linux下ARM的交互開發(fā)設計研究

作者簡介：孫弢（1980-），男，吉林省吉林市人，吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學院，講師，碩士，主要研究方向：網(wǎng)站開發(fā)，嵌入式軟件開發(fā)。

摘要：隨著 ARM芯片以及LINUX操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，為嵌入式的發(fā)展注入了強勁的活力。本設計實現(xiàn)LINUX操作系統(tǒng)向ARM9平臺的移植。U-boot是系統(tǒng)的啟動引導程序，要移植LIUNX操作系統(tǒng)，U-boot是必不可少的。LINUX操作系移植成功后，系統(tǒng)還是不能正常啟動的，還需要根文件系統(tǒng)（rootfs）支持，這樣系統(tǒng)就可以正常啟動。但是嵌入式系統(tǒng)往往是為某些特定的功能設計的，所以，系統(tǒng)要想完成某些功能，還需要頂層應用程序的支持。

關(guān)鍵詞：U-boot；內(nèi)核配置；根文件系統(tǒng)

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，嵌入式的應用領(lǐng)域也越來越廣泛。隨著IC設計的發(fā)展，出現(xiàn)了工業(yè)化ARM芯片，可以說ARM是未來嵌入式開發(fā)的主宰。ARM是Advanced RISC Machines的首字母組合，是一類微型處理器的統(tǒng)稱。

LINUX操作系統(tǒng)是目前嵌入式操作系統(tǒng)中主流的操作系統(tǒng)，它不同于WINDOWS，LINUX操作系統(tǒng)是完全開源的，這就使嵌入式開發(fā)過程大大降低了成本。另外，LINUX操作系統(tǒng)支持多種文件系統(tǒng)，如EXT2、EXT3、MINIX、VFS等等。在ARM開發(fā)過程中LINUX操作系統(tǒng)的開發(fā)極為重要，LINUX下ARM的BOOTLOAD、內(nèi)核、文件系統(tǒng)的裁剪、移植、燒錄工作以及針對文件系統(tǒng)進行GUI的編寫任務，最終形成一成功的GUI界面，成為ARM-LINUX的開發(fā)重點。

一、開發(fā)平臺選擇

本設計完成LINUX下ARM的BOOTLOAD、內(nèi)核、文件系統(tǒng)的燒錄工作，同時主要針對文件系統(tǒng)進行GUI的編寫任務，最終形成一成功的GUI界面。本設計選用的bootloader 為U-boot，經(jīng)過編譯后生成二進制文件，將其燒寫到ARM平臺的NAND FLASH中。內(nèi)核選用LINUX操作系統(tǒng)LINUX 2.6.14.1版本的內(nèi)核源碼，將其進行修改之后移植到ARM9（S3C2410）的芯片上。文件系統(tǒng)采用busybox軟件包經(jīng)過修改用cramfs 工具生成.img映像文件，燒寫到NAND FLASH 中。

ARM9是繼ARM7之后的新一代的處理器，采用了更多的晶體管進行全新的設計，處理能力超過ARM7處理器達到兩倍以上于。ARM9的處理能力的提高主要是提高了時鐘頻率，降低了指令執(zhí)行周期。ARM9 系列包括三種處理器：ARM926EJ-S、ARM946E-S 和 ARM968E-S。本設計采用韓國三星公司生產(chǎn)的ARM9TDMI——s3c2410芯片。

ARM9 處理器系列的核心產(chǎn)品是 ARM9TDMI 處理器，該處理器系列整合了 16 位的 Thumb 指令集。ARM9E 處理器系列能夠為微控制器、DSP 和 Java 應用程序提供單處理器解決方案。ARM9E 系列產(chǎn)品是一些 DSP 增強的 32 位 RISC 處理器，適用于需要綜合 DSP 和微控制器性能的應用程序。該產(chǎn)品系列包括 ARM926EJ-S、ARM946E-S、ARM966E-S 和 ARM968E-S 處理器宏單元。其包括信號處理擴展以增強 16 位固定點性能，方式是使用單循環(huán) 32 x 16 乘法累積（MAC）單元，并實現(xiàn)了 16 位的 Thumb 指令集。此外，ARM926EJ-S 處理器還采用了 ARM Jazelle 技術(shù)，從而能夠在硬件中直接執(zhí)行 Java 字節(jié)碼。

應用程序是簡單的MP3播放器移植，這里做的工作主要是系統(tǒng)的搭建，應用程序只是作為檢測系統(tǒng)而作的輔助工作。以此證明系統(tǒng)的可靠、安全、穩(wěn)定的性質(zhì)。

二、系統(tǒng)設計

U-Boot是系統(tǒng)構(gòu)建的第一步。U-Boot，全稱Universal Boot Loader，是遵循GPL條款的開放源碼項目。uboot 就是針對某個嵌入式環(huán)境特別編譯特別準備的一級引導程序。用來初始化環(huán)境，并且讀取啟動 Linux 內(nèi)核，當然一個在 Linux 內(nèi)核啟動之前就啟動的 bootloader 不僅僅有這些功能。U-Boot的其它主要功能還有支持NFS掛載、RAMDISK形式的根文件系統(tǒng)支持NFS掛載、從FLASH中引導壓縮或非壓縮系統(tǒng)內(nèi)核；可靈活設置、傳遞多個關(guān)鍵參數(shù)給操作系統(tǒng)，適合系統(tǒng)在不同開發(fā)階段的調(diào)試要求與產(chǎn)品發(fā)布，尤其對LINUX支持最為強勁。目前，U-Boot優(yōu)勢突顯示，對于研究于開放源代碼BOOT LOADER移植工作的嵌入式開發(fā)人員正將各個不同系列嵌入式處理器進行不斷地移植并深入展開，用來支持更多的嵌入式操作系統(tǒng)的裝載與引導。

因為我們的目標板是arm體系的平臺，所以不能只單純的用主機上的編譯工具直接編譯，那樣就會造成程序無法運行，最終導致移植工程失敗。所以我們將要GCC編譯工具進行改裝，生成交叉工具。

有了U-boot和交叉編譯工具，接下來就要對內(nèi)核進行配置。今天的LINUX是全球被最廣泛移植的操作系統(tǒng)內(nèi)核。從掌上電腦iPAQ到IBM S/390，甚至于有人成功的將LINUX內(nèi)核在新力出品的游戲機PS2及PS3和微軟出品的游戲機Xbox上使用。

LINUX也是IBM “Blue Gene” Blue Gene的操作系統(tǒng)。直至2008年11月，全球前五百大超級電腦（TOP 500）有高達87.8%的比例采用LINUX為它們的作業(yè)系統(tǒng)，最快的超級電腦IBM_Roadrunner正是采用LINUX的。

文件系統(tǒng)是LINUX操作系統(tǒng)的精髓所在也是重要的組成部分，LINUX的文件系統(tǒng)的功能是強大的。文件系統(tǒng)不僅包含著文件中的數(shù)據(jù)而且還有文件系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu)，所有LINUX的 用戶和程序看到的文件、目錄、軟連接及文件保護信息等都存儲在其中。

三、總結(jié)

linux操作系統(tǒng)為用戶進程與硬件設備進行交互，提供系統(tǒng)服務并提供了一組接口。在應用程序和硬件之間，linux內(nèi)核提供的系統(tǒng)服務擁有很多優(yōu)點，第一，linux內(nèi)核提供的系統(tǒng)服務讓編程更加簡單容易，使用戶從學習硬件設備的低級編程特性中解放出來；第二，linux內(nèi)核提供的系統(tǒng)服務具有非常高的系統(tǒng)安全性，內(nèi)核在滿足每個請求應答之前，接口級都要檢查這種請求的正確性。最后也是最重要的是這些接口使得程序具有可移植性，因為只要內(nèi)核所提供的一組接口相同，那么在任一內(nèi)核之上就可以正確地編譯和執(zhí)行程序。

在ARM平臺上移植linux操作系統(tǒng)作為實現(xiàn)設備小型化、智能化的一個重要元素，目前己經(jīng)廣泛應用于國防、工業(yè)、交通、能源、信息技術(shù)以及日常生活等各個領(lǐng)域，研究和開發(fā)linux操作系統(tǒng)在ARM平臺上的移植具有重要的現(xiàn)實意義。（作者單位：吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學院）

參考文獻：

[1]杜春雷 編著. ARM體系結(jié)構(gòu)與編程.清華大學出版社. 2003，84～116

[2]馮國進.嵌入式Linux驅(qū)動程序設計從入門到精通.清華大學出版社，25～45

[3]李志LINUX 下的C語言程序設計.清華大學出版社，2005，69～75