嵌入式操作系统uClinux软件开发环境的建立及驱动程序的开发

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华眠蓝
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1 嵌入式 OS-uClinux 软件开发环境的建立及应用程序开发模式 How-To Porting uclinux to ColdFire 5272 Microprocessor And Developing User s Applications 张东卫毛玉良刘伟平潘淳 Zhang,Dongwei Mao,Yuliang Liu,Weiping Pan,Chun 摘要 : 本文介绍了在 mcf5272 嵌入式硬件开发板基础上如何移植 uclinux 操作系统以及开发用户应用程序的基本模式关键词 : 嵌入式系统 ; 操作系统内核 ;uclinux ;mcf5272;dbug 中图分类号 : TP 文献标识码 : B Abstract: This article introduces an approach of porting uclinux to ColdFire 5272 microprocessor and the basic mode of developing user s applications Keywords: Embedded System; Kernel of OS; uclinux; mcf5272;dbug 0 引言近年来, 随着电子技术的不断进步, 嵌入式系统开发已成为热点作为嵌入式操作系统之一的 uclinux 以其内核小, 效率高, 源代码开放, 内含完整的 TCP/IP 网络协议等优点, 正日益被人们看好 uclinux 很适合在 32 位嵌入式系统中使用, 它的代码公开免费两大特性更是深受广大嵌入式开发爱好者的喜爱 1 嵌入式操作系统 uclinux 简介 uclinux 是 Linux 的一个嵌入式版本, 它是源代码开放的嵌入是操作系统, 其内核的二进制映像文件可以做到小于 512K 目前越来越多的应用于嵌入式设备 uclinux 针对无 MMU(Memory Management Unit, 内存管理单元 ) 的处理器设计, 支持多任务, 具有完备的 TCP/IP 协议栈并支持多种网络协议 uclinux 还支持多种文件系统, 如 ROMFS,NFS,FAT16/32 实际上,uClinux 已经成功应用于路由器网络摄像机机顶盒 PDA 等诸多领域另外,uClinux 可移植性很强, 用户通过重新配置编译内核, 很方便将其移植到 68K Dragon Ball ColdFire Power PC ARM 等多种处理器计算平台当前 uclinux 提供 2.0 和 2.4 两个内核版本笔者硬件开发平台的 cpu 采用 motorola 公司生产的 ColdFire 嵌入式处理器 MCF uclinux 软件开发环境的建立 2.1 准备内核源代码和交叉编译工具 uclinux 内核源代码可以到下载, 该网站提供 uclinux 不同时期不同版本的软件分发包, 同时针对某些硬件体系还有相应的针对型版本针对 MCF5272, 笔者使用的是 uclinux-dist tar.gz 压缩包有了内核源代码, 还要结合我们的目标平台, 到上述网站下载交叉编译器交叉编译器的作用是实现在主机上

2 编译而在目标平台上运行的代码的生成我的主机操作平台是 redhat7.2, 我用的交叉编译器是 m68k-elf-tools tar.gz 压缩包的交叉编译工具该压缩包包含了内核代码和应用程序编译连接以及调试用的大部分工具, 例如 c 编译器 m68k-elf-gcc, 连接器 m68k-elf-ld, 目标格式工具 genromfs 和 elf2flt 等有了内核源代码和交叉编译器我们就可以根据目标平台进行内核配置了 2.2 内核的配置虽然 uclinux 的内核代码大部分是独立于处理器和其体系结构的, 但是其最低级的代码是特定于各个系统的虽然各个系统中存在有相同之处, 但是它们的中断处理上下文内存映射的维护任务上下文和初始化过程是独特的这些例行程序在代码树 ( 所有的源代码都是按目录方式树状放置的, 称为代码树 ) 中被单独放置在 arch/ 目录下我们需要根据自己的硬件平台来配置内核代码配置过程如下 ( 为了讲述的连贯性, 结合软件包的安装一起讲解 ): 首先安装交叉编译器将 m68k-elf-tools tar.gz 解压安装在根目录下执行 tar xzf m68k-elf-tools tar.gz, 就会自动在 /usr/local/ 下建立起整套 m68k 的 ELF 交叉编译工具例如要编译自己的简单 C 程序就可以用 /usr/local/bin/m68k-elf-gcc 来完成然后解压安装 uclinux-dist tar.gz 在根目录下建立一目录, 比如 /mcf5272, 在该目录下使用命令 tar xzf uclinux-dist tar.gz 便会在此目录下产生 uclinux-dist 子目录, 然后在 uclinux-dist/ 目录下命令就用 make menuconfig 开始配置内核 : 第一项是选择 target, 就是你用的处理器和目标板, 我选的是 mcf5272c3 的板子然后是选择内核分发包同时包含了 2.0.x 和 2.4.x 两个内核 2.4.x 支持的平台更多些, 如果目标平台是 ColdFire 系列, 我个人认为用 2.0.x 的内核就够了, 我选用的是 2.0.x 版本接着是选择 uclinux 的应用程序库分发包提供了式 uclibc 和 uc-libc 两个库, 二者区别是 uclibc 的内容更丰富, 更好的支持多线程, 可以认为 uc-libc 是 uclibc 的子集, 选用 uc-libc 编译生成的内核比 uclibc 减小了 300K 左右的空间, 并且本人感觉 uc-libc 更稳定些, 选用的了 uc-libc 其他的配置就看自己的需要了, 当然省事的办法是选用 default 配置若自己对配置内核不太熟悉, 就选用 default 设置由于笔者的目标板和 mcf5272c3 开发板比较接近, 选用了 mcf5272c3 的 default 配置配置完以后可以编译一下看看, 先 make dep, 再 make 一下, 如果成功, 在 uclinux-dist 下有一个 images 目录, 下面有四个文件 : image.elf,romfs.img, linux.bin, image.bin 其中 image.bin 由 linux.bin 和 romfs.bin 合并而成, 并多了 4 个字节的校验, 这个文件的内容拷贝到 ram 里后就可以直接从入口运行了如果编译不成功, 就需要仔细查看错误提示信息, 根据提示查找原因只要做了源文件的备份, 便可大胆修改尝试需要说明的是 : 由于 linux 自身带有 romfs 转换工具 genromfs 的版本不同于 uclinux 上的 genromfs 版本, 所以我们需要确定使用分发包自带的 genromfs 文件简单的办法是用分发包自带的 genromfs 文件替换 linux 系统原来的 genromfs 文件否则内核编译生成后设备文件名会出错, 导致无法启动 2.3 准备调试下载工具在生成 image.bin 文件后, 如何完成内核二进制文件向目标平台的移植?ColdFire 系列处理器支持背景调试模式 (BDM), 它提供了对底层硬件的调试手段在背景调试模式下, 通过向 CPU 发送命令, 可以实现对 CPU 寄存器系统存储器的访问我们使用 Motorola 推荐

3 的 26 针插座接口连接到 BDM 仿真头, 软件采用从网上下载的 BDM 调试软件 (gdb-bdm tar.gz), 从而实现了代码的下载和调试为了便于调试, 我们需要安装启动支持软件 bootloader Bootloader 的任务是完成初始化芯片和板子, 把 image.bin 下载到某个地址处, 然后从该地址运行 uclinux motorola 为自己的 ColdFire 设计了经典的 dbug 程序, 可以完成 bootloader 的所有任务, 支持从网络上下载 uclinux ( 就是 image.bin ) dbug 的源代码可以从 motorola 公司的网站上下载, 网址 : 你需要下载 dss 和 M5272C3 两个文件包其中 dss 主要包含了程序库文件,M5272C3 包含的是针对 mcf5272 处理器的配置文件按照网站提供的 readme 文件可以完成 dbug 的安装接着是要根据自己的目标板配置 dbug. 主要就是对实际占用的片选资源 CS0~CS7 SDRAM 控制寄存器 SDCR SDTR 作一些修改以适应目标板下面的程序片段描述了对 cs0 和 cs7 以及 SDRAM 的初始化 /* 初始化 CS0 2MB FLASH*/ MCF5272_WR_CS_CSBR0(imm, 0xffc00201 /* MCF5272_CS_BR_BASE(FLASH_ADDRESS) MCF5272_CS_BR_SRAM MCF5272_CS_BR_PS_16 MCF5272_CS_BR_EN*/); MCF5272_WR_CS_CSOR7(imm, 0xffe00014 /* MCF5272_CS_OR_MASK_16M MCF5272_CS_OR_WS(0x1F)*/); /* 初始化 CS7 16MB SDRAM */ MCF5272_WR_CS_CSBR7(imm, 0x /* MCF5272_CS_BR_BASE(SDRAM_ADDRESS) MCF5272_CS_BR_SDRAM MCF5272_CS_BR_PS_LINE MCF5272_CS_BR_EN*/); MCF5272_WR_CS_CSOR7(imm, 0xff00007c /* 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); 此外还需要修改 crt0_ram.s 文件中对存储器大小基地址中断向量表的设置代码举例 : #define MEM_BASE 0x /*Memory base ar address 0*/ #define MEM_SIZE 0x /*Memory size 16Mb*/ #define VBR_BASE MEM_BASE /*Vector address*/ 完成了 dbug 的配置, 编译生成 dbug 的可执行文件就可以正常运行了需要说明的是先要编译生成其程序库文件, 然后才能编译生成 dbug 的可执行文件通过主机的 bdm 驱动程序可以完成向目标板的移植为了调试方便, 将 dbug 烧写在 flash 上这样每次上电启动就直接从 dbug 开始了, 它完成系统硬件的初始化, 并由它来完成 ram 板内核的下载和启动以及 rom 版内核的启动 DBug 程序还具备对 flash 写的功能, 我们可以将配置编译好的新的

4 rom 版内核下载到 sdram 中, 然后将其烧写到 flash 中, 完成 rom 版内核的更新 2.4 修改配置内核代码直接由源代码编译生成的内核映像文件一般不会启动成功, 需要根据自己的目标板进行配置如同配置 dbug, 你需要修改系统启动初始化文件 crt0_ram.s,sysinit.c 和 ram.ld 在 crt0_ram.s 中需要根据自己的目标板修改基地址存储器大小和起始地址在 sysinit.c 中需要修改片选设置, 分别对 flash 和 sdram 进行片选设置在 ram.ld 中修改内核连接加载地址做完如上的修改, 重新编译生成 image.bin 文件将该 image.bin 下载到 ram 中, 从入口地址执行即可启动内核了 3 应用程序的开发 3.1 应用软件开发工具 uclinux 系统的软件开发需要在标准 Linux 平台上用交叉编译工具来完成前面我们在建立系统时解压安装的 m68k-elf-tools tar.gz 已经建立了针对 ColdFire 系列的交叉编译器要编译自己的简单 C 程序就可以用 /usr/local/bin/m68k-elf-gcc, 例如, 源代码为 test.c, 那么可以这样编译 : /usr/local/bin/m68k-elf-gcc Wall -elf2flt -m5307 test.c lc o test.out 参数 -Wall 指定产生全部的警告 ;-elf2flt 指定自动调用 elf 转换 flat 格式的工具 ;-m5307 指定了处理器的指令集 ;-lc 指定了链接信息 (ld);-o 指定输出文件的名字编译成功后得到的 test. 就可以在 uclinux 环境上运行 ( 通过 nfsmount 或者直接放到内核映像中都可以 ) 也可以建立一个简单的 Makefile 来做这件事情 : CC=/usr/local/bin/m68k-elf-gcc all: $(CC) -Wall -elf2flt -m5307 test.c -lc -o test 3.2 应用软件的调试应用软件的调试有两种模式 :(1) 先在宿主机上调试通过后再移植到目标板上需要借助于 GDB 调试工具 (2) 直接在目标板上调试, 通过串行口输出调试信息这也是最常用的调试方法下面简单介绍一下第二种调试方法流程将宿主机和目标板通过网口和串行口相连根据内核编译连接过程信息, 提炼出一般应用程序编译连接过程, 制作一个 shell 程序, 用来完成编译用户应用程序在宿主机上运行 minicom 作为目标板的显示终端目标板以 bootloader 即 dbug 方式启动 (dbug 已烧写在 flash 上 ) 修改内核启动的 rc 文件, 使其启动后直接 mount 宿主机上应用程序所在文件目录这样有问题时就在宿主机上编辑编译你的程序 ( 用你的 shell 程序来编译应用程序 ), 而不需重新编译整个内核调试信息通过串口输出, 若用的是 RAM 版内核调试, 就用 dbug 的 TFTP 服务通过网口下载 IMAGE 文件,1.5M 的 IMAGE 文件只需十几秒即可完成下载调试好的程序放在 /user 目录下, 修改配置 makefile 文件, 重新编译内核, 你的用户应用程序就以可执行二进制文件格式存在系统启动后 /bin 目录下了 3.3 应用软件开发实例 uclinux 用户层的应用程序源代码都放在 uclinux-dist/user/ 下, 包括大家熟悉的

5 ping chat 等应用文件以添加 test 程序为例 : (1) 修改 uclinux-dist/user/makefile, 添加 : dir_y += test (2) 建立 uclinux-dist/user/test 目录, 并 cd 进去,, 编辑 Makefile 如下 : EXEC = test OBJS = test.o all: $(EXEC) $(EXEC): $(OBJS) (3) 编辑 test.c $(CC) $(LDFLAGS) -o $@ $(OBJS) $(LDLIBS) cp $(EXEC)../../romfs/bin clean: -rm -f $(EXEC) *.elf *.gdb *.o (4) 在../uclinux-dist 下执行 make 命令, 重新编译 uclinux 这样在你的文件系统 ROMFS 里就会在 bin/ 目录下多出一个 test 程序, 可以在 uclinux 里直接运行它 5 结束语笔者的开发实例表明, 开放源代码的 uclinux 在嵌入式系统开发中有极大的优势, 借助于 uclinux 的开放性, 我们能够灵活快捷地开发嵌入式系统应用参考文献 : [1] 邹思轶, 嵌入式 Linux 设计与应用 [M]. 北京 : 清华大学出版社,2002,01. [2] Motorola, Inc., MCF5272 ColdFire Integrated Microprocessor User s Manual,2001,02 [3] uclinux.org.,information on the ColdFire port, 作者简介 : 张东卫, 男, 1975-, 汉族, 东南大学机械工程系硕士研究生, 研究方向 : 机电控制及自动化, 目前从事嵌入式系统开发 ; 毛玉良, 男,1961-, 东南大学机械工程系副教授联系方式 : 张东卫 : 东南大学研 0201 信箱邮编 zdw1025@sina.com.cn

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