基于XIP技术的ARM Linux系统的研究与移植

　　1 研究背景

　　ARM Linux 嵌入式系统在不同应用领域应用的日趋广泛,它们存储容量相对较小、系统的电能消耗及启动速度要求严格。为了满足它们对启动速度和低能耗的要求，本文采用内核XIP 方式运行ARM Linux 系统，避免把内核从Nor Flash 拷贝到主存SDRAM 空间，让内核运行在低功耗的NOR Flash 上，节省系统启动时间，降低系统对SDRAM 的需要，减少电能消耗，使产品能够持续使用更长时间。

　　2 开发工具及相关技术介绍

　　2.1 硬件平台

　　本文选择深圳亿道公司的XSBase255 开发板，其处理器采用的是Intel? XScalePXA255,400MHz,SDRAM 为Samsung 64Mbyte,Flash 为Intel? strata flash 32Mbyte。

　　2.2 软件工具

　　Linux-2.6.12 linux-2.6.13-kgdb-2.3 Cramfs-linear-xip-4-patch busybox-1.10.0 ramust-arm2.3XIP 技术介绍XIP 全称eXecute-In-Place(就地执行)，是一种代码执行方式，分为Kernel XIP[1]和Application XIP[2]两种。Kernel XIP 适用于操作系统启动过程，而Application XIP 主要用于系统启动后应用程序的执行。

　　Kernel XIP 原理如下，内核映像在Flash 设备上执行以后，只把映像中要读写的.data和.bss 拷贝到SDRAM 主存中，同时设置好系统的MMU，内核运行过程中，代码段.text 指向Flash 空间，.data 和.bss 指向SDRAM 主存空间。相对于全映射的执行方式，系统节省了解压缩和拷贝代码段的时间，节省了代码段占用的RAM 主存空间。

　　Application XIP 原理与Kernel XIP 类似，管理NOR Flash 空间的文件系统必须具有线性的一致的地址空间，可执行的应用程序的代码段在NOR Flash 中线性连续，且地址能够从文件系统知晓。操作系统执行应用程序时，系统的程序加载器（loader）在建立虚拟进程空间后，只需要把应用程序的数据段和未初始化段等要读写的段装入SDRAM 主存空间，并建立好映射，而对于可执行文件的只读的代码段空间则无需装入，直接映射到NOR Flash 设备上应用程序文件的代码段，程序执行时直接从NOR Flash 设备上获取代码执行。

　　3 ARM Linux 启动过程分析

　　开发板上电启动后，首先执行Bootloader 程序，Bootloader 进行初步的环境初始化并准备好内核参数。对于本文采用的内核XIP 执行方式，Bootloader 不需要从Flash 设备中解压拷贝内核映像到SDRAM主存中，运行内核映像后，把需要读写操作的数据段拷贝到SDRAM主存的适当位置，并进行片级初始化、板级初始化等内核运行的硬件环境初始化工作，最后是根据内核参数执行内核各个子系统的初始化。

　　3.1 执行映像生成过程及关系

　　生成内核映像的一般过程是，使用 make menuconfig 配置内核，再使用make zImage 或make bzImage 生成压缩的内核映像zImage 或bzImage，这样生成的是压缩的内核映像。本文通过配置CONFIG_XIP_KERNEL，使系统生成xipImage，其生成图如图2 所示：

　　3.2 获得内核启动过程函数关系调用图

　　这里使用 KFT 工具来获得。KFT 全称Kernel Function Trace[3]，主要功能是跟踪函数调用事件。KFT 收集调用数据后，把数据保存在/proc/kft_data，在XScale 平台上配置KFT 时，KFT 需要使用cmpxchg 函数，而原始内核不支持，所以需要修改源代码，添加__cmpxchg_u3和__cmpxchg 函数的声明和定义，以及宏cmpxchg 和arch_align_stack(x)。准备工作完成后，下载到开发板上运行并获取原始跟踪数据。然后，调用addr2sym 工具对原始跟踪数据进行格式化，可以获取函数调用顺序图，再使用kd 工具将获得的内容格式化为树状关系图，最终获得内核启动过程函数关系调用图kft.tree，为下面的工作提供很好的指引和帮助。[page]

　　3.3 Bootloader 的修改

　　Bootloader 分为两个阶段，第1 阶段采用汇编语言实现。第2 阶段采用C 语言实现。除了进行普通Bootloader 所需的片级和板级初始化之外，针对内核XIP 执行方式所做的主要工作有以下2 个：

　　1:通过查看体系Makefile 得到XIP 方式的DATAADDR 和TEXTADDR。

　　2:建立初始页表时，为.data 和.bss 段建立好3MB 连续空间以存放xipImage。

　　4 基于XIP 的ARM Linux 内核移植

　　本文采用的标准 Linux 内核2.6.12 版本不支持在XSBASE255 上直接运行，需要根据开发板硬件体系结构进行相关移植和订制裁减工作。

　　4.1 内核链接脚本

　　生成内核映像的链接脚本是在 arch/arm/kernel/vmlinux.lds 中，而vmlinux.lds 是由同目录下的vmlinux.lds.S 生成，查看脚本内容，可以获知内核映像各节的虚拟地址取决于内核符号TEXTADDR和DATAADDR，以及各节的大小。对于xipImage，其.init，.text 和__ext_table都是在NOR Flash 上，只有.data 节.bss 节在主存上，因而根据配置过程中设置的CONFIG_XIP_PHYS_ADDR 值，设置TEXTADDR 为0xbf000000，而DATAADDR 则设置为0xC0008000，在内核的CPU 片级初始化过程中的页表建立过程中，TEXTADDR 指向NORFlash，而DATAADDR 指向主存SDRAM 中，把.init 段链接到.data 段之前，拷贝到SDRAM中，执行完毕后，回收这部分主存，而内核的.text 段以Kernel XIP 方式运行[4][5]。

　　4.2 移植源代码

　　下面阐述在 XSBase255 开发板上以XIP 运行内核的移植过程[6]。

　　4.2.1 添加机器平台支持、目录框架及内核配置的支持

　　4.2.2 源代码文件移植，为实现XIP，在arch/arm/mach-pxa/Makefile.boot 中定义内核映像text节的物理地址，即ZRELADDR 的地址值 zreladdr-y := 0xa0008000

　　4.2.3 闪存分区的移植

　　本文采用的是 NOR Flash，根据开发板上闪存的起始地址和大小划分为Bootloader，Kernel ， Rootfs 等四个不同部分。其初始地址和大小分别分Persistant storage 0x01000000-0x02000000, Initial ramdisk image 0x00300000-0x01000000,Kernel Image0x00020000-0x00300000 ,Bootloader 0x00000000-0x00020000

　　4.3 配置内核

　　根据开发板移植好特定代码后，本节对内核进行配置，主要通过make menuconfig 命令启动的图形交互界面进行。

　　4.3.1 指定内核CPU 体系和交叉编译器及选择系统类型

　　4.3.2 启动XIP 支持

　　在菜单 Boot options 中，选中Kernel Execute-In-Place from rom，并设置好XIP 内核的物理位置0x00380000。

　　4.3.3 设置启动参数

　　同样在 Boot options 中，设置启动参数，如图2 所示。

　　4.3.4 选择串口驱动和控制台驱动

　　4.3.5 启动MTD 和NOR Flash 分区至此内核配置完毕，使用 make xipImage，获得XIP 内核映像。

　　5 文件系统的制作

　　为了支持 XIP，需要选择Linear CRAMFS 作为根文件系统。系统使用过程中的其他需要，可以采用其他类型的文件系统，如系统的临时文件可以采用RAMFS/TMPFS,系统中可修改的配置数据可以采用JFFS2 文件系统挂载。最终定制的文件系统类型如表1 所示：

　　本文采用嵌入式系统常用的 Busybox 方法制作根文件系统映像[7]。先编译生成系统应用程序，再建立完整的顶层目录和必要的其他文件。然后使用的Linux2.6 自带的mkfs.cramfs工具制作rootfs_cramfs.img 映像。至此根文件系统制作完毕。[page]

　　6 系统与性能测试

　　6.1 系统启动

　　完成整个系统的制作并逐步调整后，使用 Jflash 烧写Bootloader，然后利用Bootloader的tftp 工具，从宿主机下载内核映像和根文件系统映像并烧写到闪存上，最后启动开发板，引导系统。从串口输出系统中的启动信息可以看出，系统依次进行CPU 片级初始化、板级初始化和一些子系统初始化、并加载根文件系统，进入Busybox 的Shell 命令行，说明系统启动成功。

　　6.2 系统启动时间测试

　　本文采用开发板上 OSCR 寄存器测量内核映像解压所节省的时间，使用内核全局变量jiffies 测量启动过程各个部分的时间，测量所得时间数据如表2 所示：

　　从表中可以看出， Bootloader 启动时间与内核映像无关，当Bootloader 引导非压缩的Image 时，把内核映像拷贝到主存RAM 中需要耗费拷贝的时间。对于zImage，解压缩过程需要耗费545ms，而xipImage 则不需要。在xipImage 执行过程中，需要额外拷贝内核映像中可读写的数据段部分，因而内核启动时间要比zImage 要略长一下，但综合整体时间，使用Kernel XIP 执行方式的系统能有效的缩短系统启动时间。

　　6.3 系统内存使用测试

　　本文利用 RAMUST 和free 工具，测量系统使用的主存情况如表3 所示:

　　从表中可以看出，采用 Kernel XIP 的xipImage 内核映像通过增加对Flash 的使用需求，可以显著减少主存SDRAM 的使用量，Flash 上的内核代码的执行，不需要持续间断的动态刷新，从而降低了系统的整体功耗和成本。

　　总结：本文在通用Linux 2.6.12 内核基础上，以深圳亿道公司的XSBase255 开发板为硬件平台，研究并实现了以Kernel XIP 方式运行的ARM Linux 系统的移植，通过系统与性能测试，取得了较为理想的效果。