2018年02月07日 | 如何将μClinux移植到ARM7体系微处理器S3C4510B上

    Linux是一种支持多种体系结构处理器的操作系统，有很强的移植性。描述了将μClinux移植到基于S3C4510B处理器目标板上的方法与过程。首先介绍了S3C4510B处理器和μClinux，并简单说明了如何搭建移植环境，然后着重讨论了在该开发板上Bootloader的设计实现以及μClinux内核的移植方法，最后对在这种基于μClinux的嵌入式系统环境下如何开发应用程序做了简单说明。

    1引言

    ARM（AdvancedRISCMachines），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。

    1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器，即我们通常所说的ARM微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75％以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入我们生活的各个方面。

    采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：体积小、低功耗、低成本、高性能；支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定。ARM的产品主要包括ARM7Thumb家族和ARM9Thumb家族、ARM10Thumb家族以及StrongARM家族。

    2基于ARM的S3C4510B处理器和μClinux

    本文所使用的S3C4510B是Samsung公司使用ARM7处理器内核开发的一块嵌入式微处理器。作为一款高性价比的网络处理器，S3C4510B已广泛应用于各种网络设备中，其中央处理器为ARM7TDMI核。ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器，属低端ARM处理器核。TDMI的基本含义为：

    T：支持16位压缩指令集Thumb；

    D：支持片上Debug；

    M：内嵌硬件乘法器（Multiplier）；

    I：嵌入式ICE，支持片上断点和调试点。

    ThumbTM16位压缩指令集能以较小的存储空间需求，获得32位的系统性能。S3C4510B处理器包括8kB可配置的一体化Cache/SRAM，1个I2C串行接口，2个UART，2个32位定时器，18个可编程的通用I/O口，以及1个10M/100M以太网控制器。丰富的片内外围极大地简化了系统的设计。同时这款微处理器对操作系统的支持广泛，包括WindowsCE、Linux、PalmOS等μClinux是针对控制领域的嵌入式Linux操作系统，他从Linux2.0/2.4内核派生而来，沿袭了主流Linux的绝大部分特性。适合不具备内存管理单元(MemoryManagementUnit,简称MMU)的微处理器/微控制器，例如ARM7TDMI，他通常具有很少内存或Flash的嵌入式系统。在GNU通用公共许可证（GUNGPL）的保证下，运行μClinux操作系统的用户可以使用几乎所有的LinuxAPI函数，不会因为没有MMU而受到影响。

    3建立μClinux开发环境

    嵌入式系统的开发与一般的应用开发最大的差别在于，前者需要建立特殊的硬件环境，而后者一般基于特定的操作系统或分布式平台。后者的平台已经对硬件或网络媒质做了抽象，从而不需要由系统开发者来完成这些工作。而在嵌入式系统开发中，这也由开发者完成。

    嵌入式系统开发环境一般分成主机端(HOST)和目标板(TARGET)两个部分。主机端是开发平台，用于运行开发过程中的各种工具;目标板是运行和测试平台，是嵌入式系统的最终驻留环境。在主机端和目标板之间需要通过某种方式进行通信，如使用RS232C串口。这种通信的目的在于发送控制指令和传输数据，同时获得反馈信息。图1是系统移植工作的硬件环境。

    主机端的PC使用COM1通过MAX232和S3C4510B的UART1相连接，通过串口完成对目标板的必要控制功能。S3C4510B开发板上配备有一块DM9161以太网卡芯片和主机端建立原始(raw)IP连接，使用链路层地址完成大批量数据的传送。

    硬件环境建立之后，就需要创建软件开发环境。软件环境主要是指ARM体系结构的交叉编译环境，在主机端使用RedHatLinux8.0操作系统，并在其上建立gCC的ARM体系结构的交叉开发环境。可以从http://mac.os.nctu.edu.tw处下载工具链：

    (1)armelfbinutils2.115.i385.rpm

    一些辅助工具，包括objdump（可以反编译二进制文件），as（汇编编译器），ld（连接器）等。

    (2)armelfgcc2.95.32.i386.rpm

    配置目标为arm的GNU的C编译器。使用他在宿主机上开发编译目标上可运行的二进制文件。

    (3)genromfs0.5.11.i386.rpm

    生成Romfs的工具。Romfs是一种文件系统。这种文件系统相对于一般的ext2文件系统要求更少的空间。

    将这3个文件放在宿主机上的任意一个目录下，然后输入下面的命令来安装：

    们就建立好了μClinux的软件开发环境。

    4Bootloader的设计实现

    Bootloader被用于系统从硬件启动到操作系统启动的过渡，是嵌入式系统中必不可少的一段程序。他相当于PC机中的BIOS和OSLoader，用于初始化运行硬件和启动操作系统，因此其实现方式由硬件的特性决定。和BIOS/OSLoader一样，他需要固化在目标板中，每次启动目标板时，首先会运行Bootloader，在他完成CPU和相关硬件的初始化之后，才从事先规定的地址启动操作系统或嵌入式应用的固化程序。

    在嵌入式系统开发过程中，Bootloader还担任了与主机端通信的任务，他相当于一个“服务器”，不断监听从主机端传来的控制信息和数据信息，完成相应的操作。

    当系统上电后，Bootloader从地址0x0开始执行，将存储器映射重新配置，如表1所示，并会执行Linux的固化内核。

    

    Bootloader可以使用ARM仿真软件SDT2.5通过JTAG下载到目标板上。

    5μClinux内核的编译和移植

    作为操作系统的核心，μClinux内核负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件系统和网络系统，决定着系统的各种性能。μClinux内核采用模块化的组织结构，通过增减内核模块的方式来增减系统的功能。

    内核配置，在产品列表中选择Samsung/4510B。在库的选择上选uC-libc。

    (2)makedep

    寻找依存关系。

    (3)makeclean

    清除以前构造内核时生成的所有目标文件、模块文件和一些临时文件。

    (4)makelib_only

    编译库文件。

    (5)makeuser_only

    编译用户应用程序文件。

    (6)makeromfs

    生成romfs文件系统。

    (7)makeimage

    (8)make

    通过各个目录的makefile文件进行，会在各目录下生成一大堆目标文件。

    上述步骤完成后，就完成了对μClinux源码的编译工作。我们可以在/μClinuxSamsung/images目录下看到2个内核文件：image.ram和image.rom。

    其中iamge.rom可以直接烧写入Flash存储器中，当系统复位或上电时，内核自解压到SDRAM运行。Image.ram可以通过SDT载入到SDRAM中直接运行。

    μCLinux的内核有2种可选的运行方式：可以在Flash上直接运行，也可以加载到RAM中运行。

    Flash运行方式：把内核的可执行映像文件烧到Flash上，系统启动时从Flash的某个地址开始逐句执行。这种方法实际上是很多嵌入式系统采用的方法。

    内核加载RAM方式：把内核的压缩文件存放在Flash上，系统启动时读取压缩文件在内存里解压，然后开始执行，这种方式相对复杂一些，但是运行速度可能更快。同时这也是标准Linux系统采用的启动方式。

    6应用程序在μClinux上的开发

    下面将介绍如何把一个应用程序（例如examplec）添加到μClinux上的过程。

    首先进入μClinux-Samsung/user目录并建立一个自己的子目录，如myproject。将examplec复制到myproject目录下，并编写相应的makefile文件。接着进入user目录，增加一行语句到该目录下的makefile文件：

    dir_$(CONFIG_USER_MAAPP_LEDNXY)+=myapp

    切换到目录μClinuxSamsung/config下，打开configin这个文件，并在最后增加类似下面的语句：

    mainmenu_optionnext_comment

    comment'MyApplICation'

    bool'example'CONFIG_USER_MYPROJECT_

    EXAMPLE

    comment'MyApplication

    endmenu

    此后，在编译内核的makemenuconfig时就可以在CustomizeVendor/UserSetting(NEW)这一项的子菜单中选中自己的应用程序example，然后按第5节中相同的办法进行编译即可。

    但是，如果我们每修改一次应用程序，就要把他加入到内核中重新编译，显然效率太低，也不可行。那么有什么方法来节省调试时间呢?

    在上面的章节中曾提到Bootloader可以担当与主机端通信的任务，在这里我们就可以通过他把应用程序快速下载到目标板上。

    首先通过elf2flt这个工具交叉编译example.c生成在μClinux下的可执行文件example（flat格式）,命令如下：

    arm-elf-gCC-Wall-o2-wl,elf2flt-oexampleexample.c

    接着将宿主机与目标板通过串口线连接，并在宿主机上启动一个超级终端，例如minicom，选择好一个COM口（通常是串口1），设置波特率为19200，8个数据位、1个停止位，无校验。然后选择传输协议Zmodom,最后选定需要传输的文件example并发送。传输结束后可以通过超级终端在目标板的目录中发现example，这说明传输成功。

    在目标板上将example加上x属性（可执行属性），然后输入命令/example就可以运行此程序了。显然，通过这种方法可以很方便快捷的调试应用程序，等调试结束，再把他加入到内核中一起编译即可。

    7结语

    讨论了如何将μClinux移植到ARM7体系微处理器S3C4510B上的基本流程，同时也简要的介绍了Bootloader以及应用程序的加载和调试方法。在不同的宿主机和目标板环境下，具体移植过程中可能会出现各种不同的错误或问题，可以充分利用GCC这个强大的工具，根据他的错误提示来一步步的进行修正，最终成功的移植μClinux。