系统的制作

根文件系统是Linux启动时使用的第一个文件系统。没有根文件系统，Linux将无法正常启动。根文件系统由一系列目录组成，目录中包含了应用程序，c库，以及相关的配置文件。通过如下步骤制作根文件系统：

1.创建根文件系统的目录：

mkdir  rootfs

cd   rootfs

mkdir  bin  dev  etc lib  proc sbin  sys  usr  mnt  tmp var

mkdir  usr/bin   usr/lib   usr/sbin  lib/modules

2.创建设备文件：

cd  dev                              /先进入cdev目录

   mknod   -m 666 console c 5 1

   mknod   -m 666 null c 1 3

注意Linux系统正常启动必须要有这两个设备文件

3.安装/etc:

tar etc.tar.gz -C /XXX/rootfs

etc目录下放置了很多的配置文件，包括与系统启动、关闭有关的配置文件,这些配置 文件非常重要，没有它，系统不能正常启动。

4.编译内核模块：进入Linux内核目录

make modules ARCH=arm CROSS_COMPILE= arm-linux

5.安装内核模块

make modules_install ARCH=arm INSTALL_MOD_PATH=/XXX/rootfs

实际上安装内核模块就是把它从内核代码拷贝到指定的位置。

6.配置busybox    具体的配置需要根据自己的应用需求选择

7.编译安装busybox:

  make ARCH=arm CROSS_COMPILE= arm-linux-

make install

  busybox是嵌入式开发中的瑞士军刀：小巧、功能强大，提供了几乎所有你需要的命令。

然后使用mkyaffs2image工具(同时也是一个命令）制作成映像文件rootfs.yaffs(注意此处是制作成适合于NandFlash的yaffs型根文件系统),并将其通过串口下载到NandFlash的根文件分区中。

最后，利用终端仿真程序DNW和Bootloader引导程序通过串口把内核镜像uImage下载到GT2440的S3C2440上。完成后重新启动开发板，通过超级终端可以看到系统正常启动。这时，就可以像在虚拟机上操作安装的Linux系统一样，可以在超级终端上输入命令，来控制目标板（GT2440）上的移植的Linux系统。

3.结束语

本文结合嵌入式Linux系统和GT2440平台，研究并实现了Linux操作系统向S3C2440平台的移植，成功搭建了基于ARM9的嵌入式系统开发平台，这对嵌入式Linux的开发有很大的帮助，为后续的驱动器程序和应用程序的开发也奠定了基础。构建嵌入式系统是一项比较复杂的过程，其系统的稳定性，安全性，可靠性等都要使用者详细考虑。虽然本文嵌入式系统的构建是建立在Linux操作系统和S3C2440目标板上的，但是对于其他的操作系统和目标板来说，其原理是一样的。