嵌入式Linux系統(tǒng)移植技術(shù)研究*

張偉杰 李明理

(1:吉林建筑工程學(xué)院計算機科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130118;2:大連理工大學(xué)軟件學(xué)院，大連 116000)

1 交叉開發(fā)環(huán)境的建立

近些年，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)已經(jīng)成為信息產(chǎn)業(yè)的研究熱點.基于ARM硬件平臺及Linux操作系統(tǒng)的嵌入式產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)已成為主流.而在嵌入式的開發(fā)過程中，針對目標(biāo)平臺的操作系統(tǒng)移植成為影響嵌入式產(chǎn)品開發(fā)進度的一個關(guān)鍵因素.

嵌入式Linux系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示［1］;嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)流程如圖2所示.

圖1 嵌入式Linux系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)平臺

圖2 嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)流程

由于一般嵌入式開發(fā)系統(tǒng)存儲大小有限，所以在裁剪和定制Linux運用于嵌入式系統(tǒng)之前，通常都要在PC上建立一個用于目標(biāo)機的交叉編譯環(huán)境，完成嵌入式系統(tǒng)的開發(fā).如圖3所示，建立一個交叉編譯工具鏈是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，網(wǎng)上有一些編譯好的可以下載.

圖3 交叉編譯環(huán)境

2 Linux系統(tǒng)移植的基本理論與方法

2.1 Linux系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 Linux系統(tǒng)的抽象結(jié)構(gòu)

Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)從層次上來說，是整體式的結(jié)構(gòu).其主要組成結(jié)構(gòu)如表1所示［2］.

表1右邊是從操作系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)進行分層，左邊是從基本功能模塊的角度來對Linux系統(tǒng)進行分層.

2.1.2 Linux內(nèi)核子系統(tǒng)與系統(tǒng)移植

Linux內(nèi)核功能有進程管理、內(nèi)存管理、中斷和異常處理、設(shè)備控制、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)接口.從典型的ARM平臺的系統(tǒng)移植實例的分析來看，系統(tǒng)移植的工作主要集中在中斷異常處理、文件系統(tǒng)、設(shè)備控制部分.主要是由于這幾個部分和ARM平臺的系統(tǒng)之間關(guān)系密切，相對來說，設(shè)備控制是移植中工作量最大的部分［3］.

表1 Linux操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 Linux內(nèi)核對系統(tǒng)移植提供的支持

2.2.1 分層結(jié)構(gòu)

Linux內(nèi)核的設(shè)計吸取了層次結(jié)構(gòu)和對硬件抽象層的思想，對內(nèi)核進行分層，以便將硬件相關(guān)部分和操作其它上層實現(xiàn)分離開來，從而增強了系統(tǒng)的可移植性，具體分為硬件直接相關(guān)層、硬件抽象層和操作系統(tǒng)內(nèi)核層.其中硬件直接相關(guān)層主要包括由于處理器體系結(jié)構(gòu)和指令集不同而需要進行相應(yīng)實現(xiàn)的部分;硬件抽象層是為了屏蔽底層的硬件細節(jié)，并為上層提供一個邏輯上統(tǒng)一的硬件環(huán)境接口及各種硬件平臺上操作系統(tǒng)的代碼重用而引入的機制;硬件無直接相關(guān)的操作系統(tǒng)內(nèi)核層主要包括進程、內(nèi)存和設(shè)備管理，文件系統(tǒng)及其它和底層設(shè)備不直接相關(guān)的較高層實現(xiàn)［4］.

2.2.2 面象對象思想

Linux內(nèi)核主要是用非面向?qū)ο蟮腃語言編寫而成，但是Linux內(nèi)核中大量的借鑒和使用了面向?qū)ο蟮乃枷?雖然C語言本身沒有提供面向?qū)ο蟮恼Z法支持，但是在Linux中通過使用結(jié)構(gòu)體和函數(shù)指針實現(xiàn)了面向?qū)ο髾C制的部分模擬.

3 目標(biāo)系統(tǒng)平臺介紹

本次移植目標(biāo)系統(tǒng)采用的是Intel Xscale系列處理器PXA255(ARM核)，該處理器具有體積小、耗電低、處理能力強、可靠性高等特點，非常適合工業(yè)現(xiàn)場控制產(chǎn)品的開發(fā).主要部件:處理器:32位RISC結(jié)構(gòu)400 MHz INTEL PXA 255;FLASH:E 28 J 3 A-150 X 2，32 MB;SDRAM:K 4 S 561632 CX 2，64 M;液晶顯示器:6.4寸STN;串口:PXA 255內(nèi)置2個串口;網(wǎng)口:一個10 BASE-T以太網(wǎng)接口［5］.

具有的軟件平臺:采用的內(nèi)核版本是linux-2.4.18，交叉工具鏈是arm-linux-Xscale-gcc-3.2.

4 系統(tǒng)移植實現(xiàn)

(1)建立自已開發(fā)板的目錄PXA 255，并將u-boot/board/xaeniax/目錄中的所有文件拷貝到u-boot/ board/PXA255目錄下，針對目標(biāo)平臺文件做相應(yīng)的修改;

(2)建立自已的配置文件:在include/configs目錄中添加頭文件PXA 255.h，這個文件是PXA 255開發(fā)板的配置文件，它包括開發(fā)板的CPU、系統(tǒng)時鐘、RAM，GPIO及其它相關(guān)的配置信息;

(3)建立自已的開發(fā)板的CPU目錄cpu/cpu255，并將cpu/PXA中所有文件拷貝到該目錄下，針對目標(biāo)硬件特性和需求進行各文件的修改;

(4)修改u-boot-1.1.0/Makefile，以便在其中加入對目標(biāo)板的編譯支持，并根據(jù)實際情況修改交叉編譯器的路徑:PXA255-config:unconfig;@./mkconfig$(@:_config+)arm cpu255 PXA255.其中“Arm”代表CPU的種類，cpu2 55是ARM CPU對應(yīng)的代碼目錄，PXA 255是自已開發(fā)板對應(yīng)的目錄;

(5)依次過運行命令:$make clean，$make PXA 255-config，$make.生成3個文件:u-boot:ELF格式的文件，可以被大多數(shù)Debug程序識別;u-boot.bin:二進制bin文件，純粹的U-BOOT二進制執(zhí)行代碼，不保存ELF格式和調(diào)試信息.這個文件一般用于燒寫到用戶開發(fā)中;u-boot.srec:motorola S-Record格式，可以通過串行口下載至開發(fā)板中.

通過JTAG口將u-boot.bin燒寫至Flash的零地址，復(fù)位后就可以啟動系統(tǒng)了.

5 結(jié)語

本文針對嵌入式Linux系統(tǒng)移植在存在的普遍問題，并結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場控制的需求，對嵌入式Linux移植就嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)流程和交叉開發(fā)環(huán)境的建立、Linux的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)及其對系統(tǒng)移植的影響、目標(biāo)硬件平臺和現(xiàn)有的軟件基礎(chǔ)以及系統(tǒng)移植實現(xiàn)進行了探討，將為在此硬件、軟件平臺的開發(fā)工作奠定基礎(chǔ).

［1］陳莉君，康 華，張 波.Linux內(nèi)核設(shè)計與實現(xiàn)［M］.北京:中國機械工業(yè)出版社，2006:22-25.

［2］陳 頤.嵌入式技術(shù)原理與應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011:272-280.

［3］華清遠見嵌入式培訓(xùn)中心.嵌入式Linux應(yīng)用程序開發(fā)［M］.北京:人民郵電出版社，2009:99-112.

［4］任橋偉.Linux內(nèi)核修煉之道［M］.北京:人民郵電出版社，2010:37-50.

［5］錢連舉.基于ARM的嵌入式Linux系統(tǒng)移植技術(shù)研究與應(yīng)用［D］.成都:電子科技大學(xué)，2006.