一種嵌入式Linux平臺的軟硬件設計

摘要：介紹了一種嵌入式Linux操作系統--uClinux，給出了一種MCF5272硬件平臺的設計，并實(shí)現了uClinux在該目標板上的移植，講述了MCF5272處理器平臺硬件設計和uClinux板移植的一般性方法。

關(guān)鍵詞：uClinux MCF5272　移植

1 操作系統uClinux

Linux是一種很受歡迎的類(lèi)UNIX操作系統，它免費并開(kāi)放源代碼，在個(gè)人計算機、服務(wù)器領(lǐng)域應用廣泛。更重要的是，Linux采用模塊化設計，實(shí)際應用中可以定制，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，其內核的二進(jìn)制映像文件可以做到小于512KB。

uClinux針對無(wú)內存管理單元MMU(Memory Management Unit)的處理器設計，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，如ROMFS、NFS、FAT16/32。實(shí)際上，uClinux已經(jīng)成功應用于路由器、網(wǎng)絡(luò )攝像機、機頂盒、PDA等諸多領(lǐng)域。

另外，uClinux可移植性很強，用戶(hù)通過(guò)重新配置、編譯內核，很方便將其移植到68K、Dragon Ball、ColdFire、Power PC、ARM等多種處理器計算平臺。當前uClinux提供2.0和2.4兩個(gè)內核版本。從內核版本2.2開(kāi)始，Linux被設計成與IEEE POSIX標準兼容的系統，這意味著(zhù)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平臺。筆者選擇了2.4內核的uClinux作為平臺操作系統。

2 硬件平臺設計

2.1 處理器

目標平臺CPU采用Motorola公司生產(chǎn)的ColdFire嵌入式處理器MCF5272。MCF5272采用ColdFfireV2可變長(cháng)RISC處理器核和DigitalDNA技術(shù)，在66MHz時(shí)鐘下能夠達到63MIPS@Dhrystone2.1的優(yōu)良處理能力。其內部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備(如SDRAM、ISDN收發(fā)器)實(shí)現無(wú)縫連接，從而簡(jiǎn)化了外圍電路設計，降低了產(chǎn)品成本、體積和功耗。

2.2 系統內存

系統內存由三部分組成。MCF5272內部集成了4K字節的SRAM(靜態(tài)RAM)以及片外擴展的FLASH(閃爍存儲器)和SDRAM(同步動(dòng)態(tài)RAM)。FLASH容量為1M×16Bit，AMD29LV系列，片選信號為CS0，用于存放矢量表、uClinux內核映像及ROMFS文件系統。SDRAM采用兩片HY系列4M×16Bit的SDRAM，共同組成16M、32位寬的系統主存儲器。SDRAM片選信號為CS7。

2.3 通用外設

MCF5272內部集成了UART、USB控制器，只需很少的外圍芯片就可以實(shí)現兩個(gè)RS232串口和一個(gè)USB Slave接口。MCF5272還內嵌一個(gè)FEC(快速以太網(wǎng)控制器)，片外擴展一片LXT971，可方便地實(shí)現了一個(gè)100/10 Base T的以太網(wǎng)接口。

2.4 調試接口

ColdFire系列處理器支持背景調試模式(BDM)，它提供了對底層硬件的調試手段。在背景調試模式下，通過(guò)向CPU發(fā)送命令，可以實(shí)現對CPU寄存器、系統存儲器的訪(fǎng)問(wèn)。使用Motorola推薦的26針插座接到BDM仿真頭，實(shí)現代碼的下載和調試。

3 移植uClinux到目標平臺

3.1 uClinux的啟動(dòng)過(guò)程

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

最初的初始化完成后，uClinux內核就取得了CPU的控制權，開(kāi)始操作系統自身的初始化。這包括建立RAM中斷矢量表、加載設備驅動(dòng)程序、內存管理模塊等。這一切完成后，uClinux啟動(dòng)一個(gè)最初的init線(xiàn)程，進(jìn)入到第三階段。這時(shí)候內核已經(jīng)正常運行，外圍模塊也都就緒，開(kāi)始執行一些腳本文件(如/etc/rc腳本文件)。這通常是嵌入式開(kāi)發(fā)者最感興趣的一個(gè)切入點(diǎn)。

3.2 編寫(xiě)硬件相關(guān)代碼

作為源代碼公開(kāi)的免費操作系統，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Motorola公司M5272C3和其他幾款MCF5272評估板的支持。但與筆者的目標平臺相比，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，設置程序堆棧，并最終跳轉到uClinux內核。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 //設置堆棧指針

……

下面對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作一些修改以適應目標板。以下的程序片段描述了對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中運行的速度比在FLASH中更快，而且在該目標平臺中，SDRAM是32位數據總線(xiàn)，而FLASH是16位總線(xiàn)，因此代碼在ROM中運行和在RAM中運行的速度有著(zhù)顯著(zhù)差異?？紤]到這些因素，采取將uClinux內核和ROMFS文件系統復制到SDRAM中運行的模式。這雖然會(huì )犧牲一些系統的啟動(dòng)速度，并導致一些額外的系統內存開(kāi)銷(xiāo)，但是換來(lái)的是系統整體性能的提高，因此是值得的。

uClinux會(huì )從內存中的某個(gè)位置加載ROMFS作為根文件系統。當ROMFS為RAM駐留時(shí)，缺省位置緊接著(zhù)BSS段(參考drivers/block/blkmem，c)。ROMFS文件系統的二進(jìn)制映像romfs.img在ROM中的實(shí)際存放地址可以根據rom.ld文件計算。由于BSS數據段存放的是未初始化的數據，直到運行時(shí)才建立，因此使用m68k-elf-objcopy生成的內核二進(jìn)制映像文件linux.bin中并無(wú)BSS段。Romfs.img的起始地址應該是： ROM代碼段結束地址+RAM代碼段長(cháng)度+DATA數據段長(cháng)度；而復制的目標地址就是BSS段的結束地址，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完成內核初始化后，由init(void *)內核線(xiàn)程調用/bin/init，然后執行/etc/rc腳本中的命令?？梢岳眠@個(gè)腳本完成系統上電后的自動(dòng)配置，或者運行用戶(hù)程序。ROMFS文件系統中/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)的設置并執行用戶(hù)程序/bin/usrapp。

#設置主機名

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

#執行用戶(hù)程序

/bin/usrapp

3.4 內核的配置和編譯

需要建立一個(gè)交叉編譯環(huán)境來(lái)完成內核和應用程序的編譯，生成ROMFS文件系統，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，執行make xconfig，在彈出的對話(huà)框中選擇Target Platform Selection，出現圖1所示的對話(huà)框。

由于直接對M5272C3評估板的代碼進(jìn)行修改，因此目標板選擇M5272C3。內核版本號選擇2.4，采用uC-libc庫。另外選中Customize Kernel Settings以定制需要的內核。在內核配置對話(huà)框中，將RAM大小配置為16MB，確認ROMFS為RAM駐留。為了可以直接mount宿主機硬盤(pán)以方便調試，還需給內核添加對NFS文件系統的支持。

配置完畢后，在源代碼目錄執行make dep以及make，就得到了需要的二進(jìn)制內核映像image.bin，可以直接下載到目標板運行。

參考文獻

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

3 M5272C3 Evaluation Board Schemetic. Rev. 1.2， 2000