基于A(yíng)RM的嵌入式設備中uCLinux系統開(kāi)發(fā)

1 引言

信息家電和手持設備大大加速了嵌入式系統的發(fā)展，而ARM體系32位高性能、低功耗處理器和嵌入式操作系統Linux無(wú)疑成為佼佼者。因為L(cháng)inux源代碼開(kāi)放、免費，任何將其定制于PDA、掌上機或者便攜式設備感興趣的人都可以從因特網(wǎng)免費下載其內核和應用程序，并開(kāi)始移植或開(kāi)發(fā)，所以L(fǎng)inux在嵌入式開(kāi)發(fā)領(lǐng)域得到穩步發(fā)展。uCLinux 即是目前嵌入式linux 中最流行的一種,它是針對微控制領(lǐng)域而設計的Linux系統，其最大特征就是沒(méi)有MMU（內存管理單元模塊），適合嵌入式系統小型化應用。

　　uCLinux支持多任務(wù)，支持多種文件系統，提供了對網(wǎng)絡(luò )的強大支持，具有完整的TCP/IP協(xié)議棧，以及標準豐富的API。由于它的很多核心代碼都為沒(méi)有被MMU的處理器重新編寫(xiě)過(guò)，對標準Linux龐大的應用程序庫和驅動(dòng)程序庫作了刪改，所以它的內核要比常規的Linux 內核小很多；uCLinux包含Linux常用的API和小于512k的內核及相關(guān)的工具，總代碼只有900k左右，但同時(shí)保留了常規Linux 操作系統絕大多數的優(yōu)點(diǎn)。

2 基于ARM的硬件平臺

嵌入式領(lǐng)域32位處理器以ARM公司的ARM核最為流行，本文以Samsung公司的ARM7TDMI芯片S3C4510為處理器開(kāi)發(fā)板為硬件平臺，開(kāi)發(fā)板上與S3C4510相關(guān)的部分主要集成了如下器件：

(2M＋512k)B 的Flash,其中AT29C010A為512B作為BootLoader，一片SST49VF160為1M16bitFlash；

16MB 的DRAM,由兩片4M16bits的HY57V641620提供 ；

16MB 的SRAM，由M-systems的新一代閃存盤(pán)DOC2000構成；

Ethernet接口；

ARM JTAG 接口。

　　開(kāi)發(fā)板上與S3C4510相關(guān)部分功能框圖如圖1 所示。

IO

UART

S3C4510

JTAG Ethernet

FLASH 　　　　　　　　 　　 　 F

DOC2000

232串口

JTAG接口

LED

以太網(wǎng)接口

用戶(hù)自定義邏輯

DRAM

3 uCLinux內核移植

嵌入式 Linux 開(kāi)發(fā)大致涉及三個(gè)層次：引導裝載程序、Linux 內核和驅動(dòng)及應用程序。我們將討論涉及這三層的一些基本概念；深入了解引導裝載程序、內核和文件系統是如何交互的。

引導程序BootLoader的主要作用包括初始化處理器；初始化必備的設備；下載系統映象；初始化操作系統系統并準備執行。

引導裝載程序有兩種方法：專(zhuān)用軟件和微小的引導代碼。專(zhuān)用軟件可以直接與遠程系統上的閃存設備進(jìn)行交互并將引導裝載程序安裝在閃存的給定位置中。而某些種類(lèi)的嵌入式設備具有微小的引導代碼：根據幾個(gè)字節的指令，它將初始化一些 DRAM 設置并啟用目標上的一個(gè)串行（或者 USB，或者以太網(wǎng)）端口與主機程序通信；然后，主機程序或裝入程序可以使用這個(gè)連接將引導裝載程序傳送到目標上，并將它寫(xiě)入閃存。

嵌入式設備上一些流行的并可免費使用的 Linux 引導裝載程序有 Blob、Redboot 和 Bootldr。所有這些引導裝載程序都用于基于 ARM 設備上的 Linux，并需要Jflash-linux 工具用于安裝。一旦將引導裝載程序安裝到目標的閃存中，它就會(huì )執行我們上面提到的所有初始化工作。然后，它準備接收來(lái)自主機的內核和文件系統。一旦裝入了內核，引導裝載程序就將控制轉給內核。

Linux內核移植首先需要配置內核，可以用make menuconfig進(jìn)行，根據板卡選擇必要的選項。主要包括系統類(lèi)型選定（ARM system type）,配置SDRAM/Flash地址；對塊設備、字符設備進(jìn)行選擇和配置；配置文件系統；是否配置圖形用戶(hù)界面（GUI）。修改內核，我們選用www.lomx.net上的uClinux-2.4.26-uc0.diff，已經(jīng)為S3C4510移植好的內核，需要修改的地方很少。編譯內核，首先要在宿主機（安裝有Linux）上建立交*編譯環(huán)境，下載arm-elf-tools安裝在Linux 宿主機上的/usr/local/bin 目錄下?，F在的BLOB 和將來(lái)的uClinux 都要在這個(gè)環(huán)境下編譯。

開(kāi)始編譯uClinux

編譯內核：執行命令：

make menuconfig 在出現的對話(huà)框選Samsung/4510B 和 uC-libc,然后退出。如果選擇uC-libc編譯出錯，可以改選uClibc!

make dep

make lib_only

make user_only

make romfs

make image 產(chǎn)生 romfs.o，這一步將會(huì )出現一些錯誤報告，可忽略繼續下面的命令

make

如果make無(wú)錯誤，在images的目錄下你會(huì )看到有 image.ram 和 image.rom 兩個(gè)二進(jìn)制的內核文件。即image.ram和image.rom。 image.ram可以通過(guò)Bootloader下載到SDRAM中運行。image.rom可以寫(xiě)入到Flash SST39VF160中直接運行。

down image.ram看看能不能運行

最后一步，uClinux調試完畢，通過(guò)jflashp將其寫(xiě)入到Flash中：開(kāi)發(fā)板斷電，把JTAG仿真器接到計算機的并口和板子的14Pin JTAG插座上；接通5V電源；執行 FlashP w -f image.rom，大約30分鐘以后燒寫(xiě)完畢。撤掉JTAG仿真器以后再上電就應該運行uClinux了。如果想把BootLoader寫(xiě)回Flash，執行FlashP w -f bios.img即可。

4 uCLinux驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

嵌入式系統通常有許多設備用于與用戶(hù)交互，象觸摸屏、小鍵盤(pán)、滾動(dòng)輪、傳感器、RS232 接口、LCD 等等。除了這些設備外，還有許多其它專(zhuān)用設備，包括閃存、USB、GSM、GPS 等。內核通過(guò)所有這些設備各自的設備驅動(dòng)程序來(lái)控制它們，包括 GUI 用戶(hù)應用程序也通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)這些驅動(dòng)程序來(lái)訪(fǎng)問(wèn)設備。uClinux 的驅動(dòng)程序庫不可能包括實(shí)際項目系統中所有外圍硬件的驅動(dòng),所以在應用開(kāi)發(fā)中,編寫(xiě)驅動(dòng)程序是一個(gè)重要步驟,驅動(dòng)程序設計的好壞直接影響系統運行的穩定性和運行效率。

在uClinux 內核編寫(xiě)驅動(dòng)程序并不像其他操作系統那么復雜,實(shí)際上,所要做的只是為相應的設備編寫(xiě)幾個(gè)基本函數并向VFS(virtual file system) 注冊即可。當上層應用要使用該設備時(shí),VFS 就會(huì )調用相應的設備函數。設備驅動(dòng)程序通?？蓺w為以下3 類(lèi):

a)塊設備(block) ,以塊為單位,允許隨機訪(fǎng)問(wèn),多用緩存技術(shù)；

b)字符設備(char) ,以字節為單位,只能按順序訪(fǎng)問(wèn),不用緩存；

c) 網(wǎng)絡(luò )接口(net) 。

在本系統中，DOC作為塊設備可被模擬為IDE設備進(jìn)行識別，系統用主設備號（MAJOR）和次設備號（MINOR）來(lái)唯一標識一般設備；相同主設備號表示同一類(lèi)設備，次設備號表示同類(lèi)設備的個(gè)數。所有設備在適當的目錄（通常是/dev目錄）下必須有相應的文件，這樣字符設備和塊設備都可以通過(guò)文件操作的系統調用完成。不同的是，塊設備操作經(jīng)常和緩沖區聯(lián)系在一起。

字符設備的驅動(dòng)程序通過(guò)在device_struct數據結構的chrdevs向量中增加一項的方法來(lái)向內核注冊自己。然后對這個(gè)設備的所有調用都用這個(gè)設備號來(lái)實(shí)現;

塊設備和字符設備都需要定義功能函數:對于每一個(gè)驅動(dòng)函數來(lái)說(shuō),都有一些和此設備密切相關(guān)的功能函數,就最常用的字符設備來(lái)說(shuō),都存在著(zhù)諸如open()、read()、write()、ioctrol( ) 這一類(lèi)的操作。當系統調用這些操作時(shí),將自動(dòng)的使用file-operations 結構中對應的函數來(lái)實(shí)現具體的操作;塊設備由于使用高速緩存，其驅動(dòng)程序不需要保護自己的read()、write()和fsync()函數，但必須使用自己的open()、release()和ioctl()函數，函數原型為：

static int my_open(struct inode *inode,struct file *file);

static int my_release(struct inode *inode,struct file *file);

static int my_ioctl(struct inode *inode,struct file *file,unsigned int cmd,unsigned long age);

塊設備驅動(dòng)程序的請求處理函數一般通過(guò)中斷實(shí)現。驅動(dòng)程序被調用時(shí)CPU由內核程序控制，故不可搶占，驅動(dòng)程序必須調用sleep_on()函數釋放對CPU的占用，在中斷服務(wù)子程序將數據復制到內核內核后，再發(fā)出wake_up()調用。

字符設備如LCD、USB應用廣泛，下面以此為例詳細說(shuō)明添加設備驅動(dòng)的過(guò)程。設備名稱(chēng)為scre,設備號為254。塊設備與網(wǎng)絡(luò )設備可以比照處理。

在目錄/linux_2.4/drives/char編寫(xiě)源程序scre.c，編寫(xiě)字符設備的處理函數。

1.設備驅動(dòng)原文件必須包括這樣的一個(gè)函數：