维普资讯 http://www.cqvip.com 第１１卷第２期 哈尔滨理工大学学 报 Ｖｏ１．１ｌ Ｎｏ．２ ２００６年４月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＨＡＲＢＩＮ ＵＮＩＶ．ＳＣＩ． ＆ｒＩ１ＥＣｔｔ． Ａｐｒ．，２００６ ！＝＝＝＝ ＝ ＝ ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ ＝＝＝：＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝：＝＝＝＝＝＝＝＝；：＝＝＝＝＝＝＝：： 基于Ｓ３ Ｃ４４ＢＯＸ的ｕＣｌｉｎｕｘ操作系统内核移植 李 岩 ， 王卫兵 ， 孙永春 （１．哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院，黑龙江哈尔滨１５００８０； ２．黑龙江省天伦置业股份有限公司，黑龙江哈尔滨１５００９０） 摘要：与ｕＣｌｉｎｕｘ内核体系结构相关部分，主要完成硬件寄存器设置，内存映射等初始工作， 它是代码移植的主要部分．介绍了实验进行的硬件环境，从交叉环境的建立，源代码的修改，内核的 编译，内核的下栽与执行等方面，系统描述了将ｕＣｌｉｎｕｘ操作系统移植到￥３Ｃ４４Ｂ０的过程． 关键词：ＡＲＭ；￥３Ｃ４４Ｂ０Ｘ；ｕＣｌｉｎｕｘ；Ｂｏｏｆｌｏａｄｅｒ；移植 中图分类号：ＴＰ３１Ｉ．５４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—２６８３（２００６）０２—００７３—０３ Ｔｒａｎｓｐｌａｎｔ ｏｆ ｕＣｌｉｎｕｘ ｉｎ Ｓ３ Ｃ４４ Ｂ０Ｘ Ｂｏａｒｄ ＬＩ Ｙａｈ ，ＷＡＮＧ Ｗｅｉ．ｂｉｎｇ ，ＳＵＮ Ｙｏｎｇ．ｃｈｕｎ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｈａｒｂｉｎ Ｕｎｉｖ．Ｓｅｉ．Ｔｅｃｈ．，Ｈａｒｂｉｎ １５００８０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｔｉａｎｌｕｎ Ｒｅａｌ Ｅｓｔａｔｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．。Ｌｔｄ．Ｈａｒｂｉｎ １５００８０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｕＣｌｉｎｕｘ ｋｅｒｎｅｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｆｉｎｉｓｈ ｈａｒｄｗａｒｅ ｒｅｇｉｓｔｅｒ ｓｅｔｔｉｎｇ，ｔｈｅ ｈａｒｄ— ｗａｒｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ ｕＣｌｉｎｕｘ ｔｏ ￥３ Ｃ４４Ｂ０ ｂｏａｒｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｏｆ ｃｒｏｓｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｅｎｖｉｏｒｎｍｅｎｔ、ｍｏｄｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｕｒｃｅ ｃｏｄｅ，ｃｏｍｐｉｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｋｅｒｎｅｌ，ｄｏｗｎｌｏａｄｉｎｇ ａｎｄ ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｋｅｒｎｅｌ，ｅｔｃ ｉｓ ｓｙｓｔｅｍｉｃａｌｌｙ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＡＲＭ；￥３ Ｃ４４ＢＯＸ；ｕＣｌｉｎｕｘ；ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ；ｔｒａｎｓｐｌａｎｔ 针对目标平台的交叉编译，生成一个内核映像文件， １ 引 言 最后把该映像文件烧写到目标平台中．本目标平 台－２ 采用￥３Ｃ４４Ｂ０作为处理器；采用２ＭＢ ＡＲＭ系列是一种３２位的嵌入式ＲＩＳＣ处理器． （０ｘ００００００—０ｘｌｆ脏）线性ＦＬＡＳｔｔ作为引导代码、 它具有低电压、低功耗和低集成度等特点，并具有开 ｕＣｌｉｎｕｘ镜像文件和ＲＯＭＦＳ文件系统的存储器；采 放性和可扩性，已经成为嵌入式系统首选的处理器 用８ＭＢ（０ｘｃ００００００—０ｘｃ７ｆｆｆ）ＳＤＲＡＭ作为引导代 架构…．￥３Ｃ４４Ｂ０是三星公司推出的一款为手持设 码、Ｌｉｎｕｘ映像文件和应用程序的可读写存储器． 备或其他通用设备而开发的１６／３２位处理器，它基 于ＡＲＭ７ＴＤＭＩ核，没有内存管理单元（ＭＭＵ）． ２ 内核的编译 ｕＣｌｉｎｕｘ是专门应用于无ＭＭＵ微处理器的Ｌｉｎｕｘ衍 生操作系统．具有支持多任务、内核精简、高效、稳定 ２．１交叉环境的建立 等优点．移植基本内容是：获取某一版本的Ｌｉｎｕｘ内 交叉编译是利用运行在某机器上的编译器编译 核源码，根据目标平台对源码中与体系结构相关部 某个源程序生成在另一台机器上运行的目标代码的 分进行修改，然后添加一些外设驱动，对该系统进行 过程 ．开发工具主要有ＩＤＥ集成开发环境和 收稿日期：２００５—１２—２８ 基金项目：黑龙江省自然科学基金项目（Ｆ２００５０５） 作者简介：李岩（１９６６一）。男。哈尔滨理工大学副教授 维普资讯 http://www.cqvip.com ７４ 哈尔滨理工大学学报 第１１卷 Ｍａｋｅｆｉｌｅ方式，前者如Ｗｉｎｄｏｗｓ中的Ｌｉｎｕｘ Ｖｉｅｗ和 在ｕＣｌｉｎｕｘ源文件目录下，执行ｍａｋｅ ｍｅｎｕｃｏｎｆｉｇ ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒ等，有良好的用户界面，并且易于管理 和控制项目的开发．后者如Ｌｉｎｕｘ Ｋｅｒｎｅｌ的开发，支 命令，程序会依次出现开发平台、内核、文件系统、应 用程序的配置界面，可以根据自己的需要进行配置． 配置时大部分选项可以使用其缺省值，只有小部分需 要根据用户不同的需要选择．例如，若需要内核支持 ＤＯＳ分区的文件系统，则要在文件系统部分选择ＦＡＴ 或ＤＯＳ系统支持；系统如果配有网卡、ＰＣＭＣＩＡ卡等， 持脚本的功能非常强大．通常应用程序的开发使用 集成开发环境，内核的编译使用Ｍａｋｅｆｉｌｅ方式． 建立编译内核的交叉编译环境主要用到的开发 工具包括３部分：ｂｉｎｕｔｉｌｓ、ｇｃｃ、ｇｌｉｂｅ．其中，ｂｉｎｕｔｉｌｓ是 二进制文件的处理工具；ｇｃｃ是编译工具；ｇｌｉｂｅ是链 需要在网络配置中选择相应卡的类型． 接和运行库．若网上下载的是源代码包，需要经过 进行内核配置时．有３种选择，它们分别代表的 ＧＣＣ的编译才能应用；若是应用程序包，安装后即 含义为：①“Ｙ＇＇一将该功能编译进内核；②“Ｎ”一 可使用．为了快速建立交叉环境，可以从网上直接下 不将该功能编译进内核；③“Ｍ”一将该功能编泽成 载ａｌＴｌｌ—ｅｌｆ—ｂｉｎｕｔｉｌｓ一２．１１—３．ｉ３８６．ｒｐｍ、ａｍ＇ｌ—ｅｌｆ 可以在需要时动态插入到内核中的模块． —ｇｃｃ－２．９５．３—２．ｉ３８６．ｒｐｍ、ａｒｍ—ｅｌｆ—ｇｄｂ一５．０— 将与核心其他部分关系较远且不经常使用的部 １．ｉ３８６．ｒｐｍ、ｇｅｎｒｏｍｆｓ一０．５．１一１．ｉ３８６．ｒｐｍ、ａｌ＇ｍ— 分功能代码编译成为可加载模块，有利于减小内核 ｅｌｆ—ｔｏｏｌｓ一２００３０３１４．ｓｈ文件． 的长度，减小内核消耗的内存，简少该功能相应环境 在Ｌｉｎｕｘ下运行ｒｐｍ—ｉｖｈ水．ｒｐｍ命令，安装 改变时对内核的影响． ｇｅｅ、ｂｉｎｕｔｉｌｓ等交叉编泽工具，在Ｌｉｎｕｘ下运行．／ａｒｍ ２．４ ｕＣｆｉｎｕｘ内核编译 —ｅｆｌ—ｔｏｌｓ一２００３０３１４．ｓｈ命令，在开发主机上便会 在完成内核的裁减之后，内核的编译就是一个 自动建立一个ｕＣｌｉｎｕｘ—ＡＲＭ的交叉编译环境． 非常简单的过程．你只要执行以下几条命令就行： ２．２ ｕＣｌｉｎｕｘ内核源码的修改 １）ｍａｋｅ ｃｌｅａｎ是在正式编译你的内核之前先把 对ｕＣｌｉｎｕｘ内核的移植修改主要包括启动代码 环境给清理干净．也可以用ｍａｋｅ ｒｅａｌｃｌｅａｎ或ｍａｋｅ 的修改，内核的链接及装入，参数传递，内核引导４ ｍｒｐｒｏｐｅｒ来彻底清除相关依赖（与Ｍａｋｅｉｆｌｅ文件支 部分．ｕＣｌｉｎｕｘ内核分为体系结构相关部分和体系结 持有关），保证没有不正确的．Ｏ文件存在． 构无关部分．在Ｌｉｎｕｘ启动的第一阶段，内核与体系 ２）ｍａｋｅ ｄｅｐ是编译相关依赖文件．２．６．Ｘ以上 结构相关部分（ａｒｃｈ目录下）首先执行，完成硬件寄 版本已经被整合到ｍａｋｅ中，所以不再单独执行． 存器设置，内存映射等初始化工作．然后，控制权转 ３）ｍａｋｅ是最终的编译命令．２．６．Ｘ版本上可以 给与系统结构无关部分．在移植工作中要改动的代 直接用ｍａｋｅ或ｍａｋｅ ｂｚＩｍａｇｅ． 码主要集中在与体系结构相关部分．对于流行的 最后，在ｉｍａｇｅ目录中产生了ｉｍａｇｅ．ｔｏｍ和ｉｍ— ＡＲＭ平台，与体系结构相关的部分汇编源码的修改 ａｇｅ．ｒａｍ，它们分别为内核的映像和内核的调试文件． 工作是由英国ＡＲＭ公司的工程师完成的．例如可 以从ｆｌｐ：／／ｈｐ．ａｒｍ．１ｉｎｕｘ．ｏｒｇ．ｕｋ网站上下载 ３ ｕＣｌｉｎｕｘ内核的下载与执行 Ｌｉｎｕｘ２．４．０内核及其关于ＡＲＭ平台的补丁，利用 ｚｃａｔ．．／ｐａｔｃｈ一２．４．０一ｒｍｋ１．ｇｚ Ｉ ｐａｔｃｈ－－ｐｌ（．．／表 ｕＣｌｉｎｕｘ的内核可以通过ＦＬＡＳＨ烧写工具写入 示补丁文件放在内核文件上一层目录）命令，修补 ＦＬＡＳＨ中．嵌入式系统引导过程通常可以分为 Ｌｉｎｕｘ２．４．０内核，再进行交叉编译即可． ｂｏｏｔ、系统初始化和ｕＣｌｉｎｕｘ内核引导３个阶段．通 ２．３ ｕＣｌｉｎｕｘ内核裁剪 常情况下，ｂｏｏｔ阶段和系统初始化阶段的工作由一 Ｌｉｎｕｘ的运行开销，主要包括静态映像体积、动态 段被称为ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ的代码完成Ｈ ，而内核引导则 运行的内存和ＣＰＵ等开销．通常在嵌入式系统中都 是由事先编译好了的ｕＣｌｉｎｕｘ可执行镜像来实现． 显得比较大．由于嵌入式系统的资源比桌面系统少， ３．１ ｂｏｏｔ阶段 必须先对Ｌｉｎｕｘ进行裁剪，控制开销，才能使之运行 ｂｏｏｔ阶段的主要工作是设置系统中断向量、完 于嵌入式系统硬件平台上．静态映像主要由Ｌｉｎｕｘ系 成对ＣＰＵ内部寄存器的初始化、系统ＲＡＭ初始化、 统内核、应用程序、应用库等的二进制映像组成；动态 为运行Ｃ程序组织堆栈、拷贝初始化阶段代码到 运行的开销和ＣＰＵ开销主要与Ｌｉｎｕｘ实现有关，需要 ＲＡＭ、跳转到Ｃ程序人口．该阶段代码直接在Ｆｌａｓｈ 针对嵌入式应用系统的特点进行优化 Ｊ． 中运行，为提高执行效率采用汇编语言编写． 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 李岩等：基于Ｓ３Ｃ４４ＢＯＸ的ｕＣｌｉｎｕｘ操作系统内核移植 ３．２系统初始化阶段 ７５ １）设置中断向量．设置￥３Ｃ４４Ｂ０芯片的８种系 统中断的中断向量地址（包括复位中断、未定义指 系统初始化阶段的主要工作是建立与主机间的 令中断、软件中断、指令预取异常中断、数据异常中 断、地址异常中断、ＩＲＱ中断和Ｆ ＩＱ中断），该地址 通信、初始化定时器、检灏４内存映射、加载ｕＣｌｉｎｕｘ 内核镜像和配置内核启动参数等．加载ｕＣｌｉｎｕｘ内 空间从系统ＲＡＭ的起始地址开始安排．通常情况 下，在Ｆｌａｓｈ的起始部分，存放的就是针对各中断向 量地址的无条件跳转指令． 核工作实际上是完成将Ｆｌａｓｈ中ｕＣｌｉｎｕｘ内核代码 拷贝到ＲＡＭ指定地址单元的工作，在拷贝前必须 在第二阶段ＲＡＭ启动代码和该部分代码之间预留 一ｅｎｔｒｙ： 定的空间，用来存放ｕＣｌｉｎｕｘ的全局结构变量， Ｂ ＲｅｓｅｔＨａｎｄｌｅｒ／￥复位中断向量地址￥／ ＬＤＲ ＰＣ，＝ＯｘＯｃＯ００００ｃ／ 未定义指令中断向 量地址 ／ 如：启动参数、内核页表、ＡＲＭ的页目录等信息．地 址空间的分配情况如图１所示． 初始化代码 中断向量表 启动配置参数 未分配空间 ＬＤＲ ＰＣ，＝０ｘ０ｃ００００２４／半ＦＩＱ中断向量地址 ／ ２）ＣＰＵ内部寄存器初始化．通过配置．ＣＰＵ运 行于ＳＶＣ模式（采用改变ＣＰＳＣ寄存器中ＣＰＵ运行 模式位的方式来实现），并设置相关寄存器，以实现 对基本硬件的初始化工作，包括关闭中断、初始化 ＣＰＵ通用端口和设置ＣＰＵ频率等． ３）系统ＲＡＭ初始化．首先，根据系统配置的存 ．ｕＣｌｉｎｕｘ内核 — ．．．．．．．．，．．．．．．．．．．初始化镜像代码 堆栈区 ＿－一 ＦＬ ＳＨ 图１地址空间的分配示意图 ３．３ ｕＣｌｉｎｕｘ内核引导 储器特性，初始化相关存储块控制寄存器的值，在 ￥３Ｃ４４Ｂ０中存储空间被分为ＢＡＮＫ０到ＢＡＮＫ７共８ 个块，分别由ＢＡＮＫＣＯＮ０到ＢＡＮＫＣＯＮ７控制各块 存储器的读写时钟数和片选时钟数等信号参数，对 于采取不同存储芯片的嵌入式系统，可以通过查阅 芯片手册来获取该信息，并写入相关寄存器．然后， 对存储器空间中需要清零的区域进行清零操作，该 区域的范围往往是由开发人员通知编译器的，主要 是用来存放ｃ语言中全局变量等． ４）为运行Ｃ程序组织堆栈．由于在系统引导的 下一阶段，通常会使用Ｃ语言来完成如建立主机通 在初始化阶段完成ｕＣｌｉｎｕｘ启动参数设置后， 控制权交由ｕＣｌｉｎｕｘ内核接管，并调用解压内核函 数ｄｅｃｏｍｐｒｅｓｓ ｋｅｒｎｅｌ，对拷贝到ＳＤＲＡＭ的内核映像 文件进行解压缩，然后跳转到内核调用函数ｃａｌ１ ｋｅｒｎｅｌ，该函数实际上是执行ｓｔａｒｔ．ｋｅｒｎｅｌ（），其中包 括了处理器结构的初始化、中断的初始化、进程相关 的初始化以及内存初始化等重要工作．最后，将控制 权交给解压后的ｕＣｌｉｎｕｘ系统，进而完成整个 ｕＣｌｉｎｕｘ内核引导过程． ４ 结 语 由于Ｌｉｎｕｘ操作系统的源码开放性及ＡＲＭ微 处理器的低价位、低功耗、高集成度的特点，将二者 结合进行嵌入式开发已经是人们越来越多的选择． 而操作系统的移植是构建基于ＡＲＭ微处理器的嵌 入式产品的前提，掌握移植的方法和思路是必要的． 信、驱动外部端口的工作，故必须调整ｓＰ指针到堆 栈顶，为ｃ程序配置合适的堆栈环境．在具体实现 过程中为避免堆栈数据被程序运行代码破坏，往往 会把堆栈设置在ＲＡＭ的高端地址，并把堆栈的生 长方向设为向下生长，这样可以最大限度地利用 ＲＡＭ空间，同时可以避免上述问题发生． 参考文献： ［１］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． ［２］ＬＩ Ｙａｈ。ＬＩ Ｘｉａｏ．ｗｅｉ，ＣＵＩ Ｌｉｎ．ｈａｉ．Ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｐｒｏｃｅ８８ｏｒ Ｓ３ＣＡ４ＢＯＸ ｉｎ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉ０ｎ Ｓｙｓｔｅｍ［Ｃ］．ＩＳＴＭ，［出版地不详］， ２００５． ［３］李岩．基于￥３Ｃ４４ＢＯＸ嵌入式ｕＣｌｉｎｕｘ系统原理及应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５． ［４］王东，李哲英．Ｕ－Ｂｏｏｔ在￥３Ｃ４４Ｂ０上的移植方法［Ｊ］．北京交通大学学报。２００５，２９（２）：７６—８Ｏ． （编辑：董 晶）
