ARM平臺下Linux嵌入式系統(tǒng)的移植

劉睿洋

（山東科技大學(xué) 山東省泰安市 271000）

嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)成上主要包括兩個部分，即計(jì)算機(jī)的硬件部分和軟件部分。ARM系列屬于計(jì)算機(jī)硬件；Linux系統(tǒng)屬于計(jì)算機(jī)軟件類。嵌入式系統(tǒng)所以計(jì)算機(jī)技術(shù)成果，是建立在滿足用戶個性化需求的基礎(chǔ)上的。在硬件和軟件方面，具有加減特性，無論是部件的增加或者減少，都會保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而且系統(tǒng)的性能可靠。系統(tǒng)在運(yùn)行中具有良好的靈活度，功耗比較低，而且成本得到有效控制，且具有長時間的待機(jī)時間。嵌入式系統(tǒng)中，ARM作為架構(gòu)硬件平臺存在。系統(tǒng)的各項(xiàng)操作80%以上都可以在這個平臺上完成[1]。Linux系統(tǒng)所發(fā)揮的作用也是如此。ARM將位數(shù)不斷擴(kuò)展，功能也會不斷增強(qiáng)，使得智能化的軟件系統(tǒng)的建構(gòu)更為方便。嵌入式系統(tǒng)的CPU與普通的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同，ARM的編址上，內(nèi)存與I/O設(shè)備是同時進(jìn)行的，指令系統(tǒng)得到優(yōu)化，指令的靈活度比較高，也提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。ARM將存儲器使用寄存器代替，系統(tǒng)的運(yùn)行速度得到提升。在編址的時候，將大端格式與小端格式結(jié)合，靈活的組織形式使得操作更加方便。ARM和Linux都是嵌入式系統(tǒng)具有代表性的產(chǎn)品，要在ARM平臺下實(shí)現(xiàn)Linux嵌入式系統(tǒng)移植，就要針對相關(guān)的問題深入研究。

1 Linux系統(tǒng)的性能

Linux系統(tǒng)作為一個操作系統(tǒng)，其是公開源代碼的操作系統(tǒng)軟件，開放的源代碼，只要登上Linux官方網(wǎng)站，每個版本都可以下載后安裝使用。這項(xiàng)功能與嵌入式系統(tǒng)的要求相符合，也就是說代碼的使用的過程中是可以靈活定制的，以滿足個性化需求，當(dāng)然，在普通的計(jì)算機(jī)上可以運(yùn)行，在任何的智能終端設(shè)備上也可以運(yùn)行。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前Linux軟件已經(jīng)在超過一半的智能設(shè)計(jì)軟件上應(yīng)用，內(nèi)核使用模塊化的配置，在使用中可以靈活組合。Linux軟件有一個非常重要的特點(diǎn)就是編譯非常容易。即便是非常簡單的代碼也可以使用GCC編譯，代碼模塊化，使用make就可以統(tǒng)一編譯。編譯代碼完成后，在下一次編譯的時候，對修改之后的代碼進(jìn)行編譯即可，編譯時間縮短了，工作效率提高了。這種編譯方法更加靈活，代碼開發(fā)效率也有所提高[2]。

從Linux操作系統(tǒng)的構(gòu)成上來看，引導(dǎo)程序、根文件系統(tǒng)和內(nèi)核程序是重要的內(nèi)容。Linux系統(tǒng)所具備的優(yōu)勢是其是可以移植的。在普通的計(jì)算機(jī)上將Linux系統(tǒng)安裝好，安裝的方法有兩種選擇，一種是單獨(dú)安裝，一種是虛擬機(jī)安裝，之后進(jìn)行交叉編譯，程序再編譯好之后，可以通過串行口下載，也可以通過模擬串行口下載到主機(jī)上，運(yùn)行之前要做好調(diào)試工作。在Linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用中，修改I/O設(shè)備加方便，能夠靈活調(diào)試軟件和硬件。

2 Linux嵌入式系統(tǒng)移植過程

2.1 將交叉開發(fā)環(huán)境搭建起來

構(gòu)建交叉開放環(huán)境，需要將交叉工具鏈構(gòu)建起來，主要采用如下的三種方法。

第一種方法，分步編譯并將庫和源代碼都安裝好，滿足交叉編譯工具鏈的需求，交叉編譯工具鏈形成。使用這種方法有很大的難度，具備專業(yè)能力的人可以嘗試使用這種方法，如果是普通用戶，究和構(gòu)建跨工具鏈的讀者。如果只想使用交叉刀具鏈，可以考慮使用如下的兩種方法[3]。

第二種方法，使用Crosstool-ng腳本工具進(jìn)行一次編譯，交叉編譯工具鏈就能夠形成。這種方法比第一種方法要簡單得多，而且誤差很小，建議使用。

第三種方法，下載直接通過Internet生成的交叉編譯工具鏈。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是毋庸置疑的，當(dāng)然，它既簡單又容易，但同時也有一些缺點(diǎn)，即在應(yīng)用的過程中有一定的局限性，畢竟它是由別人建造的，也就是說，它是固定不變的，沒有很強(qiáng)的靈活性[4]。因此，用于生成的庫和編譯器版本與正在編譯的程序很有可能存在不適應(yīng)性。在使用過程中會有一些錯誤是無法解釋的，所以使用這種方法的時候也要謹(jǐn)慎。cross tool-ng是一種腳本工具，交叉編譯工具鏈的使用中能夠適合各種平臺。制作之前，需要安裝軟件才可以，諸如bison、crosstool、g++、patch、libncurses5-dev、libtool、flex texinfo automake等等。其中，crosstool腳本工具的使用中，可以將軟件下載到本地，解壓處理后就可以按照提示安裝了。這種配置與內(nèi)核的配置有相似制定出，將源碼包路徑設(shè)置好，將安裝交叉編譯器的路徑設(shè)置好，根據(jù)需要對交叉編譯器進(jìn)行修改[5]。增加編譯的時候，并行進(jìn)程數(shù)增加，運(yùn)行效率就會有所增加，編譯的速度加快。將JAVA編譯器編譯，編譯的時間就會有所減少。

2.2 選擇并移植bootloader

u-boot編譯好之后下載到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中就可以運(yùn)行的。具體的操作過程是，將開發(fā)板網(wǎng)配置好之后，配置IP地址到內(nèi)存，形成環(huán)境變量，為$setenv ipaddr 191.164.0.5，之后在nandflash的參數(shù)區(qū)保存。

在測試網(wǎng)絡(luò)的過程中，設(shè)置好虛擬機(jī)的IP地址，191.164.0.7。

在網(wǎng)絡(luò)測試中，如果存在沒有連接好的問題，就要對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢查并及時處理。網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行之后，要檢查開發(fā)板和虛擬機(jī)的IP地址，要求兩者都處于同一個網(wǎng)段上。使用橋接的方式使得虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行正常。在開發(fā)板的連接過程中，對虛擬機(jī)進(jìn)行靜態(tài)IP地址設(shè)置[6]。

啟動開發(fā)板的時候，可以切換到nandflash。具體的方法是，將開發(fā)板關(guān)閉，將SW1的開關(guān)4向4的那邊波動。此時，開發(fā)板啟動的時候，就可以通過nandflash啟動。

2.3 配置、移植kernel

kernel的配置中，第一次進(jìn)去時候，不需要有任何的操作，推出的過程中可以看到配置信息是否保存的問題，此時已經(jīng)要進(jìn)行保存操作，這樣就可以在.config中將開發(fā)平臺的各項(xiàng)信息保存好，避免丟失[7]。

需要注意的是，make menuconfig的過程中，系統(tǒng)處于哪種運(yùn)行狀態(tài)？當(dāng)有界面圖形化呈現(xiàn)的時候，要知道為什么會這樣？圖形化的界面中有一些內(nèi)容，要明確這些內(nèi)容是從哪里來的？

當(dāng)然，圖形界面的形成不是偶然，是通過圖形庫實(shí)現(xiàn)的。在首次進(jìn)行menuconfig制作的時候，系統(tǒng)中不會顯示圖形界面，而是報(bào)告了錯誤操作，并提示我們?nèi)鄙賜curses devel。這個時候就需要進(jìn)行l(wèi)ibncurses 5-dev安裝。受到圖形庫的支持，Sudo apt get install libncurses運(yùn)行，就會有圖形界面呈現(xiàn)出來。

當(dāng)內(nèi)核進(jìn)行make menuconfig配置的時候，系統(tǒng)會自動將菜單配置讀出來，這是kconfig在發(fā)揮作用，之后在kconfig保存。在內(nèi)核的編譯過程中，.config會被makefile調(diào)用，使得配置信息能夠完整地保存下來，避免出現(xiàn)配置信息丟失的問題，此時需要正確選擇源代碼，還要將編譯源代碼作為重要的參考依據(jù)。這樣的操作之后，對于內(nèi)核的用戶配置就可以明確了[8]。Kconfig是對應(yīng)于內(nèi)核的配置菜單。針對內(nèi)核的源代碼，如果需要將新的驅(qū)動程序添加到其中，就要對kconfig進(jìn)行修改，將配置菜單添加到驅(qū)動程序中，就可以對驅(qū)動程序進(jìn)行選擇了。驅(qū)動程序的編譯過程中，對驅(qū)動程序中的makefile要做出修改，以滿足程序運(yùn)行的需求。

2.4 使用tftp網(wǎng)絡(luò)服務(wù)對測試內(nèi)核進(jìn)行下載

內(nèi)存地址為setenv bootcmd tftp 20008000；zImage；go 20008000。虛擬機(jī)的地址為setenv bootargs nfs nfsroot=191.166.1.189；開發(fā)板的地址為/source/rootfs ip=191.166.1.199。在啟動用戶程序的時候，首先啟動的是init=/linuxrc，串口設(shè)置為ttySAC0,115200，波特率是115200。

將環(huán)境變量保存，對開發(fā)板復(fù)位操作。將nfs掛載的文件系統(tǒng)設(shè)置好之后測試能否啟動，這樣就可以看到效果了[9]。在進(jìn)行.內(nèi)核測試以及啟動的時候，整個的過程都有一定的復(fù)雜性，所以在操作之前需要做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，保證測試工作正常進(jìn)行，才能獲得準(zhǔn)確的測試值。

3 ARM平臺下Linux嵌入式系統(tǒng)的移植

Linux系統(tǒng)的引導(dǎo)程序運(yùn)行的過程中，與普通的計(jì)算機(jī)差不多，即熟悉的BIOS，最接近硬件的軟件程序。Linux系統(tǒng)所發(fā)揮的作用是在嵌入式系統(tǒng)中發(fā)揮橋梁作用，軟件和硬件連接起來。在移植的過程中，將傳輸指令放置在物理地址00000000h的位置，跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)程序的入口，進(jìn)行硬件初始化運(yùn)行，這些硬件包括ARM硬件、I/O設(shè)備、緩存、存儲器、并行端口、串行以及LCD驅(qū)動程序。在移植的過程中，最為重要的是bootloader編程，所要實(shí)現(xiàn)的目的是保證bootloader和硬件初始化的安全性和可靠性，對硬件進(jìn)行分析，提高移植效率。

Linux內(nèi)核在arm平臺下的移植是運(yùn)用通信的方式將開發(fā)的程序下載到產(chǎn)品中，這其中所涉及到的內(nèi)容很多，諸如arch、kenel、lib、boot、Mach等等，還包括一些文件目錄，均屬于Linux文件系統(tǒng)。在移植操作的過程中：首先是地址的配置工作，其中所涵蓋的內(nèi)容包括計(jì)算機(jī)的IP地址配置、主機(jī)的IP地址配置和虛擬機(jī)的IP地址；其次是對文件進(jìn)行配置，所涵蓋的內(nèi)容包括xshell通信文件、模擬終端接口以及menuconfig文件等等；再次是make file文件的生成，之后要做好編譯調(diào)試工作。Linux系統(tǒng)的根文件中涵蓋有多項(xiàng)內(nèi)容，主要包括JFFS2、ext2、cmpfs等等。在配置文件系統(tǒng)的時候，要考慮到系統(tǒng)運(yùn)行的需要選擇相應(yīng)的文件。比如，選擇CRAFS是為了滿足系統(tǒng)的內(nèi)存需要[10]。

4 結(jié)束語

通過對上面內(nèi)容的研究可以明確，在嵌入式系統(tǒng)的ARM硬件和Linux軟件進(jìn)行研究的過程中，對于其優(yōu)勢予以分析，提出Linux操作系統(tǒng)具有移植功能。在ARM平臺下移植，需要將交叉開放的環(huán)境搭建起來，重視bootloader的選擇和移植工作，對kernel合理配置，并進(jìn)行編譯，保證移植順利進(jìn)行。