Microsoft Word - EASY ARM2200 移植 uClinux.doc

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算栈祖
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1 EASY ARM2200 移植 uclinux 摘要 :EasyARM2200 开发板仅有 512KB RAM 和 2MB FLASH 存储器资源, 能否运行 uclinux 以及如何运行 uclinux, 是喜爱这款开发板的技术人员一个共同的心声本文通过分析 uclinux 的内存管理和内核引导机制, 介绍了 uclinux2.4 针对 EasyARM2200 开发板的移植和改造方法关键词 :EasyARM2200 移植 uclinux 1. 引言 EasyARM2200 是广州周立功公司设计开发的一款 32 位 ARM 开发板, 该板采用了 PHILIPS 公司总线开放的 ARM 芯片 LPC2210, 板上集成了键盘 LED 蜂鸣器 AD 转换等单元电路, 并且对外提供了 RS232 通讯接口 modem 通讯接口 USB 通讯接口存储卡接口以太网接口等功能部件 [1], 非常方便用户进行开发试验, 深受广大开发人员的喜爱在 EasyARM2200 开发板上运行 uclinux 有两个主要的工作要做, 一是增加 uclinux 对 LPC2210 处理器的支持 ; 二是裁减和改造 uclinux, 使它能在开发板上运行关于 LPC2210 处理器的移植工作, 我们可以参照 uclinux 针对其它处理器的移植方案, 重点分析硬件部分的差异第二项工作则需要我们彻底分析 uclinux 的内存管理以及它的内核运行机制 2. uclinux 分析 2.1 uclinux 简介 uclinux 专门针对没有内存管理单元的 CPU, 并且专为嵌入式系统做了许多小型化的工作, 目前已经被广泛移植到了众多的 32 位微处理器作为 linux 的一个分枝,uClinux 的版本也从一直发展到现在最新的 2.6, 而且 2.6 版本已经成为了 linux2.6 发行版的一个部分 2.2 uclinux 内存管理机制 uclinux 不支持虚拟内存管理技术, 但它和 linux 一样采用分页管理机制系统在启动的初始化阶段对内存进行分页, 并且标记已使用的和未使用的内存在每一个 uclinux 进程被创建前, 内核的执行文件加载器对 uclinux 采用的 flat 文件进行处理, 选择全部加载或只加载数据如果没有足够的内存页面,

2 内核将试图释放一些页面供该进程使用当然, 如果释放不出足够的空间, uclinux 将陷入一个死循环所以在编译内核前, 开发人员必须告诉系统这块开发板到底拥有多少内存, 并规划好内存资源的分配 [2] 2.3 uclinux 内核引导系统上电后, 程序计数器 (PC) 指针指向地址 0x00 处执行系统引导程序, 在建立内核的运行环境后, 跳转到内核起始位置, 开始内核的引导过程内核的引导程序是 uclinux-dist/linux-2.4.x/init/main.c 中的 start_kernel() 函数, 它在进行一系列的初始化过程后, 启动 init 进程这个进程调用 init() 函数, 在 init() 函数中执行 rc 脚本输出 uclinux 启动字样, 运行 Sash 程序建立 shell 命令行整个系统引导的流程图如图 1 所示 : 图 1 uclinux 启动流程图 3. uclinux 对 LPC2210 的支持 linux.2.4.x/arch 下的每个子目录代表移植到 uclinux 环境下的不同的处理器体系结构 armnommu 目录表示的是无 MMU 的 ARM 芯片因为 LPC2210 也属于 ARM 体系, 所以我们要做的工作就是添加及修改与 LPC2210 处理器硬件相关的细节限于篇幅, 移植细节在这里不作介绍, 只在下表列出需要修改的文件 :

3 表 1 移植到 LPC2210 需要修改的文件文件及目录 arch/armnommu/config.in arch/armnommu/tools/mach-types arch/armnommu/mm/proc-arm6,7.s arch/armnommu/kernel/entry-armv.s linux-2.4.x/arch/armnommu/mach-lpc include/asm-armnommu/arch-lpc/hardware.h arch/armnommu/kernel/head-armv.s arch/armnommu/mach-lpc/arch.c arch/armnommu/mach-lpc/irq.c arch/armnommu/mach-lpc/makefile armnommu/makefile drives/block/blkmem.c uclinux-dist/vendors/philips/lpc2200/rc 修改内容添加 CONFIG_ARCH_LPC 项添加 LPC2210 体系结构定义添加 LPC2210 芯片的硬件信息添加 LPC2210 中断部分宏定义添加 LPC2210 目录添加 LPCC2210 头文件添加关于 LPC2210 的启动部分添加 LPC2210 结构定义添加关于 LPC2210 中断管理部分添加 makefile 文件定义内核开始地址修改 ROMFS 的地址修改启动脚本 4. uclinux 针对 EasyARM2200 的裁减和改造 4.1 设计 Bootloader Bootloader 是系统加电后运行的系统引导代码, 它完成基本的硬件设备的初始化, 并负责加载和引导内核, 为 uclinux 的运行建立一个合适的软硬件环境 [3] uclinux2.4.x\arch\arm\armnommu\boot\compressed\ head.s 是 uclinux 自带的一个 Bootloader 程序, 但它把内核和文件系统都加载到 RAM 空间中运行, 这样做的目的是为了提高程序的运行速度, 但却加大了对内存的开销, 不适用于我们的开发板系统所以我们需要自行设计一个简单高效的 Bootloader 来实现开发板的初始化和 uclinux 的引导

4 图 2 BootLoader 程序流程图 4.2 选择内核形式 uclinux 根据不同的配置, 可以生成以下几种不同的内核形式 [4] : 非压缩, 非 XIP XIP(eXecute In Place) 是指代码可在存放的位置直接运行 ; 而非 XIP 是指在运行之前需要对代码进行重定位该类型的 Kernel Image 以非压缩格式存放在 Flash 中, 需由 Bootloader 加载到 RAM 中运行非压缩,XIP 该类型的 Kernel Image 以非压缩格式存放在 Flash 中, 不需加载, 由 Bootloader 直接调用复制 Data 段和清零 BSS 段的工作由 Kernel 自行完成 RAM 自解压压缩格式的 Kernel Image 由开头的一段自解压代码和其后的压缩数据组成在被 Bootloader 加载到 RAM 中的临时空间后, 调用其自解压代码把 Kernel 解压到目标空间

5 4.2.4 ROM 自解压该类型的 Kernel Image 存放在 Flash 中, 不需加载由 Bootloader 直接调用其自解压代码把 Kernel 解压到目标空间一般的 uclinux 选择 RAM 自解压方式, 压缩的 Kernel Image 放在 ROM 空间, 而解压后的内核在 RAM 空间运行显然,EasyARM2200 开发板不能采用这种方式, 而应该采用非压缩,XIP 方式, 把内核代码放在板上 Flash 空间中直接运行, 从而减少对 RAM 的开销 4.3 采用 ROMFS 作为根文件系统 uclinux 启动后, 根据启动参数加载根文件系统即 ROOT 文件系统 uclinux2.4 默认的启动参数为 ROOT = RAM0, 即采用 RAMFS 作为根文件系统顾名思义,RAMFS 是一种内存文件系统, 它工作于虚拟文件系统 (VFS) 层对于 EasyARM2200 开发板来说, 由于其内存资源非常有限, 因而不能采用 RAMFS 文件系统而 ROMFS 文件系统是一种可以在 FLASH 上直接运行的文件系统, 它需要的代码空间较小, 在运行时对内存的开销也较小, 所以我们选择 ROMFS 作为根文件系统 4.4 存储空间分配合理规划开发板存储资源的分配是运行 uclinux 的关键首先需要实现 uclinux 内核中的.INIT 段.TEXT 段.DATA 段和.BSS 段在存储空间的重新定位, 我们可以通过修改 Linux2.4.x\arch\armnommu 目录下的 mlinux-armv.lds 来实现这个目的.TEXT 是 uclinux 内核代码段, 我们把它定位在 FLASH 地址空间 ;.DATA 段是 uclinux 被初始化的数据空间,.BSS 段是 uclinux 没有被初始化的数据空间, 由于它们都是可读写数据段, 所以必须定位在 RAM 空间 ;.INIT 段是所有.INIT 初始化代码的程序和数据段, 由于它在初始化完成后被系统收回, 所以也可定位在 RAM 空间 EasyARM2200 开发板 FLASH 地址空间为 0x x , 系统上电后, 其起始地址被映射为地址 0x00, 因此 0x 位置必须存放 Bootloader 代码 ; 从 0x 处开始存放内核影像文件 image.bin; 而在地址 0x 处存放文件系统影像文件 romfs.img 开发板 RAM 地址空间为 0x x , 主要是内核运行所需要的数据段和任务进程使用由于内核把内核空间以下的 16K 内存存放页表, 所以我们把内核数据段定位在 0x 处

6 4.5 重新配置内核重新配置内核, 是裁减 uclinux 一个主要的方式通过 make menuconfig 或 make config, 可以选择我们需要的选项, 从而去掉不需要的功能和模块, 达到减少存储空间开销的目的以下是针对 EasyARM2200 开发板的 uclinux 配置方案 : System Type 是针对不同处理器的选项, 我们选择移植时增加的 CONFIG_ARCH_LPC 项 ; CONFIG_SET_MEM_PARAM 是针对不同存储器配置的选项, 这里我们根据 EasyARM2200 开发板资源, 配置为 : DRAM_BASE= ,DRAM_SIZE= FLASH_MEM_BASE= ,FLASH_SIZE= CONFIG_CMDLINE_BOOL 是启动参数项, 这里我们指定 FLASH 为根设备 : CONFIG_CMDLINE="root=/dev/rom" CONFIG_ROMKERNEL=Y, 选择非压缩,XIP 内核形式 File System 是文件系统选项, 选择 ROMFS: CONFIG_ROMFS_FS = Y Block Device 是和文件系统相关的块设备, 这里选 : CONFIG_BLK_DEV_BLKMEM = Y Net Devices 是网络设备选项, 虽然网络是 linux 的长项, 但在非网络应用时, 也可以不选此项 Application 是应用程序选项, 这里, 我们只选择两个最基本的选项 : CONFIG_USER_INIT_INIT = Y Enable Console Shell = Y CONFIG_USER_SASH_SH = Y 这样, 可保证 uclinux 拥有 init 进程和一个 shell 命令行界面

7 5. 运行 uclinux 移植后的 uclinux 经编译后, 生成的内核影象文件 image.bin 大小为 425KB, 生成的文件系统影象文件 romfs.img 大小为 150KB, 再加上 3K 的 BootLoader, 整个系统占用的 ROM 空间大约 630 KB 用 FLASH 烧写工具依次将 Bootloader image.bin 及 romfs.img 烧写到 FLASH 中相应位置, 然后就可以启动运行 uclinux 系统了 6. 结论实践证明,EasyARM2200 开发板能够运行 uclinux, 但是在系统相对复杂时, 比如加入网络支持等, 其 512KB RAM 空间还是显得不足, 此时必须更进一步优化和改造其内核, 才能满足实际的需要希望本文能给 uclinux 爱好者起到抛砖引玉的作用, 为 uclinux 在嵌入式系统中的应用拓展更大的空间参考文献 [1] 周立功等. ARM 与嵌入式系统实验教程. 广州 : 广州周立功有限公司, [2] 邹思轶. 嵌入式 Linux 设计与应用. 北京 : 清华大学出版社, [3] 李善平, 刘文峰, 王焕龙.Linux 与嵌入式系统. 北京 : 清华大学出版社, [4] 詹荣开. 嵌入式系统 Boot Loader 技术内幕 [EB/OL] [5] Ryan Sheng. Porting uclinux to Samsung S3C44B0X Board[EB/OL]

Abstract arm linux tool-chain root NET-Start! 2

Lab III - Embedding Linux 1 Abstract arm linux tool-chain root NET-Start! 2 Part 1.4 Step1. tool-chain 4 Step2. PATH 4 Part 2 kernel 5 Step1. 5 Step2... 6 Step3...8 Part 3 root. 8 Step1. 8 Step2. 8 Part