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Linux操作系统在ARM上 的移植过程及分析
发布时间:2009/7/23  阅读次数:678  字体大小: 【】 【】【

一. 前言
          面向A R M 微处理器构架的嵌入式操作系统的使用量将在今后五年持续增长,在各种嵌入式操作系统中,Linux是获得支持最多的第三大力量。

          目前,ARM Linux 支持包括A R M 6 1 0 、A R M 7 1 0、A R M 7 2 0 Tcores、ARM920T cores、StrongARM110、StrongARM 1100、XScale 等系列的 ARM 处理器。这些处理器都具有M M U 单元,与之相对应是NO MMU 的uClinux,主要是支持ARM7TDMI 系列的微处理器。在ARM Linux 的基础上,很多开发者将其移植到了自己的硬件平台上,并提交相应的 Machine Type。

本文以实例分析完整地介绍了移植的过程,对于准备在 ARM Linux 上做应用开发的技术人员有一定的借鉴作用。

二. ARM Linux 的移植过程

              将ARM Linux 移植到特定的硬件平台上,大致需要分成四个步骤:
                                  1)首先是准备工作,包括下载源码、建立交叉编译环境等;
                                  2)然后是配置和编译内核,必要时还要对源码做一定的修改;
                                  3)第三步就是需要制作 RAM disk 来挂接根文件系统;
                                  4)最后是下载、调试内核并在 RAM disk中添加自己的应用程序。

本文以StrongARM 为例,说明如何将 ARM Linux 移植到 SA1110 微处理器上。
下面分四个部分介绍移植工作:

1.内核源码及交叉编译环境的准备
2.ARM Linux 的内核配置与编译
3.制作RAM Disk
4.内核下载和运行

1.内核源码交叉编译环境和准备

1.1 内核源码下载
         标准Linux 的内核源码可以从ftp://ftp.kernel.org 下载,在很多的镜像ftp 站点上也可以方便地获得,建议使用 2.4 版本的内核。ARM Linux 是基于标准Linux、内核为ARM 做的补丁,在ftp://ftp.arm.linux.org.uk上可以下载。当然也可以直接下载已经针对标准内核打好补丁的ARM Linux源码包,例如 SkyEye 上提供的 linux-2.4.18-rmk7.tar.bz2,就是基于 2.4.18内核和 rmk7 补丁,可以直接解压之后进行编译。


1.2 交叉编译环境的建立

         移植前需要在宿主机上建立ARM 的交叉编译环境,主要用到的开发工具包括三个部分:binutils、gcc、glibc。其中,binutils 是二进制文件的处理工具;gcc 是编译工具;glibc 是链接和运行库。所有需要用到的工具既可以下载源码自行编译,也可以直接下载已经编译好的二进制工具。

1.2.1. binutils 的安装

         binutils主要包含了一些辅助开发工具,例如objdump显示反汇编码、nm列出符号表、readelf显示elf文件信息及段信息、strip将不必要的代码去掉以减少可执行文件大小等。这些工具在嵌入式开发初期,尤其是移植调试操作系统时非常有用。

安装的步骤:
1) 下载安装包文件: binutils-2.11.2.tar.gz;

2) 解开安装包到当前目录下:
          tar    zxf    binutils-2.11.2.tar.gz,此时在当前目录下生成一个 binutils-2.11.2目录。

3) 配置安装包:./configure --target=arm-linux --prefix=/usr/local
         target 选项表示选定的目标代码格式,一般是 arm-linux,prefix 表示在执行 make install 时的安装根路径。

4) 编译和安装:make、make install
      注意安装时可能需要 root 权限,在prefix目录下当前用户有写权限,安装成功后,binutils工具将安装在/usr/local/arm-linux 目录下。


1.2.2. gcc 交叉编译器

         gcc 是用来编译内核代码的工具,使用它可以编译汇编语言和C语言的程序,生成ARM的代码。建议使用gcc 2.95以上的版本来创建ARM开发环境,本文使用2.95.3版本。

安装的步骤:
1) 下载安装包文件和补丁程序:gcc-2.95.3.tar.gz;gcc-2.95.3.diff.bz2

2) 解开安装包到当前目录下:
      tar zxf gcc-2.95.3.tar.gz,此时在当前目录下生成一个 gcc-2.95.3 目录,进入该目录。

3) 对当前的安装包打补丁:
      bzcat ../gcc-2.95.3.diff.bz2 | patch -p1。

4) 修改 gcc/config/arm/t-linux 文件,在文件最后加上如下条件编译选项:
      T_CFLAGS = -Dinhibit_libc    -D__gthr_posix_h。

5) 配置安装包:./configure --target=arm-linux --prefix=/usr/local    --with-headers=arm linux源码目录下的include目录。
      这里前两个选项和上面binutils的安装类似,--withheaders是用来指定内核头文件的目录,一般就可以使用上面ARM linux的include目录。需要注意的是这里的路径需要用全路径名,而不能使用相对路径。

6 ) 编译源码:make LANGUAGE=“C ”
      这里因为还没有一个ARM可用的glibc,所以只能编译C 语言的交叉编译工具。如果在编译好 glibc 之后,就可以回来重新编译gcc,以支持其他语言。

7) 安装编译好的工具:make install LANGUAGE=“C”
      安装成功以后,arm-elf-gcc将安装在/usr/local/arm-linux目录下。有了安装好的binutils和gcc工具,就可以用来编译ARM Linux内核了。如果需要在ARM Linux 做应用程序的开发,就还需要一个glibc库的支持。

1.2.3. glibc 库

           glibc 的编译需要为刚才做好的ARM 交叉编译器指定编译器;否则编译出的glibc代码将会是同时有ARM和 x86代码的混和体。

1) 解开安装包:tar zxf glibc-2.2.3.tar.gz。
      此时在当前目录下生成一个 glibc-2.2.3 目录,进入该目录。

2) 解开glibc-linuxthreads安装包: tar    zxvf    ../glibc-linuxthreads-2.2.3.tar.gz

3) 设置编译器: CC=arm-linuxgcc

4) 配置安装包: ./configure arm-linux --build=i586-linux --prefix=/usr/local/arm-linux -enable-add-ons
          arm-linux 表示选 ELF 格式的可执行格式,--build=i586-linux 表示用来制作交叉开发环境的宿主机的机器类型,--prefix=/usr/local/armlinux表示安装的路径,这里不能指定为/usr/local,否则会把 /usr/local下的库覆盖掉,需要非常留意。

5) 编译和安装: make; make install
         安装成功后,glibc 库将安装在/usr/local/arm-linux 目录下。

2.ARM Linux 的内核配置与编译

2.1􊔠内核配置选项
         在安装完内核源码和所需的开发工具之后,需要对内核进行配置,主要包括:

1)选择处理器类型:
           选择SA1100-based System Type (SA1100-based) ARM system type

2)选择板级支持:
          选择Assabet板SA11x0 Implementations --->

  • Assabet

    3)选择对 RAM disk 支持:
              选择RAM disk支持,大小为512k字节Block devices --->
  • RAM disk support(512) Default RAM disk size
  • Initial RAM disk (initrd) support

    4)选择设备驱动支持:
              选择串口设备驱动,这样在内核启动时就可以从串口打印出启动信息。
               Character devices --->
              Serialdrivers --->
              
  • SA1100 serial port support
              
  • Console on SA1100 serial port (9600) Default SA1100 serial baudrate

    5)选择文件系统支持:
               选择Ext2
              
  • Second extended fs support

    2.2 编译内核
                  根据最后生成的内核是直接在RAM 中运行还是从ROM中启动,并且编译内核也有两种方式,分别是压缩方式和非压缩方式。

    1)非压缩方式
          该方式下内核在RAM中运行,需要先通过bootloader将内核执行映像文件下载到指定地址,然后再跳转到下载地址处开始执行。一般内核的大小会超过512K,这种方式使用make vmlinux来编译内核,或者直接用make命令。

    2)压缩方式
          这种方式下内核从ROM中启动,将被压缩的内核解压缩到RAM,然后执行内核。其优点是可以将内核先烧至flash中,而无需收工下载;同时压缩后的内核也非常小,大约只有200k~300k左右;这种方式使用make zImage来编译内核。
  • 3. 制作RAM disk(RamDisk也就是内存盘的意思)

             所谓的RAM disk,实际上是把系统内存划出一部分当作硬盘使用。对于操作系统来讲内存的存取速度远远大于机械磁盘,所以RAM驱动器肯定要比机械的硬盘快得多。你可以把整个应用程序都安装在RamDisk的驱动器中,然后用内存的速度运行它.

          ARM Linux采用RAM disk的方式来装载根文件系统,所有在运行内核之前,需要先制作RAM disk,将必须的文件和设备加入到RAM disk中,当内核启动后,会从指定地址去读取根文件系统,这里我们使用RAM disk,在内存中虚拟一个磁盘,具体方法如下:

    1)首先创建一个512k的虚拟磁盘,文件名为initrd.img:
          dd if=/dev/zero of=initrd.img bs=1k count=512

    2)将虚拟磁盘文件格式化成ext2文件系统格式:
             mkfs.ext2 -c initrd.img
         这就生成了一个支持ext2文件系统的ramdisk

    3)添加文件和设备
          mount这个文件系统到/tmp下,mount -o loop -t ext2 initrd.img /tmp

    4)向/tmp中添加linux启动必须的文件和设备
          /bin/sh
          /bin/init
          /dev/console
          /etc/rc
          /etc/motd
    以上这几个程序和设备是启动Linux必须的,这样得到的ram disk大约是400k。

    代码:

    针对这几个目录的解释(感谢david的搜集整理)
    .
    /bin/sh (/bin/sh是一个SHELL,用来启动系统时执行很多脚本程序的)
    /bin/init init进程的启动程序,在核内引导完成后,LINUX KERNEL都会执行/sbin/init,/etc/init or /bin/init
    /dev/console 是系统控制终端,可以理解为console指向激活的那个tty(准确地说是激活的那个tty才将输出显示到console)
    /etc/rc 当改变服务的运行级别时,此文件负责启动/停止服务
    /etc/motd    在管理员希望向 Linux 服务器的所有用户传达某个消息时使用,比如登陆时会打印出来 这里面的内容
     
  • 4.内核的下载和执行

    4.1.内核下载
             内核的下载一般通过bootloader来完成的,当然也可以通过修改arch/arm/Makefile文件来设置自己的TEXTADDR;TEXTADDR的值在make时传递给arch/arm/vmlinux.lds,在链接时,arm-linux-ld将使用vmlinux.lds来定位内核的起始地址。

    如果是压缩的内核,则可以在make menuconfig时,选择General setup->
                  

  • Compressed boot loader in ROM/flash
                  (0) Compressed ROM boot loader base address
                  (c0000000) Compressed ROM boot loader BSS address

    这里缺省的Compressed ROM boot loader base address是0。

    4.2. RAM disk下载

             RAM disk的下载也是通过bootloader来完成的,它的下载底子好是在内核源码文件arch/arm/machsa1100/assaber.c中定义的,在fixup_addabet()函数中设置了:
             t->u.initrd.start = 0xc0800000;
               t->u.initrd.size = 3 * 1024 * 1024;

    我们制作的ram disk只有512k,所以需要修改t->u.initrd.size = 512 * 1024;下载地址为0xc0800000

    4.3 内核运行
         根据硬件情况修改源码编译之后,就可以通过bootloader下载执行了,内核运行时会通过串口向主机上的超级终端输出启动信息;当ARM linux启动并进入shell之后,就可以运行用户编写的应用程序了,添加自己的应用一般分为两个步骤:
          1)交叉编译得到应用程序的可执行文件(elf格式)
          2)将该可执行文件添加到ram disk中
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