基于PXA255的ARM Linux操作系统移植

 

1.引言
ARM处理器是当今应用最为广泛的处理器芯片，它功耗小、成本低、性能优越，在消费电子类产品中占据主导地位。Linux操作系统近年来Linux移植/ARM在嵌入式领域中发展很快，由于其强大的性能和开源免费的特点，越来越受到嵌入式系统开发商的青睐，信息家电、网络设备、手持终端等都是嵌入式Linux应用的广大市场。

在Linux移植/ARM嵌入式开发中，把操作系统移植到开发板是进行嵌入式应用开发的前提和基础。ARM Linux是针对ARM体系结构的嵌入式Linux操作系统。本文主要阐述了将ARM Linux系统移植到基于PXA255处理器的Linux移植/ARM开发板CSB226上的方法和关键技术。

2.软硬件平台环境
2.1.硬件平台
（1）PXA255处理器

Intel PXA255是基于XScale微架构的一款嵌入式应用处理器，它在XScale结构的基础上集成了众多的外设接口，如：PCMCIA控制器、LCD控制器、多媒体Linux移植/ARM通信口等，是专为高性能、低功耗的便携式手持设备而开发的。CSB226是基于PXA255处理器而设计的一款Linux移植/ARM开发板，本文的移植工作就是在此开发板上进行的。CSB226还配置有许多外设，包括：64MB SDRAM内存、32MB Flash、CS8900A以太网控制器、CF接口等。CSB226开发板系统结构框图

如图1所示。
图1 CSB226开发板系统结构框图

（2）硬件环境搭建

嵌入式Linux移植/ARM开发通常采用宿主机—目标机的主从开发模式[3]。宿主机指开发主机，由一台通用PC机或工作站构成；目标机即指嵌入式设备，在本文中是CSB226开发板。硬件的连线图如图2所示，开发板和宿主机之间通过串口、以太网或JTAG口等进行通信，采用“交叉”开发Linux移植/ARM方式。本文采用硬件仿真工具BDI2000进行软件的调试，仿真器一端通过JTAG口与目标机相连，另一端用网线与宿主机相连。

图2 主机和目标机的连线图

2.2.软件环境
本文Linux移植/ARM开发主机采用RedHat9.0操作系统。首先需要对开发主机和目标机做一些设置，然后搭建交叉编译和调试环境，具体步骤如下：

在开发主机上需要做以下设置：（1）启动NFS服务，为目标机使用NFS文件系统做准备；（2）安装TFTP服务器，为目标机从主机上下载文件提供服务；（3）启动Telnet服务；（4）安装Minicom工具，它是Linux环境下的超级终端工具，用它与目标机进行串口通信。另外，目标机上需要设置IP地址，与开发主机设置Linux移植/ARM在同一网段。

对于交叉编译环境，使用最广泛的ARM Linux交叉工具链为arm-linux-toolchain，由bin、include、lib三部分组成。调试环境的搭建使用GNU/GDB调试工具，安装后生成ARM平台的交叉调试工具arm-linux-gdb。

3. 基于PXA255的ARM Linux移植关键技术
3.1.内核定制
Linux内核和文件系统是嵌入式Linux的两个核心部分。首先进行内核的编译，在开发主机上配置编译ARM Linux内核，生成一个针对CSB226平台的Linux内核映像zImage。

本文使用2.4.19版本的标准内核，编译内核的步骤如下：（1）准备Linux内核源代码linux-2.4.19.tar和平台相关的系列补丁：patch-2.4.19-rmk7.gz、diff-2.4.19-rmk7-pxa2.gz、linux-2.4.19-rmk7-pxa2-ptx14.diff。（2）解压源码包并按顺序打上几个补丁，再对内核源码的配置文件作适当的修改，然后用make dep，make zImage命令进行编译，如果编译成功会在Linux源码arch/arm/boot目录下生成内核映像文件zImage。

在内核Linux移植/ARM成功编译之前，关键是对内核源码做适当的修改，以适应特定的开发平台。本文中对源码的修改有如下几点：（1）将Makefile文件中的编译器Linux移植/ARM改为交叉编译器arm-linux-gcc，体系结构改为ARM。（2）本文中使用NFS方式挂载文件系统，因此，需要在CSB226的默认配制文件linux/arch/arm/def-configs/csb226中设置配置命令行的属性：CONFIG_CMDLINE ="root=/dev/nfs rw nfsroot=10.0.0.1:/home/busybox ip=10.0.0.2 mem=64M console=tty0 console=ttyS0,38400"，其中“root=/dev/nfs”指定设备文件，“10.0.0.1:/home/busybox”是文件系统所在开发主机的IP地址和目录位置，10.0.0.2是目标机的IP地址。主机端和目标机的串口通信波特率要一致，本项目中是38400。（3）在源码linux/arch/arm/tools/目录下的mach-types文件中添加CSB226的宏定义和机器号，CSB226的机器号是216，这个整数是唯一的，在启动初始化的时候会把它赋给微处理器的R1寄存器。（4）用make menuconfig命令对默认配置做一些调整，比如添加外设、网络协议和文件格式等选项。

成功生成映像文件zImage后，就可以下载到目标机运行了，但只有这个内核还无法与系统交互，还需要一个文件系统。

3.2.文件系统
（1）嵌入式Linux移植/ARM文件系统制作

本文采用Busybox工具包组建嵌入式文件系统。直接配置编译Busybox就可以创建/bin、/sbin、/usr等目录，其中包含了大部分常用的命令，但Busybox并不提供与登录相关的命令如：login、getty、passwd等，这需要用Tinylogin软件包生成。/lib目录的动态库文件可以用Glibc生成。/dev目录下是系统所用的设备节点，只需要根据当前平台对外设的支持情况逐个地添加即可。/etc目录是系统配置文件和子目录，比如启动配置、网络配置等，需要针对特定应用启动相应的服务和进程。

（2）文件系统的挂载

创建Linux移植/ARM好文件系统的目录结构后，还需要将目录制作成某种格式的文件系统，挂载到Linux内核下使用。常用的挂载方式有Ramdisk、JFFS2、NFS，其中NFS（Network File System）是网络文件系统，它的优点是可以从主机上直接修改文件系统，方便开发。本文使用NFS的挂载方式，将根文件系统是放在开发主机上，开发主机提供网络共享服务，目标机在启动时通过NFS方式挂载根文件系统。

3.3.设备驱动移植
将Linux内核移植到CSB226开发板上后，还需要Linux移植/ARM移植常用外设的驱动程序，如：LCD液晶屏、鼠标、键盘、CF卡等。下面重点阐述LCD液晶屏和CF卡的移植过程。

（1）LCD液晶屏的驱动移植

Linux中的Framebuffer帧缓冲驱动分为三层[4]，中间层及上层是设备无关的软件层，底层是与硬件相关的帧缓冲驱动，因此，LCD驱动移植主要是驱动帧缓冲硬件设备，在本文中对应于CSB226平台上的LCD控制器和其外接的TFT LCD显示器。

基于PXA255微处理器的不同平台的差异主要在于外接的LCD显示屏硬件的差异，因此对于不同平台的帧缓冲驱动程序的差别主要是在LCD控制寄存器中显示屏规格参数的设置上有不同。LCD寄存器中的初始规格参数是在头文件drivers/video/pxafb.h的宏定义中设置的，因此对于不同的硬件平台只要更改硬件的规格参数即可。这些参数是在初始化函数pxafb_init()中进行配置的。

（2）CF卡的驱动移植

CF（Compact Flash）接口是一种标准的扩展接口，主要用于扩展存储空间，如本文使用的128M CF存储卡，也可以外接其他设备，如CF接口的modem、无线网卡等。

在Linux系统下，由于CF卡与PCMCIA设备控制器兼容，通常把CF卡当作PC Card设备进行驱动和管理。PCMCIA的插槽驱动和PC卡驱动与硬件直接相关，是驱动移植中需要重新实现的部分。CF存储卡的驱动可以直接使用标准的ATA/IDE设备驱动ide-cs模块，因此在CSB226平台上驱动CF存储卡，只需要编写PCMCIA控制器的驱动。

PXA225片上的PCMCIA控制器驱动的初始化函数为pxa_pcmcia_driver_init()，它调用底层PCMCIA接口函数初始化具体平台上的插槽接口设备。这些底层函数是板级驱动与插槽驱动之间的标准接口，定义在结构体struct pcmcia_low_level中。CF卡驱动移植的主要工作就是实现pcmcia_low_level结构体中底层平台相关的5个接口函数。pcmcia_low_level数据结构如下：

struct pcmcia_low_level {

int (*init)(struct pcmcia_init *);

int (*shutdown)(void);

int (*socket_state)(struct pcmcia_state_array *);

int (*get_irq_info)(struct pcmcia_irq_info *);

int (*configure_socket)(unsigned int, socket_state_t *);

};

init函数，主要完成三个工作：执行平台相关的初始化任务；设置所需要中断信号的方向和边缘触发方式；注册设备发现中断与对应的中断处理函数。

shutdown函数，在卸载驱动时使用，用来释放所申请的资源。

socket_state函数，设置插槽的初始化状态信息，完成对输入参数所包含的数据结构struct pcmcia_state赋值，需要根据实际插槽的状态信息正确设置此数据结构。

get_irq_info函数，用来获得每个插槽接口设备上的Ready中断信号。

configure_socket函数，由上层驱动调用，用来动态改变插槽的状态，比如工作电压VCC、可编程电压VPP等。

将PCMCIA驱动程序成功编译进内核后，还需要使用卡管理工具cardmgr监测CF卡设备，当CF存储卡插入到CSB226开发板的插槽时，cardmgr会发现该设备并完成设备的加载。

4.应用实例
在CSB226开发板上成功移植了ARM Linux后，可以进行多种应用开发，如：电子地图查询系统，娱乐游戏机等。本文在CSB226开发板上插入一块基于Prism2芯片组的CF接口的无线网卡，由于已经成功驱动了CF接口，所以只需要将无线接入点程序Host AP编译到ARM Linux内核中，再使用网桥工具将CSB226开发板自身的10MBit以太网和无线网络桥接起来，这个开发板就可以作为一台无线接入点工作了。

5.结论
Linux操作系统在嵌入式设备中应用越来越广泛。本文针对基于PXA255处理器的开发板进行了系统移植，阐述了移植中的关键技术，如：内核的修改、文件系统建立、设备驱动的移植，最后在开发板上实现了无线接入点。本文的移植过程对于其他类型微处理器上Linux的移植也具有参考价值。