基于ARM9的嵌入式Linux系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

張成法　李楠

摘 要：隨著計算機技術和微電子技術的迅猛發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)逐漸發(fā)展為計算機應用的一個重要領域，在生活中得到了普遍的應用。本文通過搭建嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺、對嵌入式Linux系統(tǒng)進行構建、移植設備驅動程序和介紹嵌入式GUI應用程序開發(fā)，討論了基于ARM9微處理器的嵌入式Linux系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。該系統(tǒng)為嵌入式控制系統(tǒng)設計提供了一種可行的方案。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；Linux；驅動程序；ARM9

一、引言

嵌入式系統(tǒng)作為一種專用的計算機系統(tǒng)。它以計算機技術作為基礎，以應用作為中心，并且其硬件和軟件都可以裁剪。它能夠滿足應用系統(tǒng)對功耗和可靠性的嚴格要求。嵌入式系統(tǒng)具有實時性高、系統(tǒng)內核小的特點。嵌入式Linux 是一種操作系統(tǒng)，它能夠運行在嵌入式計算機系統(tǒng)上。代碼開放，版權免費[2]是它與其它操作系統(tǒng)相比的優(yōu)勢，嵌入式Linux有非常廣泛的應用領域，主要應用于工業(yè)控制、大屏幕功能手機、信息家電、醫(yī)療電子等領域。本文從應用出發(fā)，著重對一個嵌入式Linux系統(tǒng)進行研究、設計及實現(xiàn)。

二、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺的搭建

硬件結構和軟件系統(tǒng)這兩部分組成了一個完整的嵌入式系統(tǒng)，其中嵌入式處理器和外圍的接口電路是硬件結構的主要組成部件，而嵌入式操作系統(tǒng)和應用程序則是軟件系統(tǒng)的主要組成部分。

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺的搭建主要包括硬件開發(fā)平臺、軟件開發(fā)平臺和交叉開發(fā)環(huán)境的搭建[1]。

（一） 硬件開發(fā)平臺的搭建

嵌入式系統(tǒng)硬件平臺的搭建主要是圍繞目標板和主機這兩方面進行的，目標板選用的是采用嵌入式處理器的開發(fā)板作為硬件開發(fā)平臺，主機選用的是PC機。

通過對當前主流的嵌入式處理器綜合性能的比較，又依據(jù)嵌入式軟件開發(fā)要求嵌入式處理器要具有性能高、功耗低等特點，因此選取ARM處理器作為本文的嵌入式處理器。由于本文重點從應用開發(fā)方面來設計嵌入式系統(tǒng)，選用ARM9系列的S3C2440A處理器比較合適，因此目標板采用的是基于芯片S3C2440A的開發(fā)板作為硬件開發(fā)平臺。

（二） 軟件開發(fā)平臺的搭建

軟件開發(fā)平臺的搭建主要圍繞選擇何種類型的嵌入式操作系統(tǒng)而進行。嵌入式Linux、μC/OS‐Ⅱ和VxWorks等是當前在嵌入式領域涌現(xiàn)出來的幾種著名的操作系統(tǒng)。通過對這幾種操作系統(tǒng)的比較，發(fā)現(xiàn)嵌入式Linux具有較多的優(yōu)勢：第一，它提供開發(fā)套件；第二，嵌入式Linux操作系統(tǒng)的內核更新速度較快，具有較高的安全可靠性，內核不僅小，而且可以裁減；第三，它的開發(fā)者可以從眾多的愛好者中獲得強大的技術支持，由于源代碼開放，不收費，所以在價格上具有很大的競爭力。因此，本文的嵌入式操作系統(tǒng)最終選用了嵌入式Linux。

（三） 交叉開發(fā)環(huán)境的搭建

本系統(tǒng)設計采用宿主機-目標機（HOST-TARGET）的開發(fā)模式， 宿主機采用的是PC機，將Linux操作系統(tǒng)安裝于宿主機上，目標機采用S3C2440A開發(fā)板。將相應的ARM交叉編譯工具鏈arm-linux-gcc安裝到ubuntu系統(tǒng)中，然后利用這個交叉編譯工具對源代碼進行編譯，最后得到能夠在目標機上運行的程序。

三、嵌入式Linux系統(tǒng)的構建

嵌入式Linux系統(tǒng)的構建主要包括下面三個部分。

（一） Bootloader的移植

考慮到U-Boot的功能比較強大，并且能夠很好的支持S3C2440A芯片，同時調試程序更方便，因此本系統(tǒng)的Bootloader選用了U-Boot。U-Boot的移植包括處理器相關文件的修改、存儲器的配置和Makefile文件的修改，當這些都完成后，最后再對U-Boot進行編譯[3]。

（二） Linux2.6內核的移植

首先要得到Linux源代碼，這可以從它的官方網(wǎng)站獲得，然后修改Makefile文件，修改內核的機器碼和平臺的時鐘頻率，同時設置分區(qū)結構；當完成上述工作后，接下來要對內核進行縮剪，并對內核進行配置， 當內核被配置完成后，再執(zhí)行命令對內核進行編譯，內核被成功編譯后，就會生成其鏡像文件，然后將其下載到開發(fā)板。

（三） Linux文件系統(tǒng)的創(chuàng)建和實現(xiàn)

根文件系統(tǒng)的制作可以由busybox來完成。利用菜單配置命令就可以對BusyBox進行配置。

四、嵌入式Linux系統(tǒng)的設備驅動移植

本系統(tǒng)以LCD模塊為例講述Linux系統(tǒng)的設備驅動移植過程。首先要修改Linux內核源碼中的文件s3c2410fb.c中的程序，可以實現(xiàn)設置LCD時鐘頻率，然后在文件mach-smdk2440.c中， 添加一些參數(shù)，這些參數(shù)在對LCD控制器進行初始化的時候會被用到，然后對內核配置單進行修改，這樣就完成了LCD設備驅動程序的移植。

五、構建平臺的嵌入式GUI系統(tǒng)

本平臺的嵌入式GUI系統(tǒng)采用的是Qt/Embedded，采用宿主機-目標機交叉的開發(fā)模式對基于Qt/Embedded的嵌入式GUI應用程序進行開發(fā)。

首先，Qt應用程序的編寫是在Qt/X11環(huán)境下，當程序編寫完成后，要在宿主機上進行調試直到滿足項目要求，然后對Qt應用程序再次進行編譯，將得到的可執(zhí)行文件運行在QVFB上，它可以模擬應用程序在實際ARM9平臺上的運行效果， 最后，使用工具對應用程序再次進行編譯就可以得到可執(zhí)行程序，當然，所得到的可執(zhí)行程序是能夠運行于S3C2440A芯片上的，然后再將可執(zhí)行程序下載到開發(fā)板上就可以了[4]。基于Qt/Embedded的嵌入式應用程序開發(fā)過程如下圖所示。

六、結束語

文中從實際應用出發(fā)，提出了嵌入式Linux系統(tǒng)設計及實現(xiàn)方案，給出了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺的搭建、嵌入式Linux系統(tǒng)的構建、硬件設備驅動程序移植和嵌入式GUI應用程序開發(fā)的實現(xiàn)方法。為用戶設計嵌入式Linux系統(tǒng)提供了解決方案和便利。

參考文獻：

[1] 趙揚. 基于嵌入式Linux的考勤系統(tǒng)研究與設計[D].吉林： 吉林大學，2015.

[2] 劉哲峰.嵌入式Linux音頻設備的驅動設計與研究[D].太原： 太原理工大學， 2010.

[3] 王田苗.嵌入式系統(tǒng)設計與實例開發(fā)[M].北京： 清華大學出版社， 2013.

[4] S3C2440ADatasheet[M].韓國： Samsung公司， 2008.