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嵌入式 Linux 移植

嵌入式 Linux 移植. 广东省嵌入式软件公共技术中心 2007 年 7 月 14 日. 课程介绍. 主要介绍 嵌入式系统发展 嵌入式系统结构 嵌入式软件开发 Bootloader 设计. 现今，嵌入式开发分类. 基于单片机开发； 基于专用集成电路的板级系统设计；根据需求利用现有的 IC(CPU 、 RAM 、 flash) 等设计电路板， 在板中移植操作系统，开发应用程序。 片上系统（ System On Chip,SOC ）；在单芯片上集成数字信号处理器、微控制器、存储器、接口电路等模块，即芯片设计；讲求软硬件协调开发。. 二 嵌入式系统结构.

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嵌入式 Linux 移植

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  1. 嵌入式Linux移植 广东省嵌入式软件公共技术中心 2007年7月14日

  2. 课程介绍 • 主要介绍 • 嵌入式系统发展 • 嵌入式系统结构 • 嵌入式软件开发 • Bootloader设计

  3. 现今，嵌入式开发分类 • 基于单片机开发； • 基于专用集成电路的板级系统设计；根据需求利用现有的IC(CPU、RAM、flash)等设计电路板， 在板中移植操作系统，开发应用程序。 • 片上系统（System On Chip,SOC）；在单芯片上集成数字信号处理器、微控制器、存储器、接口电路等模块，即芯片设计；讲求软硬件协调开发。

  4. 二 嵌入式系统结构 • 嵌入式系统一般包括硬件和软件两部分 • 这里的硬件是以一个高性能的处理器（通常是32位处理器）为基础； • 软件是以一个多任务操作系统为基础的综合平台 • 这样一个软、硬件平台是单片机无法比拟的，可称之为“嵌入式系统”。

  5. （1）嵌入式硬件平台 片上系统 时钟 SDRAM 控制器 SDRAM 处理器核 复位 外部总线 控制器 Flash 中断 控制器 其他外设

  6. （2）嵌入式系统软件 • 嵌入式软件可以分为两大类： • 系统软件：控制和管理嵌入式系统资源，一般是内核。 • 应用软件：在系统软件之上，如GUI（图形界面），网络服务器软件等。

  7. （2）嵌入式软件结构 应用程序 动态库 系统调用 内核子程序（进程调度、 内存管理、文件系统、 网络、进程间通信） 嵌入式软件 内核软件 BSP包（驱动程序） 硬件平台

  8. 嵌入式软件开发 • 嵌入式应用开发过程 一个嵌入式应用项目的开发过程是一个硬件和软件设计的综合过程，是一个系统设计过程，主要经历以下步骤： • 硬件设计与实现 • 引导加载程序的设计 • 操作系统的移植（主要是驱动程序移植） • 应用程序的设计 • 系统调试，样机交付 • 其中，引导加载程序，操作系统移植，应用程序设计是软件设计，具有自己的特点。

  9. 嵌入式软件开发的特点 • 需要交叉编译 • 硬件平台处理器较慢，内存和外存容量小等等； • 把软件开发放在高性能的PC机上进行； • PC机上CPU指令集与嵌入式CPU的指令集是不同的，因此，在PC机上开发嵌入式软件需要交叉编译。 • 需要移植 • 由于嵌入式系统是一个软硬件定制的系统，硬件平台各不相同，软件设计需要根据不同的硬件设备来添加或修改相应的代码，这就是移植。

  10. 基于linux的嵌入式软件设计 在一个硬件平台上设计一个基于linux的软件系统，需要的工作可以分为以下三部分： • Bootloader设计 • Linux内核的定制移植，驱动程序的开发 • 应用程序的设计

  11. 根据GEC2410开发板，构建嵌入式linux系统 • 接下来，我们以gec2410开发板为硬件平台，介绍构建一个嵌入式linux系统的原理和过程。 • 系统软件有以下部分组成 • Bootloader为u-boot • Linux内核的版本为2.6.14 • 应用程序由busybox、bash等构成

  12. Bootloader设计

  13. 一 Bootloader 介绍 • 引导加载程序BootLoader 是系统加电后运行的第一段代码。 • PC 中的引导程序一般由BIOS 和位于硬盘MBR中的OS bootloader（例如LILO 或者GRUB）一起组成。 • 然而嵌入式系统中通常没有像BIOS那样的固件程序，因此整个系统的加载启动任务就完全由bootloader 来完成。 • 在一个基于ARM920T core 的嵌入式系统中，系统在上电或复位时都从地址0x00000000开始执行，而在这个地址处安排的通常就是系统的BootLoader 程序。

  14. 一 Bootloader 介绍 • 首先，bootloader是在特定硬件平台运行的程序； • 严重依赖于硬件平台，需要移植。 • 是系统上电之后，第一个运行的程序； • 系统在上电或复位时通常都从地址 0x0 处开始执行，而在这个地址处安排的通常就是系统的 Boot Loader 程序。 • bootloader程序的设计目标是启动嵌入式操作系统。 • 嵌入式操作系统的启动需要一定的条件，这些条件由bootloader来满足。 • Bootloader一般具有对存储器和网络接口操作的功能；如擦除、读写Flash，通过USB、串口下载文件等。

  15. Bootloader的存储位置 bootloader 文件系统 内核映象 参数 如上图，bootloader一般放在Flash的底端，这是因为系统复位后执行的第一条指令的地址一般对应于Flash的底端。

  16. Bootloader的结构 • Bootloader 的启动过程一般分为两个阶段：stage1和stage2。 • Stage1的代码： • 依赖于CPU体系结构，例如系统初始化代码等 • 一般用汇编语言来实现， • 达到短小精悍的目的 • Stage2 的代码： • 用C语言实现 • 可以实现更复杂的功能 • 具有更好的可读性和可移植性

  17. Bootloader的stage1通常要完成以下工作 • 硬件设备初始化 • 为加载bootloader本身准备内存空间 • 复制bootloader本身到内存 • 设置好堆栈 • 跳转到stage2的C入口点。 Flash不算内存?

  18. Bootloader的stage2通常要完成以下工作 • 初始化本阶段要使用到的硬件设备； • 进入一个无限循环，等待用户的输入； • 当bootloader接受到要启动系统的信息的时候，作出以下动作； • 将 内核 映像和根文件系统映像从 flash 上读到 RAM 空间中； • 为内核设置启动参数； • 调用内核； • 这样bootloader的使命结束，系统的控制权交给操作系统。

  19. BootLoader 操作模式 • 大多数bootloader 都包含两种不同的操作模式：“启动加载”模式和“下载”模式： • 启动加载模式： • 这种模式也称为“自主”模式，即bootloader 从目标机上的某个固体存储设备上将操作系统加载到RAM 中运行； • 整个过程没有用户的介入； • 当以嵌入式产品发布的时候，bootloader 必须工作在这种模式下。 • 下载模式： • 在这种模式，bootloader从开发机（PC）上下载文件到目标机的RAM中，然后直接运行； • 这种模式适用于软件开发阶段；

  20. “Bootloader”与“Monitor”的区别 • “bootloader”只是负责引导系统； • “Monitor”除了引导系统之外，还提供了更多的命令行接口，可以进行： • 调试 • 读写内存 • 烧写Flash • 配置环境变量等 • “Monitor”在嵌入式系统开发过程中可以提供很好的调试功能，开发完成之后，完全可以设置成一个“bootloader”。所以，在习惯上把它们统称为“bootloader”。

  21. 实例分析 BootLoader 实验

  22. U-boot的介绍 • Uboot是德国DENX软件工程小组开发的、支持多种嵌入式CPU的bootloader程序。 • 可引导的嵌入式操作系统： UBoot不仅仅支持嵌入式Linux系统的引导，当前，它还支持NetBSD, VxWorks, QNX, RTEMS, ARTOS, LynxOS嵌入式操作系统。 • 支持的处理器： UBoot支持PowerPC、MIPS、 x86、ARM、NIOS、XScale等诸多常用系列的处理器。 • 特点： 功能多、灵活性强、开发积极、开放源代码、属于“monitor”

  23. U-boot的介绍 • uboot的获得： • 从下面地址下载uboot的源代码。 http://sourceforge.net/projects/uboot • 邮件列表： http://lists.sourceforge.net/lists/listinfo/u-boot-users/

  24. U-boot的源码结构 • uboot的目录结构 • 顶层有18个子目录，分别存放和管理不同的源代码。这些目录分三类： • 与处理器体系结构或者开发板硬件直接相关 • 存放通用的函数或者驱动程序的目录 • 存放uboot的应用程序、工具、文档的目录

  25. U-boot的源码结构 • uboot的目录结构 • board：存放与开发板有关的文件。每一个开发板都以一个子目录出现在当前目录中。如smdk2410 • common：实现uboot支持的命令，每一条命令都对应一个文件。例如bootm命令 -> cmd_bootm.c。 • cpu：与特定CPU架构相关目录，每一款Uboot下支持的CPU在该目录下对应一个子目录，比如有子目录arm920t等。 • doc：文档目录。Uboot有非常完善的文档，推荐大家参考阅读。 • drivers：Uboot支持的设备驱动程序都放在该目录，比如各种网卡、串口和USB等。

  26. U-boot的源码结构 • uboot的目录结构 • fs: 支持的文件系统，Uboot现在支持cramfs、fat、fdos、jffs2和registerfs。 • lib_xxxx: 与体系结构相关的库文件。如与ARM相关的库放在lib_arm中。 • net：与网络协议栈相关的代码，BOOTP协议、TFTP协议、RARP协议和NFS文件系统的实现。 • tools：生成Uboot的工具，如：mkimage, crc等等

  27. 问题 • 问题：u-boot支持多种体系结构的CPU,那么怎么在配置编译u-boot的时候选择自己的平台呢？

  28. U-boot的配置编译 • U-Boot 的源码是通过 GCC 和 Makefile 组织编译的。 • 首先顶层 Makefile 设置开发板的定义； • 然后递归地调用各级子目录下的 Makefile； • 最后把编译生成的目标文件链接成U-Boot 映像。

  29. U-boot的配置编译 • 顶层目录下的 Makefile • 负责U-Boot整体配置编译。 • 每一种开发板在 Makefile 都需要有板子配置的定义。 • 执行配置U-Boot的命令make smdk2410_config，则通过./mkconfig脚本生成include/config.mk 的配置文件。实际上是定义了ARCH、CPU、BOARD、SOC这些变量 • ARCH = arm • CPU = arm920t • BOARD = smdk2410 • SOC = s3c24x0

  30. U-boot的配置编译 • 顶层目录下的 Makefile • Makefile文件开始的部分包含了这些变量的定义和输出。 # load ARCH, BOARD, and CPU configuration include include/config.mk export ARCH CPU BOARD VENDOR SOC

  31. U-boot的配置编译 • 顶层目录下的 Makefile • 硬件平台依赖的目录文件就是根据这些定义来确定。SMDK2410平台相关目录如下。 • board/smdk2410/ • cpu/arm920t/ • cpu/arm920t/s3c24x0/ • lib_arm/ • include/asm-arm/ • include/configs/smdk2410.h

  32. U-boot的配置编译 • 顶层目录下的 Makefile • Makefile文件还定义uboot映象编译的依赖关系。 ALL = u-boot.srec u-boot.bin System.map all: $(ALL) u-boot.hex: u-boot $(OBJCOPY) ${OBJCFLAGS} -O ihex $< $@ u-boot.srec: u-boot $(OBJCOPY) ${OBJCFLAGS} -O srec $< $@ u-boot.bin: u-boot $(OBJCOPY) ${OBJCFLAGS} -O binary $< $@ …… Makefile缺省的编译目标是all，包括： u-boot.srec u-boot.bin System.map

  33. U-boot的配置编译 • 开发板配置头文件 • 编译之前，可通过修改头文件include/configs/<board_name>.h，为开发板定义配置选项或者参数。例如smdk2410板的头文件是smdk2410.h。 • 这个头文件主要定义了两类变量 • 一类是选项，前缀是CONFIG_，用来选择处理器、设备接口、命令、属性等。 #define CONFIG_DRIVER_CS8900 1 • 另一类是参数，前缀是 CFG_，用来定义总线频率、串口波特率、Flash 地址等参数。 #define PHYS_FLASH_1 0x00000000 #define CFG_FLASH_BASE PHYS_FLASH_1

  34. U-boot的配置编译 • U-boot编译分2步 • 第1步配置，例如：make smdk2410_config； • 第2步编译，执行make，得到U-Boot各种格式的映像文件和符号表。 • System.map U-Boot映像的符号表 • u-boot.bin U-Boot映像原始的二进制格式 • u-boot U-Boot 映像的 ELF 格式 • u-boot.srec U-Boot 映像是motorola的S-Record 格式 • 其中u-boot.bin可以按照绝对地址烧写到flash芯片中去。

  35. U-boot的移植 • 什么叫做移植？ • 当一个软件的运行环境发生变化时，软件跟硬件平台密切相关的代码需要经过修改，才能在新的平台上运行，这就是移植的工作。

  36. U-boot的移植 • 为什么选择U-boot作为系统的bootloader? • U-boot 源码在不断地更新，支持的开发板越来越多； • U-boot 源码被反复应用、测试和维护，具有很好的稳定性； • U-boot 较新的版本已经支持smdk2410开发板，移植的工作量少，可以缩短移植周期，提高开发效率，降低开发成本。

  37. U-boot的移植 • 下面就以GEC2410开发板为例介绍移植的过程，硬件环境如下： • CPU: S3C2410 • SDRAM: HY57V561620 • Nand flash: K9F1208U0B（64MB） • 以太网芯片：CS8900A （10M/100MB）

  38. U-boot的移植过程 （1）在顶层Makefile中为开发板添加新的配置选项,例如，参考“smdk2410_config”选项,添加如下： gec2410_config : unconfig @./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t gec2410 NULL s3c24x0 • 各项的意思如下: arm: CPU的架构(ARCH) arm920t: CPU的类型(CPU)，其对应于cpu/arm920t子目录。 gec2410: 开发板的型号(BOARD)，对应于board/gec2410目录。 NULL: 开发者/或经销商(vender)。 s3c24x0: 片上系统(SOC)。

  39. U-boot的移植过程 （2）在board目录中建立gec2410子目录，用于存放与开发板相关的代码，这里以smdk2410为例： #cp -rf board/smdk2410 board/gec2410 #cd board/gec2410 #mv smdk2410.c gec2410.c • 修改board/gec2410/Makefile 将： OBJS := smdk2410.o flash.o 改为： OBJS := gec2410.o flash.o

  40. U-boot的移植过程 （3）为gec2410开发板添加新的配置文件，存放在include/configs/中。 #cp include/configs/smdk2410.h include/configs/gec2410.h （4）指定交叉编译工具的路径，并配置开发板 #export PATH=/usr/local/arm/2.95.3/bin:$PATH #make gec2410_config （5）编译u_boot #make all 执行make命令，测试编译能否成功

  41. U-boot的移植过程 （6）添加驱动或者功能选项 • 当测试编译能够通过的时候，还要实现u_boot的以太网接口，Flash擦除、读写等的功能； • 这些功能由于不同的开发板采用不同的芯片，因此需要修改源码。

  42. U-boot的移植过程 • 添加网络功能 • 修改include/configs/gec2410.h文件中对命令的支持参数CONFIG_COMMANDS，添加需要的网络命令。 #define CONFIG_COMMANDS 添加 CFG_CMD_NET CFG_CMD_PING • 若要添加这些命令宏之外的新命令，则可参考书中的方法

  43. U-boot的移植过程 • 支持从nand flash启动 • 首先，我们来了解一下s3c2410的nand flash特性： • S3C2410的Nand Flash支持由两部分组成： • Nand Flash控制器(集成在S3C2410 CPU)； • Nand Flash存储芯片(K9F1208U0B)两大部分组成。 • 对Nand Flash存储芯片进行操作, 必须通过Nand Flash控制器的专用寄存器才能完成； • Nand Flash相当于一个外设,而不位于它的内存地址区； • 所以，不能对Nand Flash进行总线操作。

  44. U-boot的移植过程 • 为了支持NAND flash起动，S3C2410内建了内部的4k的SRAM缓存“Steppingstone”。 • 当选择从nand flash启动的时候，Nand flash最初的4k字节将被读入“Steppingstone”然后开始执行起动代码。 • 通常要求起动代码在前4k代码中把他本身从Nand flash中的拷到SDRAM中以便执行主代码。

  45. U-boot的移植过程 • U_boot为了支持从nand flash启动，必须在启动时把自己拷贝到SDRAM中，这个搬运的工作需要我们自己实现。 • 具体就是在“cpu/arm920t/start.S”中添加搬运代码

  46. U-boot的移植过程 • 支持nand flash的读写命令 • 对nand flash操作的命令的实现在“common/cmd_nand.c”文件中； • 移植的主要工作是在文件中添加： • nand flash专用寄存器地址的宏定义 • nand flash 操作的一些命令等

  47. U-boot的移植过程 （7）调试u_boot源码，直到u_boot能在开发板上正常运行起来。 • 调试的过程可能很艰难，这就要求我们对U_BOOT的相当熟悉； • 可以用source insight建立一个u_boot的工程项目，深入分析u_boot的启动代码； • 在调试的过程中还可以使用一些调试技巧，比如： • 当遇到串口没有打印信息的时候，我们可以借助LED灯的亮灭来提示程序执行到那里。 • 当遇到nand flash 芯片不能初始化的时候，可以在代码中插入一句“printf(“I am here\n”)”语句，检查程序的执行。

  48. 实验 • u-boot的配置编译

  49. U-boot的引导 • 一旦u-boot被正确安装都目标板之后，接着可以使用串行线连接目标板，并且用终端程序连接目标板，然后用u-boot引导。 • 下面是GEC2410开发板在引导期间的输出： U-Boot 1.1.4 (Jul 16 2007 - 16:26:51) U-Boot code: 33F80000 -> 33F9C5D4 BSS: -> 33FA06BC RAM Configuration: Bank #0: 30000000 64 MB Flash: 512 kB nand flash : 64 MB *** Warning - bad CRC or NAND, using default environment In: serial Out: serial Err: serial GEC2410#

  50. U-boot的引导 • 正如所见，u-boot先是打印出版本信息； • 然后提供与硬件有关的细节； • 最后u-boot提供了一个命令提示符“GEC2410#”； • 用户可以在提示符下输入相应的命令，执行相应的操作。

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