基于PXA255的嵌入式Linux应用平台的构建

1 引言

嵌入式Linux(Embedded Linux)是指对Linux经过小型化裁剪后，能够固化在容量仅有几十万字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用Linux操作系统。嵌入式Linux是由很多体积小且性能高的微内核系统组成，在内核代码完全开放的前提下，不同领域和不同层次的用户可以根据自己的应用需要很容易地对内核进行改造，在低成本的前提下，设计和开发出真正满足自己需要的嵌入式系统。

随着电子市场的发展壮大，高性能低功耗的多媒体手提设备和无线设备越来越受到市场的欢迎，Intel XScale PXA255处理器正是针对这一情况推出的。它采用Intel XScale微结构体系框架，采用ARMV5TE的7级超流水线，可以工作在200MHz、300MHz、400MHz下，集成了许多常用的外围接口，功能强大。本文将介绍如何在Intel XScale PXA255上构建嵌入式Linux应用平台。

一个嵌入式Linux系统的构建由以下步骤组成：加载Bootloader引导程序、交叉编译环境下加载和编译Linux内核和与之配套的根文件系统等，下面就逐步介绍各个步骤的实现情况。

2.1 加载Bootloader引导程序

 Bootloader引导程序是系统加电启动后运行的第一段软件代码。回忆一下PC的体系结构我们可以知道，PC机中的引导加载程序由BIOS(其本质就是一段固件程序)和位于硬盘MBR中的引导程序一起组成。而在嵌入式系统中，通常并没有像BIOS那样的固件程序，因此整个系统的加载启动任务就完全由Bootloader来完成。Bootloader的启动流程一般分为两个阶段：stage1和stage2。在 stage1中的代码通常用汇编语言实现，以提高系统运行的效率，而stage2中通常用C语言实现，目的是实现更复杂的功能和取得更好的代码可读性和可移植性。

在stage1中Bootloader主要完成以下工作：

项目基金：国家自然科学基金(50678099)

(1)基本的硬件初始化。

(2)为加载stage2准备RAM空间。

(3)拷贝stage2到RAM空间中。

(4)设置堆栈指针sp，这是为执行stage2的C语言代码做好准备。

在stage2中Bootloader主要完成以下工作：(1)用汇编语言跳转到main入口函数。(2)初始化本阶段要使用到的硬件设备。(3)检测系统的内存映射。(4)加载内核映像和根文件系统映像。(5)设置内核的启动参数。

本平台中的Bootloader选择的是U-Boot(Universal Bootloader)，是遵循GPL条款的开放源码项目。其源码目录、编译形式与Linux内核很相似，事实上，不少U-Boot源码就是相应的 Linux内核源程序的简化，尤其是一些设备的驱动程序，这从U-Boot源码的注释中就能体现这一点。就目前为止，U-Boot对PowerPC系列处理器支持最为丰富，对Linux的支持最完善。

在http://sourceforge.net/projects/u-boot下下载最新版本的U-Boot，移植之前需要仔细阅读u-boot目录下的readme文件，其中对如何移植做了简要的介绍。为了减少移植的工作量，可以在include / config目录下选一个和要移植的硬件相同或相似的开发板，根据硬件平台的配置情况和参考现有的源码，对配置文件进行修改和配置，如修改和配置 FLASH信息、SDRAM信息、网络配置、处理器配置、中断、开发版参数设置等。之后用make命令生成映像文件下载并烧写到FLASH中。

2.2 交叉编译环境下加载和编译Linux内核

2.2.1 建立交叉编译环境

所谓交叉编译是指当主机系统和目标系统的体系结构与操作系统不兼容时，将在主机系统上编译的可执行程序应用到目标系统上运行的编译方法。嵌入式系统通常是一个资源受限的系统，因此直接在嵌入式系统的硬件平台上编写软件比较困难，有时候甚至是不可能的。所以需要建立交叉编译环境，下载hybus- arm-linux-R1.1.tar.gz到/usr/local目录下。

# cd usr/local

# tar zxvf  hybus-arm-linux-R1.1.tar.gz

生成hybus-arm-linux-R1.1目录，然后在/root/.bash_profile下修改添加以下路径：

PATH=$PATH:/usr/local/ hybus-arm-linux-R1.1/bin

export PATH

至此，交叉编译环境建立完成。

2.2.2  加载和编译Linux内核

Linux系统的内核采用单块结构，可以动态地加载和卸载模块。系统利用内核模块的可动态加载和卸载功能，可以方便地在内核中添加新的组件或卸载不再需要的内核组件。内核模块的动态装载性使得内核映像的尺寸保持在最小，并且具有最大的灵活性，同时便于检验新的内核代码，而不需重新编译内核且重新引导，从而用户可以根据自己系统的需要构筑自己的私有内核，其源码的公开更为改造其内核提供了可能，尤其为重建有特殊要求的操作系统提供了可能。Linux的内核版本发行同Linux对嵌入式处理器支持程度的发展是不同步的，因此需要对特定的处理器体系结构选择适合的内核，在本文中选用2.4.18的内核版本，下载已经打好补丁的内核资源linux-2.4.18-rmk7.tar.bz2。

# tar jxvf linux-2.4.18-rmk7.tar.bz2

# cd linux-2.4.18-rmk7

# make menuconfig

# make dep

# make zImage

完成后在arch/arm/boot 路径下生成映像文件zImage，下载到开发平台上并烧写到FLASH中。

2.3 配置根文件系统

Linux并不使用设备标志符(如设备号或驱动器名称)来访问独立文件系统，而是通过一个将整个文件系统表示成单一实体的层次树结构来访问它。一个根文件系统需要包含支持Linux系统运行的所有文件，通常包括：

(1)基本的文件系统结构。

(2)基本的目录： /dev, /proc, /bin, /sbin, /etc, /tmp等。

(3)基本的工具： sh, ls, cp, cd, mv等。

(4)基本的配置文件： rc, inittab, fstab等。

(5)设备： /dev/hd*, /dev/tty*, /dev/fd0, /dev/ram*, /dev/console等。

(6)基本的运行库。

为了建立根文件系统，可以利用BusyBox工具，在网上下载最近版本busybox-1.1.0.tar.gz，一些主要步骤如下：

#tar zxvf busybox-1.1.0.tar.gz

#cd busybox-1.1.0

#make menuconfig

在build Options菜单下，可以选择静态库编译方式

[*]Build BusyBox as a static binary (no shared libs)

还需要使用带glibc库支持的交叉编译器arm-linux-gcc

[*]Do you want to build BusyBox with a Cross Compiler?

/usr/local/hybus-arm-linux-R1.1/bin/arm-linux-

在installation Options中选安装路径，默认是_install目录

[*]Don't use /usr

(./_install)BusyBox installation prefix

之后选择一些需要的编译命令后就可以编译BusyBox了。

#make dep

#make

#make install

完成后生成_install目录，目录下有bin linuxrc sbin目录，下面介绍对根文件系统的进一步配置：

建立etc目录

#mkdir etc

建立rc文件，内容如下：

#!/bin/sh

hostname XScale

mount -t proc proc /proc

cat /etc/motd

改变rc属性

#chmod 777 rc

建立inittab文件，主要内容如下：

::sysinit:/etc/init.d/rcS

::askfirst:/bin/sh

tty1::respawn:/sbin/getty 38400 tty1

tty2::respawn:/sbin/getty 38400 tty2

::restart:/sbin/init

::ctrlaltdel:/sbin/reboot

::shutdowm:/bin/umount -a -r

::shutdowm:/sbin/swapoff -a

在init.d目录下，建立rc文件的符号连接文件rcS

#ln -s ../rc rcS

建立dev目录，创建设备文件，可以用mknod命令创建，也可以复制主机平台/dev目录下的一些需要的设备文件到/_install/dev目录下。

制作JFFS2文件映像，在busybox-1.1.0目录下

#./mkfs.jffs2 -o newfs.img -e 0x40000 -r _install -p -l

生成映像文件newfs.img，下载并烧写到FLASH中。

3 结束语

   本文在Intel XScale PXA255处理器和Linux操作系统的基础上构建嵌入式Linux应用平台。主要分析了Bootloader的功能特点和实现Bootloader映像的制作、Linux系统的特点和交叉编译环境下加载和编译Linux内核，最后介绍支持Linux系统运行的精简根文件系统的实现。

本文作者创新点是：利用BusyBox这一工具，详细介绍了在PXA255处理器上精简根文件系统的实现过程，由于采用接口功能强大的XScale处理器和运行稳定的Linux操作系统构建嵌入式Linux应用平台，降低了开发难度，在很大程度上提高了应用平台的可靠性、稳定性和可维护性。可以根据需要编写程序，使开发板用于实际的工业应用等。

参考文献：

[1] 孙琼．嵌入式Linux应用程序开发详解[M]．北京：人民邮电出版社，2006

[2] 夏玮玮，沈连丰，肖 婕，等．嵌入式系统关键技术分析与开发应用[J]．业界论坛，2003，(2)：5-9．

[3] SARWAR．A1．SAGABI．LINUX&UNIX程序开发基础教程[M]．英宇，姚锋，译．北京：清华大学出版社，2004．

[4] 英海燕．基于ARM的嵌入式Linux操作系统移植[J]．现代情报，2005，(5)：155-156．

[5] Karim Yagbmour．Building embedded Linux system[M]．O'Reilly & Associates，Inc．2003

[6] 白伟平, 包启亮．基于ARM的嵌入式Bootloader 浅析[J]．微计算机信息, 2006, 4- 2:99- 100.