基於AT91SAM9G20構建嵌入式Linux系統

 本文中使用的目標平台AT91SAM9G20是Atmel公司使用ARM926EJ-S處理器核心開發的一塊SoC嵌入式微處理器，主頻達到400MHz，具有Atmel 先進的外設DMA 和分布式儲存空間架構，連同6層匯流排矩陣，可實現儲存空間、外設和外部介面之間的多重資料同時傳送，而無需耗費CPU的刻度。與引腳相容的200 MHz AT91SAM9260相比，AT91SAM9G20提供多達4倍的快取和片上 SRAM 記憶體，並具有增強外接 NAND 快閃記憶體錯誤校正功能，以及更大的乙太網路 FIFO，能夠減少傳輸延遲。其外部匯流排介面(EBI)的時鐘頻率為133
MHz，用於片外儲存空間的高速資料傳送。這些特性使得開發人員可以將WindowsCE和Linux等作業系統移植到基於這塊微處理器的目標系統中。

       作業系統也是嵌入式系統的重要組成部分。當今的嵌入式作業系統各種各樣，有VxWorks、QNX、Palm OS，Windows CE、Linux， uClinux，ucos ii等，每種作業系統都有其與眾不同之處，本文移植的嵌入式作業系統為Linux。廣泛開放原始碼的Linux應用已經被移植到嵌入式的運行環境中，可以任意剪裁和修改後將其移植入自己的硬體平台上，因此使用Linux開發嵌入式作業系統，可以加快嵌入式系統的開發速度，縮短產品進入市場的時間。

       本文的工作主要包括Boot loader實現，Linux核心移植、檔案系統的實現三個部分。

       搭建交叉開發環境

       在移植作業系統之前，首先要在一台裝有Linux的PC機上搭建好開發環境，例如我們的宿主機為Ubuntu10.04，為獲得所有操作許可權，以root身份登入宿主機Linux系統。在 usr/local/目錄下建立arm路徑，下載交叉編譯工具arm-linux-gcc-4.3.2.tgz，將之複製到檔案夾/usr/local/arm/下，並將其解壓；最後需要修改環境變數，設定預設交叉編譯工具為arm-linux-gcc-4.3.2。利用Linux下編輯工具(如vim)開啟/root/.bashrc檔案，在檔案末尾添加如下代碼:

       if

       [ -d /usr/local/arm ] ;

       then PATH=/usr/local/arm/4.3.2/bin:"${PATH}"

       fi

       到此交叉編譯工具搭建完畢，為驗證交叉編譯工具是否搭建成功，可以在終端下輸入命令 arm-linux-gcc -v，搭建成功後會在終端下顯示arm-linux-gcc的版本。注意此處必須登出使用者，重新登入系統後設定才會生效。

       引導程式

       系統上電之後，需要一段程式來進行初始化：關閉看門狗、改變系統時鐘、初始化儲存控制器、將更多的代碼複製到記憶體中等，這段程式被稱為Boot loader。簡言之Boot loader就是在系統上電後開始執行，初始化硬體裝置、準備好軟體環境、最後叫用作業系統核心。Boot loader的實現非常依賴與具體的硬體，在嵌入式系統中硬體設定千差萬別，即使是相同的CPU，外設資源也不盡相同，因此需要根據特定的硬體進行移植。

       Boot Loader包含兩種不同的操作模式：啟動載入模式和下載模式。上電後，Boot loader從板子上的某個固態存放裝置上將作業系統載入到RAM中運行，整個過程沒有使用者的介入，一般用於最終產品。下載模式下則在開發過程中使用，開發人員可以使用各種命令，通過串口或網路等通訊手段從宿主機下載檔案(比如核心映像，檔案系統映像)，將它們直接放入記憶體或是燒入flash類固態存放裝置中。

       為了在AT91SAM9G20上實現嵌入式作業系統運行，AT91SAM9G20採用了三.級引導方式，其Boot Loader程式由三部分組成，即RomBoot、Bootstrap和U-Boot，三.級引導程式的流程1所示。

圖1：三.級引導程式的流程圖

       第一級引導程式Romboot固化在AT9lSAM9G20內部，上電或複位後先運行這段引導代碼，其作用是將儲存於外部FLASH第二級引導程式Bootstrap載入到CPU內部的SRAM中執行。Bootstrap儲存在外部FLASH的前4KB空間，其功能包括初始化時鐘、SDRAM控制器以及DEBUG串口等硬體資源，並將第三 級引導程式U-Boot從FLASH載入到SDRAM執行。U-Boot將嵌入式Linux作業系統從FLASH引導和載入到SDRAM中，並將CPU的控制權交給Linux。

       本次移植使用的U-boot的版本為1.3.4，限於篇幅，本文不做詳細的介紹。

       核心的裁剪編譯

       1.準備工作

       從Linux官網下載linux核心源碼linux-2.6.30.tar.bz2，並從Atmel官網下載at91sam9g20的補丁檔案(2.6.30-at91.patch.gz 和2.6.30-at91-exp.3.tar.gz)。在宿主機Linux開發環境下，建立自己的工作目錄，例如工作目錄為home/work/，將上述三個檔案拷貝至工作目錄下，解壓Linux2.6.30，並將2.6.30-at91.patch.gz和2.6.30-at91-exp.3.tar.gz拷貝至Linux2.6.30根目錄下，同時解壓2.6.30-at91-exp.3.tar.gz。完成此部分工作如2所示。

圖2：準備工作完成

2.添加補丁檔案

進入上述linux-2.6.30根目錄，執行如下兩條命令：

zcat 2.6.30-at91.patch.gz | patch -p1

for p in 2.6.30-at91-exp.3/*; do patch -p1 < $p ; done

執行成功之後，即將從ATMEL官網下載的針對at91sam9g20的補丁檔案添加進linux-2.6.30核心中，包括驅動程式，核心設定檔等。

3.U-boot引導Linux核心啟動

a、機器碼的確定

通常，在u-boot和kernel中都會有一個機器碼(即：MACH_TYPE)，只有這兩個機器碼一致時才能引導核心。首先，確定U-boot中的MACH_TYPE，在U-boot的include/asm-arm/mach-types.h檔案中針對不同的CPU定義了非常多的MACH_TYPE，可以找到下面這個定義：

#define MACH_TYPE_AT91SAM9G20EK_2MMC 2288

其次，確定kernel中的MACH_TYPE。在Linux2.6.30的arch/arm/tools/mach-types檔案中也針對不同的CPU定義了非常多的MACH_TYPE，也可以找到下面這個定義

at91sam9g20ek_2mmc MACH_AT91SAM9G20EK_2MMC AT91SAM9G20EK_2MMC    2288

只有這兩者定義一致，u-boot才能完成對核心的引導，否則就會出現mach的錯誤資訊。

b、添加引導地址

位於核心平台arm目錄kernel下的head.S檔案是用彙編程式碼完成的，它是核心最先執行的一個檔案。這一段彙編代碼的主要作用，是檢查cpu id，architecture number，初始化頁表、cpu、bbs等操作，並跳到start_kernel函數。

找到ENTRY(stext)，添加如下代碼：

ENTRY(stext)

mov r0， #0

mov r1， #0x8f0

ldr r2， =0x20000100

其中r1存放是是architectureID(2288十六進位為0x8f0)，r2存放 atags 指標。 Linux核心的啟動順序3所示。

圖3：Linux核心的啟動順序

4.配置和編譯

首先要配置編譯工具，開啟Linux的根目錄下的Makefile檔案，找到下面的代碼進行修改：

export KBUILD_BUILDHOST := $(SUBARCH)

ARCH     ?= arm

CROSS_COMPILE    ?= /usr/local/arm/4.3.2/bin/arm-linux-

制定平台為arm平台，交叉編譯工具為arm-linux-gcc-4.3.2；儲存之後進入linux-2.6.30根目錄，執行以下命令：

#make distclean

#make clean

此步驟刪除一些以前編譯產生的一些中間檔案、臨時檔案，以避免編譯出錯。最後執行命令

#make at91sam9g20ek_2mmc_defconfig

#make uImage

即根據at91sam9g20配置核心，並編譯產生核心映像檔案，其中make uImage是U-boot編譯產生的工具，在uboot的/tools目錄下尋找mkimage檔案，將其複製到系統/usr/local/bin目錄下，這樣就可以運行make uImage命令。編譯完成之後(大概需要十幾分鐘)，便可以在arch/arm/boot/目錄下發現uImage檔案，就是我們需要的核心映像檔案，下載至工控板便可以運行。

5.修改和添加驅動程式

以上步驟產生的核心映像檔案是按照Atmel官網的配置進行裁剪修改的，由於實際硬體設定的不同，就要針對具體的硬體裝置修改相應的驅動程式，在Linux核心中增加驅動程式需要完成以下3項工作：

將編寫的原始碼複製到Linux核心原始碼的相應目錄中。在目錄的Kconfig檔案中增加新原始碼對應項目的編譯配置選項。在目錄的Makefile檔案中增加對新原始碼的編譯條件。

以添加nandflash驅動程式為例進行說明。at91sam9g20工控板的儲存晶片晶片採用三星的K9F2G08U0A實現，針對at91sam9g20編寫此晶片驅動，例如驅動檔案為9g20_nandflash.c，將此檔案添加至/linux2.6.30/driver/mtd/nand目錄下，並修改Kconfig和Makefile檔案。其中Makefile檔案添加

obj-$(CONFIG_MTD_NAND_ATMEL)     += 9g20_nandflash.o

Kconfig檔案中添加如下代碼：

config MTD_NAND_ATMEL

tristate "Support for SAM9G20 NAND Flash"

depends on ARCH_AT91

help

完成之後在linux2.6.30根目錄執行make menuconfig，選擇nandflash驅動程式。如下所示。

Device Drivers --->

<*> Memory Technology Device (MTD) support --->

<*> NAND Device Support --->

<*> Support for SAM9G20 NAND Flash

其中配置核心檔案，選中要配置的選項，此時按下“Y”鍵，將此選項編譯進核心，按下“M”鍵，將此選項編譯成核心模組，按下“N”鍵表示從核心中刪除此選項。

如需要添加分區資訊，則在board-sam9g20ek-2slot-mmc.c檔案中添加NAND快閃記憶體的分區表：

static struct mtd_partition __initdata ek_nand_partition[] = {

{

.name = "BootLoader"，

.offset = 0，

.size = 0x00200000，

}，//0分區

{

.name    = "Linux Kernel"，

.offset    = 0x00200000，

.size    = 0x00200000，

}，//2M

{

.name    = "Cramfs"，

.offset    = 0x00400000，

.size    = 0x00A00000，

}，//10M

{

.name    = "FS"，

.offset    = 0x00E00000，

.size    = 0x0F200000，

}，

};

儲存後，重新編譯核心，即可產生帶有nandflash驅動的核心映像檔案。

按照上述分區表進行分區，nandflash的資源分布4所示，我們可以看到引導程式所說明的Bootloader在快閃記憶體中的儲存情況，Linux核心以及下文要闡述的檔案系統在此工控板上的儲存情況。

圖4：NAND快閃記憶體的資源分布圖

檔案系統的實現

選擇檔案系統，要根據具體應用的需求，一般要考慮可靠性，健壯性和增強需求。如果是像工控這樣的不需經常更新控製程序的應用來說，選擇CARAMFS這樣的唯讀檔案系統已經足夠了，而且它還可以帶來的另外一個好處就是CRAMFS的壓縮率高達50%，可以大大節省我們的儲存空間。但是如果是像涉及到資料擷取這類需要儲存資料的應用來說，唯讀檔案系統就很難滿足應用系統的需求，我們可以選擇 JFFS 或者 YAFFS 這樣的可讀寫的檔案系統。不過在實際應用中，需要考慮的因素還應該更多。根據不同檔案系統的特點，結合本9g20工控板的應用場合，採用了cramfs+jffs2檔案系統。

檔案系統的製作步驟大致如下：

下載busybox進行編譯，產生Linux系統最常用的命令，這裡可以根據需求選擇常用的系統工具。本檔案系統採用busybox-1.14.2，使用交叉編譯工具為arm-linux-gcc-4.3.2，這裡需要注意的是編譯busybox和編譯linux核心的交叉編譯工具最好使用同一版本的編譯工具。

建立檔案系統所需要的檔案，如下所示：

mkdir /9g20_rootfs

cd /9g20_rootfs

mkdir bin dev etc home lib mnt proc sbin sys tmp usr var

同時將busybox產生的bin和sbin目錄拷貝至9g20_rootfs目錄下，並將編譯busybox所需的動態串連庫檔案，拷貝至9g20_rootfs /lib目錄下。

編寫必須的設定檔下，如etc目錄下的rcS、inittab、fstab等等檔案，並注意檔案的執行許可權。

下載cramfs製作工具cramfs-1.1.tar，編譯後將產生的可執行程式mkcramf拷貝至/usr/bin目錄下，即可執行mkcramfs 9g20_rootfs 9g20.cramfs，產生的9g20.cramfs檔案就是所需的檔案系統。

添加jffs2分區，在/etc/init.d/rcS檔案中添加如下命令：

#mount -t jffs2 /dev/mtdblock3 /home

即將mtdblock3以jffs2檔案系統方式掛載為home目錄，這樣/home目錄是可讀可寫，既解決了cramfs唯讀限制，同時系統檔案是唯讀，使用者程式和資料可讀可寫，有利於保護系統檔案，又減少了檔案系統的體積，特別適用於嵌入式系統。

將產生的核心映像和檔案系統映像下載至工控板後，可以看到移植完成後，系統正常啟動，經測試移植後的系統正常穩定運行。

本文小結

本文系統地闡述了以AT91SAM9G20的ARM9處理器為硬體平台的嵌入式Linux系統的構建過程，並以nandflash驅動為例闡述了Linux下驅動程式的編寫步驟，最後給出了檔案系統的解決方案。構建嵌入式Linux系統是個複雜的課題，需要對Linux作業系統核心有一定的瞭解，特別是Linux的啟動過程；驅動程式的編寫既要熟悉硬體知識，又要熟悉Linux核心資料結構；而且系統的即時性、安全性、穩定性、精簡化等方面都需要開發人員在設計中進一步考慮。經過系統測試，本文移植的Linux系統運行穩定，AT91SAM9G20的良好效能得以充分應用，為後續應用程式的開發提供了堅實的基礎。

作者:作者：袁莎莎，蔣健，陳煒

參考文獻

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