1.引言
目前，在嵌入式系統里基于ARM微核的嵌入式處理器以其功耗低，功能強大的優點已經成為市場的主流。與此同時，在網絡上發展起來的Linux操作系統，以其功能強大，開放源代碼，支持硬件種類眾多的特點，越來越受到人們的青睞。然而如何把Linux操作系統移植到ARM平臺上卻成了一個重點，也是一個難點問題。

嵌入式Linux系統包括引導程序(Bootloader),內核(kernel)和根文件系統三個部分,其開發流程如圖1所示:嵌入式Linux 移植到特定的硬件平臺上,一般需要以下五個步驟:(1)前期準備包括從網站http://kernel.org上下載嵌入式Linux的源碼包, 搭建交叉編譯開發環境,配置主機的開發環境等(2)配置Bootloader,并將其燒寫到目標平臺的Flash上,使其能正常的啟動內核；(3)配置和編譯Linux內核，首先要對源碼進行一定的修改, 并將其移植到目標平臺上,然后再根據自己的硬件資源進行裁減,使內核達到最優；(4)制作RAMDISK來掛接Linux的根文件系統,并在 RAMDISK上添加自己的應用程序；(5)部署Linux系統使目標板脫離交叉開發環境,直接在目標機上本地啟動運行。本文就將根據實際項目開發中一個 ARM構架的嵌入式系統為例，闡述如何移植Linux到AT91RM9200的ARM平臺上。

2.建立交叉編譯環境

一般而言，直接在移植的目標硬件平臺上編寫和調試Linux比較困難，目前一般采用的辦法是首先在通用計算機上編寫程序，然后通過交叉編譯生成目標平臺上可以運行的二進制代碼格式，最后再下載到目標平臺上的特定位置上運行。

移植前需要在宿主機上建立如圖2所示的ARM的交叉編譯環境,建立ARM的交叉編譯環境主要用到的開發工具有: binutils、gcc、glibc，其中 binutils是二進制文件的處理工具； gcc是編譯工具, 用來編譯內核代碼的工具； glibc 是鏈接和運行庫。社區的開發者和一些芯片廠商已經編譯出了常用體系結構的工具鏈，使用這些工具鏈，可以大大減少工作量。交叉編譯工具的安裝步驟如下: (1)從官方站點http://arm.Linux.org.uk下載cross-2.95.3.tar.bz2；

(2)在usr/local/arm下解壓:#tar -jxvf cross-2.95.3.tar.bz2;

(3)在/etc/bashrc文件中修改PATH環境變量，加入export PATH=/usr/local/arm/2.95.3/bin:$PATH。

3. ARM Linux系統的開發

3.1 Linux啟動代碼Bootloader的移植

Bootloader是在操作系統內核運行之前運行的一段小程序。這段程序完成硬件的初始化和建立內存空間的映射圖等重要工作，為內核的啟動創建正確的環境，并最終啟動內核，Bootloader在Linux嵌入式系統中所處的層次位置如圖3所示。Bootloader的實現依賴于CPU的體系結構，大多數的Bootloader都分為stage 1和stage 2兩大部分，圖4為兩階段Bootloader的結構框圖。依賴于CPU體系結構的代碼，如設備初始化代碼等，通常都放在stage 1，而且用匯編語言實現。而stage 2則通常用C語言實現，這樣可以實現復雜功能，而且有更好的可讀性和移植性。

目前基于嵌入式系統的Bootloader版本很多，如Blob、Redboot、Vivi和U-Boot等，下面就以現在最流行的U-Boot為例，詳細介紹如何將它移植到自己的目標板上。U-boot移植主要步驟如下：

首先基于自己的目標板的硬件資源，修改或添加U-Boot源代碼的board/at91rm9200目錄中如下源碼文件：(1)重寫FLASH的設備控制程序flash.c , U-Boot讀、寫和刪除Flash設備的源代碼文件。由于在不同目標板中FLASH存儲器種類各不相同，參照自己flash的datasheet重寫 flash的設備控制程序flash.c，該程序完成的功能包括Flash初始化、打印Flash信息、Flash擦除和Flash寫入等操作。(2)添加memsetup.s。該匯編源碼文件初始化時鐘、SMC控制器和SDRAM控制器。(3)添加網卡芯片DM9161E的設備控制程序dm9161.c 和dm9161.h,程序。(4)修改Makefile文件。對上述修改或添加的源代碼文件編譯后，在Makefile里面主要做如下修改: OBJS :=at91rm9200dk.c at45.o dm9161.o flash.o  SOBJS:=memsetup.o(5) U-Boot.lds ,設置U-boot中各個目標文件的連接地址，基本不做修改。(6)config.mk。根據目標板的一級boot來修改，修改后TEXT BASE=0x21f00000。

其次，修改目錄include/configs的頭文件at91rm9200dk.h，根據目標板的資源配置，修改內容包括CPU ,系統時鐘、RAM 、Flash等配里信息以及內存映射相關參數。該頭文件還定義了U-Boot的一些環境變量和內核啟動參數.可在U-Boot啟動后通過setenv和 saveenv命令修改。U-Boot-1.1.2版本對at91rm9200處理器提供良好的支持，因此對于目錄CPU at91rm9200中的源碼基本不做修改。在U-Boot-1.1.2的Makefile中加入如下代碼：

at91rm9200dk_config: unconfig@/mkconfig $(@: _config=) arm at91rm9200 at91rm9200dk

其中“arm”是CPU的種類，at91rm9200是ARM CPU對應的代碼目錄，at91rm9200dk是目標板對應的目錄。由于交叉編譯器安裝在目錄/usr/local/arm，應把環境變量 CROSS_COMPILE設置成相應路徑：CROSS_COMPILE=/usr/local/arm/2.95.3 /bin/arm-linux-

最后，調試U-Boot源代碼，直到U-Boot在開發板上能正常啟動，調試成功后，燒寫U-Boot到FLASH，燒寫完成后，復位目標板，串口終端就顯示U-Boot的啟動信息。

3.2  Linux內核的移植、配置和編譯

標準Linux內核相對于資源受限的嵌入式系統來說是過于龐大，整個代碼分布如圖5所示，因此要將其移植到嵌入式系統上，就需要將Linux內核根據目標平臺的情況進行剪裁、配置,該目標板的主要硬件資源如圖6所示。和ARM體系結構相關的代碼都放在arch/arm/以及include/asm-arm/目錄下，將linux移植到ARM平臺上，主要修改這兩個目錄下的代碼。要想使linux內核應用于自己的ARM平臺AT91RM9200上，必須對內核的源代碼做一定的修改,主要修改部分如下：(1) 修改根目錄下的Makefile文件，確認ARCH和CROSS_COMPILE的定義：ARCH :=arm； CROSS_COMPILE :=arm-linux- (2)修改arch目錄下的Makefile文件,根據自己的電路設置TEXTADDR變量，TEXTADDR決定內核起始運行地址，即 image.ram應下載的地址。(3)修改arch目錄下的config.in 文件，添加CONFIG_ARCH_AT91RM9200自選項，config文件決定了menuconfig菜單的內容，把使用的平臺加在需要的地方，這樣在配置linux內核時就能夠選擇是否支你的平臺了。

(4)修改arch/arm/boot目錄下的Makefile文件,根據自己的電路設置ZTEXTADDR和ZRELADDR, ZTEXTADDR和ZRELADDR分別是自解壓代碼的起始地址和內核解壓后代碼輸出起始地址。(5)修改arch/arm/boot /compressed目錄下的Makefile文件,加入head-at91rm9200.S (6)修改arch/arm/kernel目錄下的Makefile文件，增加AT91RM9200的支持，同時在    debug-armv.S中加入關閉全部外圍設備，保證系統正常運行的代碼，在entry-armv.S中加入關于CPU中斷處理部分的代碼。(7)修改 arch/arm目錄下的mm-armv.c文件，將init_maps->bufferable=0改為init_maps-> bufferable=1；

當然，一些大的芯片開發商在發行芯片的同時，針對自己芯片的體系結構對linux內核作了一些補丁。實驗中使用的是針對AT91RM9200體系結構的補丁patch-2.4.19-rmk7給標準內核源代碼打上補丁后，該內核就可應用于AT91RM9200了，這樣可以大大減少開發的工作量。

移植之后要做的工作就是編譯內核，要想編譯適合自己工程中需要的內核，首先要對內核進行配置，常用的配置命令有：make config；make oldconfig；make menuconfig；make xconfig；make defconfig；Linux內核包允許用戶對其各類功能逐項配置,在配置時, 大部分選項可以使用其缺省值, 只有小部分需要根據用戶不同需要選擇。選擇的原則是將與內核其它部分關系較遠部分且不經常使用的部分功能代碼編譯成為可加載模塊, 有利于減小內核的長度, 減小內核消耗的內存,不需要的功能就不要選, 與內核緊密且經常使用的部分功能代碼直接編譯到內核中。主要是進行以下幾項配置: (1)選擇處理器類型；(2)選擇板級支持；(3)選擇對RAMDISK支持、對設備驅動的支持以及對文件系統的支持。在配置工作完成后, 就可以進行內核編譯。

編譯內核有壓縮方式和非壓縮兩種方式。非壓縮方式使用make vmlinux來編譯內核，或者直接運行make命令。壓縮方式用make bzImage來編譯內核。編譯成功后會在arch/arm/boot目錄中生成內核的鏡像，此鏡像下載到flash中就可以通過bootloader引導。具體的編譯步驟如下：(1) 進入打上補丁修改好的內核源代碼目錄下，執行make mrproper；make clean這兩條指令，將源代碼清理干凈(防止以前編譯產生的“垃圾”干擾)。(2)執行make at91rm9200dk_config,使源代碼按照AT91RM9200體系結構來配置。 (3)執行make o1dconfig(保存原編譯配置)(4)執行make menuconfig進入內核編譯前配置界面，進行配置。(5)執行make dep聲稱編譯要用的依賴文件。(6)執行make zImage生成內核鏡像。

3.3 文件系統的移植

linux采用文件系統組織系統中的文件和設備，為設備和用戶程序提供統一接口。linux要啟動起來還需要有根文件系統。根文件系統的作用是存放各種工具(如Linux命令)、應用程序、必需的鏈接庫等等。通常用busybox來制作根文件系統，在busybox中包含一百多種Linux上標準的工具程序, 而這些工具程序僅需幾百k空間。busybox使用非常方便, 只要建立一個符號連接即可, 用戶可以通過配置Config.h 和Makefile文件來定制busybox。將busybox復制到bin目錄中,分別使用ln-s 建立每一個命令的符號連接。但應該注意的是busybox需要glibc支持(如果使用靜態連接則不需要glibc 庫文件),因此還需要將運行busybox所需的庫文件copy到lib目錄中, 并建立符號連接。到此為止, ARM Linux 的根文件系統就已經建立起來了。

ARM Linux采用RAMDISK的方式來裝載根文件系統，所以在運行內核之前，需要先制作RAMDISK,將必須的文件和設備加人到RAMDISK中。內核啟動后，會從指定地址去讀取根文件系統，這里我們使用RAMDISK在內存中虛擬一個磁盤，具體方法如下：

(1)首先創建一個2048k的虛擬磁盤，文件名為initrd.img：# dd  if= dev/zero of=initrd.img bs= lk count= 2048  (2)將該虛擬磁盤文件格式化成Ext2格式：# mkfs ext2 -c initrd.img這就生成了一個支持Ext2文件系統的ramdisk  (3)mount這個文件系統到/tmp下，# mount -o loop -t ext2 initrd.img /tmp  (4)向/tmp中添加linux啟動必須的文件和設備。 # cd  /tmp;  # mkdir bin dev etc lib mnt proc sbin sys usr  以上這幾個程序和設備是啟動Linux必須的，這樣得到的ramdisk大約400k  (5)創建設備節點，添加相應的程序，將已經訂制好的一個文件系統全部復制過來。# cp –a  myfs/*  /tmp  (6)壓縮映像，把loop設備卸載下來，然后用gzip命令把映像壓縮一下。# umount /tmp ;  #gzip –best –c initrd.img > initrd.img.gz現在我們就得到了一個壓縮的RAMDISK映像initrd.img.gz制作好了。

4. 內核的下載和執行

要想使目標板的Linux系統脫離交叉開發環境，直接在目標機上本地啟動運行，必須通過U-boot將U-boot映像，內核映像和RAMDISK 映像燒寫到FLASH中，因為使用U-boot引導程序需要使用U-boot格式的內核映像和RAMDISK映像，可以通過以下命令來實現：
($U-BOOT-PATH)/tools /mkimage -A arm -O linux -T kernel -C gzip –a 0x20008000 -e 0x20008000 –n “linux-2.4.19”-d linux.bin.gz uImage
($U-BOOT-PATH)/tools/mkimage-A arm -O linux -T ramdisk -C gzip –a 0x21100000 -e 0x21100000 –n “RAMDISK”-d ramdisk.bin ramdisk

通過U-boot將uImage和ramdisk燒寫到flash相應的分區中去，燒寫到flash相應分區的地址如圖7所示：燒寫完畢后設置u- boot的環境變量，讓系統自動啟動，系統復位后，Linux系統就可以完全自動從本地flash啟動了，啟動后，進行地址映射，u-boot會把u- boot壓縮映像，kernel壓縮映像，ramdisk壓縮映像全部拷貝到SDRAM的相應地址，SDRAM的映射地址如圖8所示，這時Linux系統完全在SDRAM中運行了，Linux系統真正啟動起來了。

5. 總結

本文根據一個特定的目標平臺，結合AT91RM9200的開發經驗，詳細介紹了將Linux移植到ARM構建的嵌入式系統上的主要技術和整個流程，實現了Linux 向目標系統AT91RM9200的移植，移植后的操作系統在目標板上運行穩定，并且可以根據實際需要編寫相應的控制程序，將其應用于實際工業控制中。掌握這些技術，對于開發嵌入式系統十分重要，對開發其他類型的嵌入式系統同樣具有參考意義。

本論文作者創新點：從軟件與硬件的相互關系, 硬件對軟件的制約、硬件對軟件的支持這個角度對裁減和移植進行了分析，同時在Bootloader(啟動代碼)的移植，Kernel(內核)的裁減和移植過程中，把代碼分成了兩部分，一部分是和硬件相關的部分，一部分是和硬件無關的部分，這樣做不僅思路清晰，而且可以大大減少工作量。

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