摘? 要: 介紹了一種嵌入式Linux操作系統(tǒng)—uClinux,給出了一種MCF5272硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì),并實(shí)現(xiàn)了uClinux在該目標(biāo)板" title="目標(biāo)板">目標(biāo)板上的移植,講述了MCF5272處理器平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)和uClinux板級(jí)移植的一般性方法。

　　關(guān)鍵詞: uClinux? MCF5272? 移植

?

1 操作系統(tǒng)uClinux

　　Linux是一種很受歡迎的類UNIX操作系統(tǒng),它免費(fèi)并開放源代碼" title="源代碼">源代碼,在個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。更重要的是,Linux采用模塊化設(shè)計(jì),實(shí)際應(yīng)用中可以定制,因此Linux也適用于嵌入式領(lǐng)域。uClinux正是Linux的一個(gè)嵌入式版本,其內(nèi)核的二進(jìn)制映像文件可以做到小于512KB。

　　uClinux針對(duì)無內(nèi)存管理單元MMU(Memory Management Unit)的處理器設(shè)計(jì),支持多任務(wù),具有完備的TCP/IP協(xié)議棧并支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。uClinux還支持多種文件系統(tǒng)" title="文件系統(tǒng)">文件系統(tǒng),如ROMFS、NFS、FAT16/32。實(shí)際上,uClinux已經(jīng)成功應(yīng)用于路由器、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、機(jī)頂盒、PDA等諸多領(lǐng)域。

　　另外,uClinux可移植性很強(qiáng),用戶通過重新配置、編譯內(nèi)核,很方便將其移植到68K、Dragon Ball、ColdFire、Power PC、ARM等多種處理器計(jì)算平臺(tái)。當(dāng)前uClinux提供2.0和2.4兩個(gè)內(nèi)核版本。從內(nèi)核版本2.2開始,Linux被設(shè)計(jì)成與IEEE POSIX標(biāo)準(zhǔn)兼容的系統(tǒng),這意味著大部分已有的UNIX程序,源代碼不經(jīng)修改就可以進(jìn)行編譯并移植到新的目標(biāo)平臺(tái)。筆者選擇了2.4內(nèi)核的uClinux作為平臺(tái)操作系統(tǒng)。

2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 處理器

　　目標(biāo)平臺(tái)CPU采用Motorola公司生產(chǎn)的ColdFire嵌入式處理器MCF5272。MCF5272采用ColdFire V2可變長RISC處理器核和DigitalDNA技術(shù),在66MHz時(shí)鐘下能夠達(dá)到63MIPS@Dhrystone2.1的優(yōu)良處理能力。其內(nèi)部SIM(System Integrated Module)單元集成了豐富的通用模塊,如10/100Mbps快速以太網(wǎng)控制器、USB1.1接口等,并且能夠與常用的外圍設(shè)備(如SDRAM、ISDN收發(fā)器)實(shí)現(xiàn)無縫連接,從而簡化了外圍電路設(shè)計(jì),降低了產(chǎn)品成本、體積和功耗。

2.2 系統(tǒng)內(nèi)存

　　系統(tǒng)內(nèi)存" title="系統(tǒng)內(nèi)存">系統(tǒng)內(nèi)存由三部分組成。MCF5272內(nèi)部集成了4K字節(jié)的SRAM(靜態(tài)RAM)以及片外擴(kuò)展的FLASH(閃爍存儲(chǔ)器)和SDRAM(同步動(dòng)態(tài)RAM)。FLASH容量為1M×16Bit,AMD29LV系列,片選信號(hào)為CS0,用于存放矢量表、uClinux內(nèi)核映像及ROMFS文件系統(tǒng)。SDRAM采用兩片HY系列4M×16Bit的SDRAM,共同組成16M、32位寬的系統(tǒng)主存儲(chǔ)器。SDRAM片選信號(hào)為CS7。

2.3? 通用外設(shè)

　　MCF5272內(nèi)部集成了UART、USB控制器,只需很少的外圍芯片就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)RS232串口和一個(gè)USB Slave接口。MCF5272還內(nèi)嵌一個(gè)FEC(快速以太網(wǎng)控制器),片外擴(kuò)展一片LXT971,可方便地實(shí)現(xiàn)了一個(gè)100/10 Base T的以太網(wǎng)接口。

2.4 調(diào)試接口

　　ColdFire系列處理器支持背景調(diào)試模式(BDM),它提供了對(duì)底層硬件的調(diào)試手段。在背景調(diào)試模式下,通過向CPU發(fā)送命令,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CPU寄存器、系統(tǒng)存儲(chǔ)器的訪問。使用Motorola推薦的26針插座接到BDM仿真頭,實(shí)現(xiàn)代碼的下載和調(diào)試。

3 移植uClinux到目標(biāo)平臺(tái)

3.1 uClinux的啟動(dòng)過程

　　uClinux的啟動(dòng)通常經(jīng)歷三個(gè)階段。首先,它必須完成CPU和存儲(chǔ)器的硬件初始化。在系統(tǒng)RAM中建立程序堆棧和數(shù)據(jù)段(包括DATA和BSS數(shù)據(jù)段),建立程序的運(yùn)行時(shí)環(huán)境。如果ROMFS是RAM駐留的,也必須對(duì)其進(jìn)行初始化。

　　最初的初始化完成后,uClinux內(nèi)核就取得了CPU的控制權(quán),開始操作系統(tǒng)自身的初始化。這包括建立RAM中斷矢量表、加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、內(nèi)存管理模塊等。這一切完成后,uClinux啟動(dòng)一個(gè)最初的init線程,進(jìn)入到第三階段。這時(shí)候內(nèi)核已經(jīng)正常運(yùn)行,外圍模塊也都就緒,開始執(zhí)行一些腳本文件(如/etc/rc腳本文件)。這通常是嵌入式開發(fā)者最感興趣的一個(gè)切入點(diǎn)。

3.2 編寫硬件相關(guān)代碼

　　作為源代碼公開的免費(fèi)操作系統(tǒng),uClinux源代碼可以從www.uclinux.org得到。這個(gè)源代碼也在不斷更新。筆者使用的是于2002年5月發(fā)布的Greg Ungerer(gerg@snapgear.com)版本。該版本的uClinux包含了對(duì)Motorola公司M5272C3和其他幾款MCF5272評(píng)估板的支持。但與筆者的目標(biāo)平臺(tái)相比,硬件資源并不完全相同,且為RAM版本,并不能直接固化到ROM中。于是決定直接在M5272C3的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改,以減少工作量。

　　需要添加三個(gè)文件:crt0_rom.S、sysinit.c和rom.ld。crt0_rom.S可以由crt0_ram.S修改得到,它提供一個(gè)ROM矢量表以供CPU上電時(shí)讀取,并初始化CPU寄存器,設(shè)置程序堆棧,并最終跳轉(zhuǎn)到uClinux內(nèi)核。MEM_SIZE也必須修改為實(shí)際容量。

　　????……

????#define??? MEM_SIZE??? 0x01000000

??????????　　　　　　???????????????????????????????? //實(shí)際的SDRAM為16M

????　　……

　　_vectors：??????????????????????????????????????? //矢量表起始地址

　　.long?????? 0x0， _start， _fault， _fault，…

????　　　???????????????????????????????????????????? //初始化1K字節(jié)矢量表

　　　　……

　　　　_start： nop?

???? ??????????? move.w?? #0x2700， %sr??????????????? //關(guān)中斷

???????????????? move.l???? #_vectors， %d0

?????　　　 ???? move.c??? %d0， %VBR?????? ?????????? //VBR指向FLASH

???????????????? move.l???? #0x10000001， %d0???

???????????????? move.c??? %d0， %MBAR????? ?????????? //SIM單元基地址

?????????????????????????????????????????????????????? ?0x10000000

????? ?????????? move.l???? #0x20000001， %a0??

???????????????????????????????????????????????????????//SRAM起始地址0x20000000

???????? ??????? move.c??? %a0， %RAMBAR0

?????????? ???????????????????????????????? ?????????? //初始化SRAM作為堆棧

???????????????? move.l???? #0x20001001， %a7???????? ?//設(shè)置堆棧指針

　　……

　　下面對(duì)MCF5272的UART、GPIO以及SIM單元進(jìn)行初始化。Motorola網(wǎng)站提供了這樣的例程(sysinit.c)。需要針對(duì)實(shí)際情況做必要的修改,主要就實(shí)際占用的片選資源CS0~CS7、SDRAM控制寄存器SDCR、SDTR作一些修改以適應(yīng)目標(biāo)板。以下的程序片段描述了對(duì)SDRAM的初始化。

??? ……

??? /*初始化CS7 16MB SDRAM */

??? MCF5272_WR_CS_CSBR7(imm， 0

??????? |MCF5272_CS_BR_BASE(SDRAM_ADDRESS)

??????? |MCF5272_CS_BR_SDRAM

??????? |MCF5272_CS_BR_PS_LINE

??????? |MCF5272_CS_BR_EN)；

　　MCF5272_WR_CS_CSOR7(imm， 0

??????? |MCF5272_CS_OR_MASK_16M

??????? |MCF5272_CS_OR_WS(0x1F))；

　　……

　　/*初始化SDRAM控制寄存器SDCTR、SDCCR*/

　　MCF5272_WR_SDRAMC_SDCTR(imm， 0xF539)；

　　MCF5272_WR_SDRAMC_SDCCR(imm， 0x4311)；

　　由于代碼在SDRAM中運(yùn)行的速度比在FLASH中更快,而且在該目標(biāo)平臺(tái)中,SDRAM是32位數(shù)據(jù)總線,而FLASH是16位總線,因此代碼在ROM中運(yùn)行和在RAM中運(yùn)行的速度有著顯著差異。考慮到這些因素,采取將uClinux內(nèi)核和ROMFS文件系統(tǒng)復(fù)制到SDRAM中運(yùn)行的模式。這雖然會(huì)犧牲一些系統(tǒng)的啟動(dòng)速度,并導(dǎo)致一些額外的系統(tǒng)內(nèi)存開銷,但是換來的是系統(tǒng)整體性能的提高,因此是值得的。

　　uClinux會(huì)從內(nèi)存中的某個(gè)位置加載ROMFS作為根文件系統(tǒng)。當(dāng)ROMFS為RAM駐留時(shí),缺省位置緊接著BSS段(參考drivers/block/blkmem.c)。ROMFS文件系統(tǒng)的二進(jìn)制映像romfs.img在ROM中的實(shí)際存放地址可以根據(jù)rom.ld文件計(jì)算。由于BSS數(shù)據(jù)段存放的是未初始化的數(shù)據(jù),直到運(yùn)行時(shí)才建立,因此使用m68k-elf-objcopy生成的內(nèi)核二進(jìn)制映像文件linux.bin中并無BSS段。romfs.img的起始地址應(yīng)該是: ROM代碼段結(jié)束地址+RAM代碼段長度+DATA數(shù)據(jù)段長度;而復(fù)制的目標(biāo)地址就是BSS段的結(jié)束地址,這是一個(gè)VMA地址,可以從rom.ld文件中直接獲得。

3.3 修改啟動(dòng)腳本

　　在uClinux完成內(nèi)核初始化后,由init(void *)內(nèi)核線程調(diào)用/bin/init,然后執(zhí)行/etc/rc腳本中的命令。可以利用這個(gè)腳本完成系統(tǒng)上電后的自動(dòng)配置,或者運(yùn)行用戶程序。ROMFS文件系統(tǒng)中/etc/rc的源文件是/vendors/Generic/big/etc/rc。

一個(gè)典型的rc文件如下所示。它完成以太網(wǎng)的設(shè)置并執(zhí)行用戶程序/bin/usrapp。

　　#設(shè)置主機(jī)名

　　hostname uClinux

　　/bin/expand /etc/ramfs.img /dev/ram0

　　mount -t proc proc /proc

　　mount -t ext2 /dev/ram0 /var

　　ifconfig lo 127.0.0.1

　　route add -net 127.0.0.0 netmask 255.0.0.0 lo

　　#配置網(wǎng)卡IP和路由

　　ifconfig eth0 202.119.45.98

　　ifconfig eth0 broadcast 202.119.45.255

　　route add -net 202.119.45.0 eth0

　　route add default gw 202.119.45.1

　　#執(zhí)行用戶程序

　　/bin/usrapp

3.4 內(nèi)核的配置和編譯

　　需要建立一個(gè)交叉編譯環(huán)境來完成內(nèi)核和應(yīng)用程序的編譯,生成ROMFS文件系統(tǒng),并最終形成一個(gè)固化文件。www.uclinux.org也提供這樣一個(gè)工具包。正確安裝后,就可以進(jìn)行編譯了。首先進(jìn)入源代碼目錄uClinux-dist,執(zhí)行make xconfig,在彈出的對(duì)話框" title="對(duì)話框">對(duì)話框中選擇“Target Platform Selection”,出現(xiàn)圖1所示的對(duì)話框。

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　　由于直接對(duì)M5272C3評(píng)估板的代碼進(jìn)行修改,因此目標(biāo)板選擇M5272C3。內(nèi)核版本號(hào)選擇2.4,采用uC-libc庫。另外選中“Customize Kernel Settings”以定制需要的內(nèi)核。在內(nèi)核配置對(duì)話框中,將RAM大小配置為16MB,確認(rèn)ROMFS為RAM駐留。為了可以直接mount宿主機(jī)硬盤以方便調(diào)試,還需給內(nèi)核添加對(duì)NFS文件系統(tǒng)的支持。

　　配置完畢后,在源代碼目錄執(zhí)行“make dep”以及“make”,就得到了需要的二進(jìn)制內(nèi)核映像image.bin,可以直接下載到目標(biāo)板運(yùn)行。

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參考文獻(xiàn)

1 MCF5272 ColdFire Integrated Microprocessor User’s Manual， Rev. 1， 02/2001

2 Daniel P.Bovet, Marco Cesati. Understanding the Linux?Kernel， 1st Edition， October 2000