基于ARM的Linux系统移植研究与实现

0 引言
嵌入式系统是一个专用的计算机系统。该系统以计算机技术为基础，软硬件可裁减，但对功能、可靠性、成本等都有严格的要求。今天，一些专用系统需要处理大量的信息，由于传统的计算机系统很难实现硬件可裁减，因而已经不能满足专用系统的需要。伴随着我国汽车、家电等产业的快速发展，嵌入式系统的应用与开发已成为目前IT产业的一个新的热点。基于ARM的嵌入式系统的开发，首先要解决的问题是嵌入式操作系统的移植。Linux操作系统作为一种源代码开放、同时可支持多种处理器结构的多任务操作系统，具有内核小、易裁剪、可移植性好等优点，是目前嵌入式系统应用与开发的主流操作系统。本文主要研究在ARM9平台上搭建嵌入式Linux系统的实现方法。

1 嵌入式Linux操作系统及特点
目前，在嵌入式系统开发中，52％的项目选择Linux作为嵌入式操作系统，这与Linux自身的优良特性有不可分割的关系。
 Linux操作系统内核源代码开放，并具有丰富的软件资源。不同的应用领域可以根据需要对内核进行修改，每一种通用程序在Linux都能找到。在Linux上开发程序不需要从头做起，可以选择一个类似的软件进行二次开发，因而能够低成本地开发出满足自己需要的嵌入式系统。
另外，Linux系统能支持多种硬件设备，而且驱动丰富，能支持多种主流硬件设备和最新硬件技术。随着Linux的广泛应用，许多芯片生产厂家也已经开始为Linux提供驱动，这为Linux在各种硬件平台上的应用奠定了基础。
 Linux可支持多种体系结构，具有较好的可移植性。目前，Linux已经移植到绝大多数硬件平台上，能够支持ARM、MIPS、LPHA、SPARC等多种体系，Linux支持几乎所有流行的CPU。Linux具备一整套工具链，容易建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，可跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。由于其符合IEEE POSIX．1标准，因而应用程序具有较好的可移植性。
Linux具有完善的网络通信和文件管理机制。实际上，Linux从一开始就与网络密不可分，网络是Linux的最为显著的特征。Linux具有ARM9上的嵌入式Linux系统移植的特性，从而保证了它支持所有标准因特网协议，可以利用Linux的网络协议栈开发嵌入式TCP／IP网络协议栈。同时，Linux支持ext2、fat16、fat32、romfs等文件系统，从而为嵌入式系统应用开发打下了很好的基础。

2 Linux在ARM平台上的移植
2．1 SBC2410硬件平台介绍
SBC2410硬件平台是具有基于ARM9处理器SBC2410A，可支持ARM—Linux、WindowsCE等操作系统的嵌入式硬件平台。主要硬件资源有一片64 MB SDRAM，一片64 MBNandFlash，一片1 MB Nor Flash，一个串口COM0，一个USB Host A型接口，一个USB Slave B型接口，以及一个标准的JTAG接口等。
2．2 Linux在ARM平台上的移植准备
首先是要建立交叉编译环境。交叉编译环境是一个由编译器、连接器和解释器组成的综合开发环境。交叉编译工具主要包括编译器gcc，二进制工具binutils，目标系统的标准c库glibc和目标系统的Linux内核头文件。宿主机要选好做嵌入式开发的Linux操作系统，配置好网络、NFS服务等。因为目标机没有足够的资源运行开发工具和调试工具，所以要在宿主机上建立交叉编译环境，然后由交叉编译工具生成可执行二进制代码(并不能在宿主机上运行)，再下载到目标板上调试和运行。交叉编译标准c环境的生成步骤包括以下四步：
(1)获得binutils、gcc、glibc的源码；
(2)配置编译binutils，得到汇编器和连接器；
(3)配置编译gcc源码，生成gcc编译器；
(4)配置glibc编译生成glibc的c库函数。

2．3 引导程序移植bootloader
引导程序bootloader是与体系结构紧密相关的部分，是操作系统内核和应用程序运行之前运行的一小段程序，用于完成系统的启动和加载。它类似于PC机中的BIOS程序。bootloade严重依赖于硬件实现，一般在嵌入式系统中建立一个通用的bootloader是不可能的。用户必须自己编写这一小段程序，从而完成硬件设备的初始化，建立内存空间的映射图，将系统的软硬件带到一个合适的状态，为操作系统内核的运行做准备。
通常bootloader移植分为两步：
第一步常用汇编语言实现依赖于CPU体系结构的代码。主要包括硬件设备初始化；为加载bootloader准备RAM空间；拷贝bootloader到RAM空间中；设置好堆栈。
第二步常用C语言来实现。即：初始化本阶段要使用到的硬件设备；检测系统内存映射(memory map)；将kernel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。图1所示是bootloader的工作流程图。

2．4 内核移植
内核移植首先应当启动操作系统，完成内存管理、任务调度、进程管理、加载驱动程序、网络等功能，然后执行应用程序或等待用户命令。虽然各功能之间存在复杂的调度关系，但由于Linux分层结构的特点，已将其中硬件相关的代码独立了出来，因此，移植过程中只需要改动进程管理、内存管理和设备管理中与硬件相关的那部分代码。
一般情况下，从官方网站上下载的内核不能直接在硬件平台上运行，而要跟据具体的硬件平台重新裁剪、编译内核，并根据硬件平台特性编写相应的硬件相关的代码，将Linux移植到硬件平台。对内核代码的修改包括以下部分：
(1)修改内核目录树根下的Makefile，找到ARCH和CROSS_COMPILE，修改ARCH=arm，CROSS_COMPILE=armlinux，然后设置PATH环境变量，在文件bashrc中添加expor PATH=／usr／local／arm／3．4．4／bin：＄PATH，使其可以找到交叉编译工具链，然后重新登陆。
(2)设置flash分区，修改arch／arm／machSBC2410／devs．c用以指明分区信息，该文件的内容建立nand flash分区表；修改arch／arm ／machSBC2410／machsmdk2410．c文件指定启动时初始化，并在kernel启动时依据对分区的设置进行初始配置。在Linux源文件目录下，执行makemenuconfig命令，配置内核产生config文件，选择处理器类型为SBC2410，选择串口驱动设备，完成后保存config文件。
在完成内核的裁减之后，执行命令make clean，编译内核之前先把环境给清理干净，也可以用makerealclean或makemrproper来彻底清除相关依赖，保证没有不正确的文件存在，最后将zimage下载到开发板。

3 结语
经过移植，Uboot和Linux在SBC2410平台就能运行，在此基础上，还可以进一步开发各类驱动程序及应用软件。用串口线将SBC2410和PC机相连，通过超级终端可以看到移植成功。系统成功启动后，就可以进入根文件系统。本文通过分析Linux的特点和移植方法，总结出了一种基于ARM的Linux系统移植的方法，并实现了Linux系统内核在SBC2410处理器平台上的移植。