ARM Linux开发阶段性总结

这一个月来，我一直投身于Linux内核移植的伟大而光荣的事业，相当的痛苦了……

不过收获也是很大的，昨天晚上，哦应该是今天凌晨12：00，终于我的板子上出现了Busybox启动的好消息。Linux内核的移植终于取得了阶段性的成果，虽然后面的路还很长。

 

从我开始搞Linux，我就一直在网上或者图书馆中寻找“HOWTO”性质的文章，遗憾的是还真少。我也希望我的Blog成为我做的这块板子的“HOWTO”大全，呵呵。但是今天我不写“HOWTO”，对我的工作来个概括性的总结。

 

如果你是猎人的QQ群里过来看这个Blog，而且想获得与SBC2410X自带的VIVI和MIZI Linux的相关信息的，我很抱歉。我认为猎人板子里提供的资料实在是比较垃圾（实际上是友善之臂公司的资料），应该说是一些仅仅针对SBC2410X一种方式应用的“HOWTO”，而且没有提供其他方式应用的任何说明（呵呵，当然我没有责怪猎人的意思，这块板子硬件还是相当不错的，价钱也非常公道）。嵌入式系统的一个很大的特点就是其针对不同应用的可裁减性。举个例子，我希望把ARM用在机器人上，不需要网卡、声卡、USB，只需一个串口，用友善之臂给的资料能做什么？甚至连mkyaffsimage这个制作yaffs文件系统映像工具的源码都没有。其实其他厂家的也一样，可能这些所谓的开发板仅仅是一种技术垄断，尤其是那些动辄好几千块钱的。猎人提供的廉价开发板，我希望能通过我提供的这些开发资料，像开源工程一样，让更多的人受益。

 

作为一个初学者，最关心的是怎么下手。我先简要说明一下：

• 首先必须明确你需要的是什么样的系统

ARM Linux应该归类为一种非抢占式的分时多任务操作系统（相关术语可以Google一下），它不适合用来做伺服控制、图像处理等对系统实时性要求较高的控制。uCOS-II，VxWork可以胜任那样的工作。Linux的优点在于开源（Open Source）、网络支持和跨平台支持。其中我最看重的是跨平台支持。因为我的实验室经常使用DSP、单片机控制机器人，而这些程序不具有平台移植性，所以每届硕士做机器人的控制都是从学习DSP或单片机做起，相当浪费时间。我的工作的目的就是利用ARM、Linux、uCOS-II，设计ARM-DSP双核系统，搭建一个控制平台。

•  然后必须建立开发环境。包括硬件环境和软件环境。

硬件环境就是必须购买一个ARM开发板，推荐买猎人的，这个与三星的SMDK2410这块“大众型”开发板完全兼容。搞嵌入式开发和普通的DSP、单片机开发不同，需要最多的是代码的移植，一个与“大众”系统兼容的开发板，可以节约移植别人编写的针对“大众”系统代码的时间。软件环境指的是需要有一台可以运行Linux的PC，以及PC的软件。这些软件包括gcc编译器、gcc交叉编译器（在PC平台编译非PC平台程序的编译器）、Linux NFS支持（用于网络下载内核到开发板）、Linux SMB支持（Linux访问Windows网络共享）、代码察看软件（例如Source Navigator）、Bootloader和内核源代码。其中前四项在安装Linux时候就必须选定，后几项从网络上获得。推荐在Windows下使用虚拟机建立开发系统，可以带来非常大的方便。具体的软硬件系统建立步骤“HOWTO”请看5月15日我写的文章。Linux内核和相应的编译器的下载地址我后面的文章会写出来。另外，有一定硬件电路开发经验的人会有需不需要仿真器的疑问，答案是：根本不需要也不可能用仿真器来调试，一个烧写电缆足以，除非你搞ARM7TDMI-S这种经过裁剪的ARM CPU的程序。主要的调试信息显示渠道是串口，主要的代码下载渠道是串口或者以太网——这由你的Bootloader决定，一个好的Bootloader可以大大减少内核调试的时间。我调试内核使用的是U-Boot的网络下载功能，800kB的内核只需要5~6秒就可以下载结束，我的开发板原配的VIVI的串口需要3分钟多，效率的差距显而易见，更不用说内核之后动辄几个或者几十个MB的文件系统了。 

• 接下来就可以进行开发了，首先是Bootloader

Bootloader是系统上电以后执行的第一段程序，它主要的功能和作用有：初始化硬件，复制Linux内核和Ramdisk文件（如果使用的话）到内存中，把预先设定的内核参数传递给内核并启动，提供硬件诊断、Flash烧写、网络连接等功能。推荐使用U-Boot，U-Boot的下载地址。U-Boot的“HOWTO”可以看我5月23、30日写的文章。

 

 还必须说明的是，通常从开源工程网站下来的都是软件的源码，需要自己进行编译。编译由源码目录下的“Makefile”这个文件决定，其中包含有关于编译的配置和操作类型的信息。一般用于多平台的源码，Makefile中都有CROSS_COMPILE这一项，在编译之前必须将它指定到交叉编译器。对于arm-linux-gcc这个交叉编译器，如果设置了指向arm-linux-gcc的缺省路径，可以填写CROSS_COMPILE=arm-linux-，注意，后面的“-”不可以少。通常由于开源代码的编译器兼容性太差，你需要在你的电脑里安装多个版本的交叉编译器，例如我的U-Boot用2.95.3编译器编译，而Linux内核用的是3.4.1，我设置2.95.3为默认编译器。对于使用非默认路径编译器的代码，可以填写CROSS_COMPILE到绝对路径，例如CROSS_COMPILE=/usr/local/arm/3.4.1/bin/arm-linux-。另外，Linux内核的Makefile还有一个ARCH选项要修改，以后说。

 

 编译开源代码的一般步骤为：清除之前编译结果（clean）、设定编译配置（config）、编译（make）

 

1.清除之前编译结果

一般可以用：

# make clean

或者

# make distclean

这2种写法的区别在于，distclean不仅仅清除编译生成的*.o文件，而且还清除已经设定的编译配置。

2.设定编译配置

主要作用是将繁杂的代码进行组织，屏蔽所需编译目标不需用到的源代码文件，并将这个组织的结果保存下来。设定编译配置命令例如：

Linux内核编译的：

# make menuconfig

# make config

# make smdk2410_defconfig

U-Boot编译的：

# make smdk2410_config

menuconfig是最常用的一种方式，它将调用本机编译器（HOSTCC）产生一个交互的文本菜单式界面，对内核的编译选项、驱动支持、文件系统、调试、外设等进行设置。config是一个提问式的配置方式，很麻烦，不推荐使用。smdk2410_defconfig是针对三星的SMDK2410开发板的基本硬件进行配置，这可以节约一些配置内核的时间。类似这种xxxx_config的配置，体现了购买“大众”型开发板的优势，可以用最短的时间，建立起一套有效的嵌入式系统。

3.最后是编译

一般可以直接输入make。但是对于Linux2.4内核，之前还必须输入

# make dep

用以产生源代码之间的关联信息，2.6版本的内核不再需要这个步骤。

对于Linux内核，编译可以生成不同格式的映像文件，例如：

# make zImage

# make uImage

zImage是ARM Linux常用的一种压缩映像文件，uImage是U-boot专用的映像文件，它是在zImage之前加上一个长度为0x40的“头”，说明这个映像文件的类型、加载位置、生成时间、大小等信息。换句话说，如果直接从uImage的0x40位置开始执行，zImage和uImage没有任何区别。另外，Linux2.4内核不支持uImage，Linux2.6内核加入了很多对嵌入式系统的支持，但是uImage的生成也需要设置，这个以后我会介绍。

另外，我假设内核不采用任何模块。没有编译模块这一步。

•  然后是内核

内核的移植和调试是整个嵌入式系统开发中最麻烦的一步，建议如果没有良好的硬件和C语言基础，以及健壮的神经和充裕的时间，不要涉足内核的开发，尽可能采用网络上例如我的Blog中提供的现成方法，包括所有细节都要一一仿制，完成内核的移植。其实，这是考验你运气的一个环节，可能有的人一次就移植成功，可能有的人因为一些小小环节的问题，例如编译器版本问题、内核版本问题、代码修改输入错误之类的，遇到一些稀奇古怪的错误，卡住你的工作而无法继续。同时，这对你的耐心和毅力也是一个考验。呵呵，我被考验了一个月，也算是比较倒霉吧。内核修改和编译需要做的工作很多，由于Linux设备的驱动是集成在内核里的（当然还可以作为模块挂载，但是我不讨论模块问题），需要对内核代码进行修改。以后我会专门介绍。内核实现的功能是对硬件资源如内存、串口、液晶控制器的管理，以及对操作系统执行的任务程序的调度。

• 最后是文件系统

内核不能包括一个嵌入式系统所需的所有东西，例如程序，资料等，而且如果没有文件系统，对嵌入式系统工作过程产生信息的纪录也会成问题，所以一般的嵌入式Linux系统需要文件系统。当然没有文件系统内核也不是不能工作，这我就不太懂了，毕竟是个高深的问题……以我的跟踪内核运行认识来看，只要把你所需要执行的任务编译进内核，然后对初始化部分进行修改，让其在没有root文件系统的时侯继续下去，对你的任务进行调度也许就可以。

 

嵌入式Linux和PCLinux不同，一般嵌入式系统没有硬盘，所以传统的Linux文件系统如ext2，hpfs之类的不能用在嵌入式Linux上。常见的嵌入式文件系统有：romfs，cramfs，jffs，yaffs等，当然也可以通过Ramdisk使用ext2。这些文件系统的特性可以自己Google一下。

 

我最初接触到文件系统的时候，曾经有个很纯朴的想法，既然电脑硬盘上有文件系统，需要分区后格式化，那么嵌入式系统的Flash是不是也必须进行这样的操作呢，而且，分区表纪录在那里呢？在嵌入式Linux中，对Flash并不需要进行分区，目前我的解决方法是把“分区表”信息写入内核，然后直接在内核中分区表信息对应的Flash区域读写，这在内核中叫做MTD支持（Memomry Techonlogy Device），Flash同样需要擦除后写入相应内容——这可以通过Bootloader来完成，不像PC中用的是安装程序。

 

关于文件系统的建立，我还没有完全研究完，我仅仅是利用了从我的开发板原始文件系统中剥离的一个文件系统，还有很多错误，以后我会补充上文件系统建立的详细文章。

在这些总结背后，我做了许多工作，包括跟踪U-Boot启动Linux部分的代码，内核启动代码，内核初始化代码等。我利用了内核的一些汇编的接口，用以在内核启动过程中输出调试信息。如下：

这是保存寄存器的宏：

#define LXZ_LL_DEBUG 1

 .macro lxz_save_regs
 stmfd sp!, {r0-r12}
 .endm
 
 .macro lxz_restore_regs
 ldmfd sp!, {r0-r12}
 .endm

 

这是一个调用的例子：

 
#ifdef LXZ_LL_DEBUG
 lxz_save_regs
 adr r0, lxz_str_into_creat_pt
 bl printascii
 adr r0, lxz_str_page_tbl_addr
 bl printascii
 mov r0, r4
 bl printhex8
 mov r0, #'\n'
 bl printch
 lxz_restore_regs
 b 1f
lxz_str_into_creat_pt:
 .asciz "\nInto create page table section!\n"
 .align
lxz_str_page_tbl_addr:
 .asciz "Page table address = "
 .align 
1:
#endif

 

需要提醒的是，printascii，printhex，printch这几个函数只是使用了r0~r3这几个寄存器。

 

跟踪内核的运行是一件非常痛苦的事情，但真能解决问题，而且学到很多东西。