基于A(yíng)DSP—BF533的μClinux嵌入式系統移植與開(kāi)發(fā)

Blackfin處理器是基于由美國模擬器件公司(ADI)和Intel公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的微信號架構(MSA)的首款第4代DSP產(chǎn)品，它是ADI公司16 位產(chǎn)品的一個(gè)大系列。這一新產(chǎn)品是專(zhuān)為通信和互聯(lián)網(wǎng)應用而設計的通用DSP芯片，適合處理廣泛用于互聯(lián)網(wǎng)中的大量圖像、聲音、文本和數據流，也可應用于汽車(chē)電子可視系統、寬帶無(wú)線(xiàn)系統、消費類(lèi)多媒體電子、數字攝像機、多通道VoIP、安全和監督、機頂盒和視頻電話(huà)會(huì )議等方面。本文所用到的ADSP一 BF533是Blackfin系列處理器的典型代表。

l μClinux簡(jiǎn)介

μClinux從Linux 2．0／2．4內核派生而來(lái)，沿襲主流Linux的絕大部分特性。它是專(zhuān)門(mén)針對沒(méi)有MMU的CPU，并且為嵌入式系統做了許多小型化的工作。適用于沒(méi)有虛擬內存或內存管理單元(MMU)的處理器。由于μClinux在標準的Linux基礎上進(jìn)行了適當的裁剪和優(yōu)化，形成了一個(gè)高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式 Linux。雖然它的體積很小，但μClinux仍然保留了Linux的大多數的優(yōu)點(diǎn)：穩定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò )功能、完備的對各種文件系統的支持、以及標準豐富的API等。

μClinux的主要特點(diǎn)如下：

(1)內存管理

這部分是μClinux與傳統Linux區別最大的地方。對于μClinux來(lái)說(shuō)，其設計針對沒(méi)有MMU的處理器，即μC1inux不能使用處理器的虛擬內存管理技術(shù)，μClinux仍然采用存儲器的分頁(yè)管理。系統在啟動(dòng)時(shí)把實(shí)際存儲器進(jìn)行分頁(yè)，在加載應用程序時(shí)程序分頁(yè)加載，但是由于沒(méi)有MMU管理，因此實(shí)際上μClinux采用實(shí)存儲器管理策略。這一點(diǎn)影響了系統工作的很多方面。

(2)μC1inux的內核加載方式

μClinux的內核有2種可選的運行方式：可以在FLASH上直接運行，也可以加載到內存中運行。由于RAM的存取速率要比FLASH高，因此后者可以減少內存需要，運行速度也更快。

(3)μClinux的文件系統

μClinux系統采用rotors文件系統。這種文件系統相對于一般的ext2文件系統要求更少的空間。這是由于內核支持romfs文件系統比支持 ext2文件系統需要更少的代碼，而且romfs文件系統相對簡(jiǎn)單建立文件系統超級塊(superblock)需要的存儲空間更少。

(4)μClinux的應用程序庫

μClinux小型化的另一個(gè)做法是重寫(xiě)應用程序庫。相對于越來(lái)越大且越來(lái)越全的庫glibc μClibc對libc做了精簡(jiǎn)。

(5)可執行文件格式

μClinux系統使用flat可執行文件格式。另外，μClinux還提供通用的Linux APl支持完整的TCP／IP協(xié)議堆棧和大量其他的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，支持包括NFSext2ROMfs等多種文件系統。

2 建立μClinux開(kāi)發(fā)環(huán)境

嵌入式系統的開(kāi)發(fā)與一般的應用開(kāi)發(fā)最大的差別在于，前者需要建立特殊的硬件環(huán)境，而后者一般基于特定的操作系統或分布式平臺。后者的平臺已經(jīng)對硬件或網(wǎng)絡(luò )媒質(zhì)做了抽象，從而不需要由系統開(kāi)發(fā)者來(lái)完成這些工作。而在嵌入式系統開(kāi)發(fā)中，這也由開(kāi)發(fā)者完成。
嵌入式系統開(kāi)發(fā)環(huán)境一般分成主機端(HOST)和目標板(TARGET)兩個(gè)部分。主機端是開(kāi)發(fā)平臺，用于運行開(kāi)發(fā)過(guò)程中的各種工具(如Linux操作系統和ADI提供的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Visual DSP++等)；目標板是運行和測試平臺，是嵌入式系統的最終駐留環(huán)境。在主機端和目標板之間需要通過(guò)某種方式進(jìn)行通信，如使用。RS 232串口或網(wǎng)口。通信的目的在于發(fā)送控制指令和傳輸數據，同時(shí)獲得反饋信息。圖1是系統移植工作的硬件環(huán)境。

目標板的硬件平臺如圖1所示：

主機端的PC使用COM1和BF533的UART相連接，通過(guò)串口完成對目標板的必要控制功能。本文設計的ADSP—BF533目標板上配備有1塊SMSC LAN91C111以太網(wǎng)卡芯片和主機端建立原始(raw)IP連接，使用鏈路層地址完成大批量數據的傳送。

在硬件環(huán)境建立之后，就需要創(chuàng )建軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。軟件環(huán)境主要是指Blackfin體系結構的交叉編譯環(huán)境。建立交叉編譯環(huán)境首先要有交叉開(kāi)發(fā)工具。交叉編譯工具是指一組運行在某一種處理器上，卻可以編譯出另一種處理器卜執行的指令的工具。它由一套用于編譯、匯編和鏈接內核及應用程序的組件組成，通過(guò)編譯可以使μClinux內核和應用程序在目標設備上運行。

編譯μClinux一般使用GNU開(kāi)發(fā)套件作為交叉編譯器工具鏈，它包括一系列的開(kāi)發(fā)和調試工具。在官方網(wǎng)站 http：／／blackfin．μClinux．org上提供了Blackfin系列處理器內核的交叉編譯工具。下載后按照說(shuō)明解壓到Linux系統的相應文件夾里，并設置系統環(huán)境變量，使這些交叉編譯工具所在的目錄為全局環(huán)境變量。至此就建立好了μClinux的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。

3 利用U—Boot引導內核

U—Boot(Universal Boot Loader)是當前比較流行的遵循GPL條件的開(kāi)放源碼項目。也是是嵌入式Linux系統常用的Boot Loader之一。其完成的功能是初始化硬件設備、改變處理器運行模式、重組中斷向量和建立內存空間映射圖，從而將系統的軟硬件帶到一個(gè)合適的狀態(tài)或者用戶(hù)定制的特定狀態(tài)，以便為最終加載操作系統內核準備好正確的環(huán)境。

U—Boot具有源碼公開(kāi)的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)人員可根據自身需要進(jìn)行裁減；支持多種處理器和嵌入式操作系統內核；具有多種設備驅動(dòng)源碼：支持種引導方式；具有功能強大且成熟、穩定等諸多優(yōu)點(diǎn)，故本文采用U—Boot引導μClinux內核。U—Boot嚴重依賴(lài)于底層硬件，不同的CPU或嵌入式板極設備需要不同的U—Boot，不過(guò)因為本文的重點(diǎn)是μClinux的移植，所以這里不再詳述U—Boot的具體實(shí)現過(guò)程。

當系統上電后，U—Boot從地址OxO開(kāi)始執行，將存儲器映射重新配置，如圖2所示，并會(huì )執行μClinux的固化內核。

U一Boot可以使用ADI的仿真軟件Visual DSP++通過(guò)仿真器或JTAG口下載到目標板上。

4 μClinux內核的編譯和移植

作為操作系統的核心，μClinux內核負責管理系統的進(jìn)程、內存、設備驅動(dòng)程序、文件系統和網(wǎng)絡(luò )系統，決定著(zhù)系統的各種性能。μClinux內核采用模塊化的組織結構，通過(guò)增減內核模塊的方式來(lái)增減系統的功能。

4．1 內核配置

雖然μClinux的內核代碼大部分獨立于處理器和其體系結構，但是最底層的代碼還是基于特定系統的。雖然各個(gè)系統存在相同之處，但是它們的中斷處理上下文、內存映射的維護、任務(wù)上下文和初始化過(guò)程是獨特的。這些例行程序放置在μClinux代碼樹(shù)的aroh／目錄下。這里需要根據自己的硬件平臺來(lái)配置內核代碼。配置過(guò)程如下：

可以從官方網(wǎng)站http：／／blackfin．μClinux．org處下載μClinux—list的內核源代碼。運行解壓命令：將tar— xvfμClinux—dist．tar．gz解壓完畢后，就會(huì )生成／μClinux—dist目錄，加入該目錄后按如下順序編譯內核：

(1)make menuconfig；進(jìn)入菜單方式配置指令；
(2)選擇所使用的平臺類(lèi)型和所使用的庫
本文設計的目標板選擇：AnalogDevices／BF533一EZ—KIT和μC—libc庫。在配置欄中，選擇Load an AlternateConfiguration File，按確認，退出配置欄；
(3)make dep；尋找依存關(guān)系；
(4)make clean；清除以前構造內核時(shí)生成的所有目標文件、模塊文件和一些臨時(shí)文件；
(5)make lib_only；編譯庫文件；
(6)make user_only；編譯用戶(hù)應用程序文件；
(7)make tomfs；生成romfs文件系統；
(8)make image；生成鏡像文件然后通過(guò)Jtag口輸入到目標板；
(9)make；通過(guò)各個(gè)目錄的makefile文件進(jìn)行，會(huì )在各目錄下生成一大堆目標文件。
在上述步驟完成后，就完成了對μClinux源碼的編譯工作。最后會(huì )在／μClinux—dist／images目錄下看到3個(gè)內核文件：linux．dxe，linux．bin和zlmage．bin。如果編譯不成功，需要根據編譯過(guò)程的提示信息找到錯誤并重新編譯，直到成功為止。

4．2 修改配置內核代碼

直接由源代碼編譯生成的內核映像文件一般不會(huì )啟動(dòng)成功，需要根據自己的目標板進(jìn)行配置。需要修改系統啟動(dòng)初始化文件crt0_ram．s，sysinit．c和ram．1d。

在crt0_ram．s中需要根據自己的目標板修改基地址、存儲器大小和起始地址。在sysinit．c中需要修改片選設置，分別對FLASH和 SDRAM進(jìn)行片選設置。在ram．1d中修改內核連接加載地址。做完上面的修改，重新編譯生成linux．dxe等文件。

4．3 μClinux內核的下載與執行

μClinux內核有2種可選的運行方式：一種是在FLASH上直接運行；另一種是加載到內存中運行，系統啟動(dòng)時(shí)從FLASH中讀取壓縮的內核代碼(存儲器空間有限，所以一般需要壓縮內核代碼)到內存中解壓，然后開(kāi)始執行，這種方法比第一種的速度更快(RAM的存取速度比FLASH的快)。所以選取第二種方法。

編譯好的內核文件可以由Visual DSP++開(kāi)發(fā)裝置，通過(guò)網(wǎng)口或串口把linux．dxe下載到目標板的FLASH中，從設定的入口地址(一般為Oxl000)執行即可啟動(dòng)內核。

啟動(dòng)μClinux就可以在超級終端看到μClinux的歡迎信息和簡(jiǎn)單的shell提示符，界面如圖3所示。


5 在μClinux下添加應用程序

為了方便，μClinux用戶(hù)層的應用程序代碼都放在／μClinux—dist／user／目錄下，否則要自己重新定義很多宏，而且容易出錯。具體實(shí)現過(guò)程如下：

(1)在工作目錄的user目錄下創(chuàng )建應用程序的文件夾user／app然后編寫(xiě)應用程序，編寫(xiě)方法和普通的應用程序一樣；

(2)在文件／user／Makefile里添加如下一句以便把用戶(hù)的應用加入到μClinux系統的編譯列表中；

dir_MYM(CONFIG_USER_MYAPP)+=app

(3)在/config/config.in里加入如下語(yǔ)句：

這樣在編譯時(shí)會(huì )多1個(gè)配置選項，當選擇這一選項時(shí)，字符串“CONFIG USER MYAPP”就會(huì )定義為“Y，參考上一個(gè)步驟，dir Y+=app，應用會(huì )被編譯入內核

(4)為便于內核配置在／eonfig／config．help中加入有關(guān)該應用的幫助說(shuō)明；

(5)回到／μClinux—dist目錄，執行make編譯μClinux系統內核和這里的應用程序。

6 結 語(yǔ)

對于嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，要將嵌入式操作系統應用到嵌入式系統中，首先要做的工作是根據不同的硬件平臺移植操作系統，掌握移植的方法非常重要。

本文所述的移植方法已經(jīng)成功應用于多個(gè)項目的開(kāi)發(fā)。所述的移植雖然是針對Blackfin處理器芯片ADSP-BF533，但重點(diǎn)闡述的是移植的思路和方法。對將μClinux移植到其他處理器為核心的硬件平臺也有借鑒作用。

本文從如何將嵌入式操作系統μClinux與特定硬件相結合出發(fā)，分析移植μClinux到ADSP-BF533的過(guò)程。