基于Xscale的PC/104 Linux系统构建

1 引言

PC/104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线。其实质是一种紧凑的IEEE-P996总线规范。PC/104的信号定义和PC/AT基本一致，但电气和机械规范完全不同，是一种优化的、低功耗的、小型的、堆栈式结构的嵌入式控制系统[1]。

基于嵌入式PC/104的操作系统多为DOS或者Windows。采用DOS系统无图形窗口，交互能力差；采用Windows系统则需要昂贵的版权费，成本高，且存在安全问题。

ARM(Advanced RISC Machines) 公司是全球领先的16/32位RISC微处理器知识产权设计供应商[2]。 ARM处理器具有体积小、功耗低、性能优良且成本低廉等优点，与PC/104的工作环境对其提出的要求相符，而且Linux具有开放源码的特点，用户不必为昂贵的版权费用担心。因此，研究以基于ARM的Xscale处理器替代传统的X86架构的PC/104处理器，并以嵌入式Linux系统替代DOS或 Windows系统具有重要意义。

2 PC/104目标硬件平台介绍

本文采取博创公司的UP-PXA270 PC/104 CPU模块作为构建Linux的目标硬件平台。该模块采用Intel PXA270 Xscale低功耗处理器，主频104MHZ～520MHZ，集成了64M的SDRAM，有16M的Nor Flash存储软件程序及重要数据，提供了CF卡接口、USB接口、VGA接口、LVDS接口、串口、以太网接口。

3 Linux系统在PC/104上的实现

3.1 内核的选择与下载

3.2 交叉编译环境的建立

由于宿主机和目标板的处理器架构不同，需要建立交叉编译环境。在宿主机上完成程序的开发和编译，在目标板上执行，可以充分利用宿主机的高性能，有效提高编译效率。

主机采用商用版Redhat-Linux9.0，以解决基于Windows虚拟机环境存在兼容性及对速度产生影响等问题。

本文在X86架构上的主机上采用针对ARM的工具链进行开发，开发工具链采用UP-PXA270 PC/104 CPU模块配套光盘中提供的交叉编译器arm-linux-gcc，安装步骤如下：

以超级用户root登陆，并打开一个shell，依次执行如下操作：

1）   #mkdir/usr/local/arm;创建开发工具目录；

2）   #cd/usr/local/arm;进入该目录；

3）   #tar xvzf arm_linux_gcc.tar.gz；解压缩交叉编译工具；

4）   #export PATH=/usr/local/arm/3.2.1/bin:￥PATH。设置环境变量。

便可完成安装，建立好交叉编译环境。[page]

3.3 Boot Loader移植

引导加载程序Boot loader是在操作系统内核运行前运行的一小段程序。用来完成硬件和软件运行环境的初始化，建立内存空间映射图，以便最终调用操作系统内核。作用与PC机上的BIOS基本相同，是最底层的引导程序。

本文采用了功能最多、最具弹性的被最为积极开发和维护的开放源码的bootloader，即U-BOOT。它除了提供引导功能外，还提供监控程序的功能，该功能在系统开发期间非常有用。

Boot Loader移植操作如下：

首先确定在cpu./xscale/和board./pxa270下存在xscale.c和pxa270.c两个文件，然后在根目录下输入：make pxa270_config得到U-Boot.bin映像文件，最后用JTAG烧录到FLASH，完成Boot Loader的移植。

3.4 Linux内核的配置与裁减

Linux内核已经发展到2.6.20版本，功能非常强大，但是，体积也变的异常庞大。因此，必须针对PC/104目标板的硬件配置进行裁减。

根据目标板PXA270的资源配置，采用make menuconfig配置内核，将有关CPU、内存管理、JFFS2文件系统支持、串口支持、网口支持编译进内核，将音频、触摸屏接口、LVDS接口作为模块编译，需要时动态载入，这样编译下来的内核只有300KB左右，大大减小了内核的体积，减轻了目标板有限的存储空间和内存的压力。

编译并生成镜像命令如下：

1）#tar jxvf my-linux-2.6.10..tar.bz2

2）#ln –s linux-2.6.10 linux

3）#cd linux

4）#make clean

5）#make dep

6）#make bzImage

3.5 文件系统的选择和建立

根据文件系统的特性[5]和PC/104目标板的硬件环境，选择JFFS2作为PC/104目标板的文件系统。JFFS2文件系统具有垃圾回收功能维护空间，并且它的元数据的结构允许文件系统的写入操作，故可提供对使用Flash系统而言非常重要的断电可靠性和损耗平衡特性，能应对PC104工作时的突发事件，避免系统由于突发事件造成崩溃，从而提高系统的安全性。

商用发行版Red Hat的文件系统内容来自GNU，体积庞大，不适合做嵌入式系统的文件系统，而Busybox是小型嵌入式系统常用的一个套件，它可以根据配置执行ash shell的基本功能，以及几十个小应用程序的功能，而大小只有300K左右，是目前嵌入式领域最活跃的系统应用套件。故本文使用Busybox系统套件。

将全部的文件系统移植到目标板之前，需要用mkfs.jffs2工具打包。具体移植操作如下：

1）    解压根文件系统，生成root目录。

#tar jxf up-netpxa270_fs.tar.bz2

2）    解压busybox

#cd up-techpxa270/kernel/02_root

#tar zxf busybox-1.00-pre9.tar.gz

#cd busybox-1.00-pre9

3）    配置安装busybox

#make menucongfig

4）    生成JFFS2文件系统

#/mkfs.jffs2 -r root -o rootfs.img -e 0x20000 --pad=0xd00000

移植好文件系统后，便可以通过U-boot引导，并挂载该文件系统根分区启动Linux。

4 系统测试

开发的基于Xscale的PC/104 Linux系统硬件如图1所示。室温25℃，通风良好条件下，经测试，系统能够启动并稳定运行（如图2），通过PING命令测试表明，系统能够与外网连通（如图3），且工作稳定，系统构建成功。

图1 PC/104开发板[page]

图2 系统启动界面

图3 PING命令测试结果

5 结论

以博创公司的UP-PXA270 PC/104 CPU模块作为构建Linux的目标硬件平台，采用商用版Redhat-Linux9.0建立交叉编译环境；利用U-BOOT进行Boot Loader移植，用make menuconfig配置内核；将音频、触摸屏接口、LVDS接口作为模块编译，以减小内核的体积；并根据文件系统的特性，使用Busybox系统套件进行文件系统移植。测试结果表明，本文构建的基于Xscale处理器的PC/104Linux系统能够正常启动并与外网稳定通讯，为PC/104在工业控制领域的广泛应用提供了新的途径，提出的移植方法具有普遍的借鉴价值。

今后，需要在此基础上，研究并实现易于使用、界面友好的图形用户接口，提高系统的人机交互性和操作便捷性。

本文作者创新观点：首次提出以Xscale处理器架构的PC/104板作为Linux系统的移植目标平台并进行系统构建。

参考文献

[1] 包乃兰，宁立革，林涛，郭计策.一种嵌入式系统控制方案的研究[J].微计算机信息，2005，9-2:62-64

[2] 王田苗. 嵌入式系统设计与实例开发[M].北京：清华大学出版社，2003.

[3] 邹淼，包启亮.PC/104下嵌入式Linux操作系统优化方案[J].光电工程，2004，12（31）:152-155

[4] 蔡勇，战兴群，张炎华等. 基于嵌入式Linux的“北斗一号”卫星导航系统软件设计[J].中国惯性技术学报，2005（13）:54-58

[5] Karim Yaghbmour. 构建嵌入式LINUX系统[M]. 北京：中国电力出版社，2006.