2010年 第3期
基于ARM-Linux和S3C2440的嵌入式Linux内核设计
Design of Embedded Linux Kernel Based on ARM-Linux and S3C2440
周 润 谢永乐（电子科技大学自动化工程学院，四川 成都 611731）摘 要：简要介绍基于S3C2440芯片的嵌入式Linux内1 引言
嵌入式系统(Embedded System)是当今最热门的领域之一，它可以定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适用于应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。构建嵌入式系统需要从两个方面进行选型，一是硬件平台的选择，二是嵌入式操作系统的选择。
硬件平台的选择包括处理器以及相关芯片的选型。嵌入式处理器种类繁多，有ARM、MIPS、PPC等多种构架。这里选择三星公司的ARM9芯片S3C2440。ARM处理器的文档丰富，各类嵌入式软件大多支持ARM处理器，开发起来相对容易上手。在嵌入式操作系统方面，目前比较流行的几个嵌入式操作系统是Linux、Windows CE、VxWorks、Palm OS等，这里选择嵌入式Linux，其优点在于它是遵循GPL (General Public License)协议的开放源码操作系统，完全免费；其内核中支持的硬件种类繁多，几乎在网上可以找到所有的硬件驱动程序，有着大量的应用程序可用和庞大的开发人员群体。操作系统的选型极其重要，它会影响到工程后期的发布以及软件的维护。
核设计。在确认已经移植好Bootloader的基础上，进行控制模块基于ARM-Linux的嵌入式系统设计方案，完成了嵌入式Linux操作系统移植与裁剪，并对整个设计过程进行了总结。关键词：S3C2440 嵌入式Linux 内核 移植Abstract：This paper briefly introduced design of Embedded Linux based on S3C2440. Adopted control module based on ARM-Linux Embedded System, according to the transplantation of Bootloader, after that amendment process was given and Embedded Linux operating system has been transplanted and customized, the conclusion has been given at the end.Key words：S3C2440 Embedded LinuxKernel Transplantation2 软硬件环境构建
本设计采用主机与目标板结合的交叉开发模式，如图1所示。
主机自然指PC机，目标板指S3C2440开发板。开发板采用S3C2440A作为CPU；两片总共64M bytes 的
国家863计划项目的资助（项目编号：NO.2008AA01Z104）SDRAM 芯片作为内存；具有64MB NAND Flash和
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TECHNICAL EXPLORATION 技术探讨CCC
驱动程序，drivers/mtd/为NOR Flash、NAND Flash
编
辑程序
JTAG烧写（第一个）程序
串口
操作Bootloader/Linux
运
行程序
CC等存储设备的驱动程序。CC/fs，Linux支持的文件系统的代码，每个子目录对应一种文件系统，比如fs/jffs2/、fs/ext2/、fs/ext3/。
/init，内核的初始化代码(不是系统的引导代码)，其中的main.c文件中的start_kernel函数是内核引导后运行的第一个函数。
/include，内核头文件，有基本头文件(存放在include/linux/目录下)，各种驱动或功能部件的头文件等。
/ipc，进程间通信的代码。
/kernel，内核管理的核心代码，与处理器相关的代码位于arch/*/kernel/目录下。
/lib，内核用到的一些库函数代码，比如string.c；与处理器相关的库函数代码位于arch/*/lib/目录下。
/mm，内存管理代码，与处理器相关的内存管理代码位于arch/*/mm/目录下。
/net，网络支持代码，每个子目录对应于网络的一个方面。
在移植Linux之前，先了解它的启动过程。Linux的启动过程可以分为两部分：架构/单板相关的引导过程、后续的通用启动过程。ARM架构处理器上是Linux内核vmlinux的启动。之所以强调是vmlinux，是因为其他格式的内核在进行与vmlinux相同的流程之前会有一些独特的操作。比如对于压缩格式的内核zImage，它首先进行自解压得到vmlinux，然后执行vmlinux开始“正常的”启动流程。3.2 Linux内核移植
首先配置、编译内核，确保内核可以正确编译。先修改顶层Makefile，
ARH ?= $(SUBARH)ROSS_OMPILE ?=改为
RH ?= armROSS_OMPILE ?= arm-linux-使用交叉编译器，然后执行下面的命令“make s3c2410_deconfig”配置内核，最后，执行“make uImage”可生成U-Boot格式的内核映像文件。这时，
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编
译程序
网络传输文件/NFS其他连接方式
主机
目标机
图1 交叉开发模式
2MB NOR Flash两种Flash芯片；另外还有需要串口、并口等。
嵌入式Linux开发可分为下面3个步骤：
然后通过JTAG（1）在主机上编译Bootloader，
烧入单板。此方法速度较慢，适用于烧写空白单板；
（2）在主机上编译嵌入式Linux内核，通过Bootloader烧入单板或者直接启动；
在主机上编译各类应用程序，单板启动内核（3）
后通过NFS运行它们，经过验证后再烧入单板。
本设计基于Ubuntu 8.10进行开发，需要注意的是，编译器版本与最后系统的搭建成功与否有着直接的关系，这里所用的是arm-linux-gcc3.4.5版本，用它编译U-Boot1.1.6，内核linux-2.6.29.3。
3 嵌入式Linux的裁剪与移植
3.1 Linux移植准备
使某一个平台的代码运行在其他平台上的过程叫移植。在进行内核裁剪时，需要结合自己的硬件电路，对内核代码进行修改。本系统选用Linux的稳定版本Linux-2.6.29.3内核作为移植对象。下面简要介绍Linux的内核结构。
/arch，体系结构相关的代码，对于每个架构的CPU，arch目录下有一个对应的子目录，比如arch/arm/。
/drivers，所有的设备驱动程序，里面每一个子目录对应一类驱动程序，比如drivers/char/为字符设备
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生成的镜像文件还是不能在开发板上用的，因为内核还没有支持S3C2440，需要做一些修改来使其支持S3C2440开发板。
在arch/arm/mach-s3c2440/mach-smdk2440.c中，进行如下修改：
static void __init smdk2440_map_io(void){
ARRAY_SIZE(smdk2440_iodesc));
s3c24xx_init_clocks(12000000); // 修改开发板晶振的频率，为12MHzARRAY_SIZE(smdk2440_uartcfgs));
}
晶振的频率不匹配是上面编译出的uImage不能正常使用的原因，将其改成开发板晶振频率12MHz。
内核中，对于每种支持的单板(“机器类型ID”)，都会使用宏MACHINE_START、MACHINE_END来定义一个machine_desc结构。它定义了单板相关的一些属性及函数，比如机器类型ID、起始I/O物理地址、Bootloader传入的参数的地址、中断初始化函数、I/O映射函数等。
Bootloader调用内核时，会在r1寄存器中给出单板的标记——机器类型ID。__lookup_machine_typ函数将这个值与machine_desc结构中的nr成员（机器类型）比较，如果两者相等则表示找到匹配的machine_desc结构，返回它的地址(存在r5中)，否则返回0。
对于本系统，Bootloader传入的机器类型ID为MACH_TYPE_S3C2440在arch/arm/tools/mach-types中，S3C2440的机器码修改成和Bootloader的一样，因为Bootloader中设置的是782，所以这里也设置成782。再次执行“make uImage”生成的uImage就，可以使用了，这时还需要修改mtd分区、增加对yaffs文件系统的支持。3.3 设置MTD分区
MTD（Memory Technology Device内存技术设备）是Linux中对ROM、NOR Flash、NAND Flash，等存储设备抽象出来的一个设备层，MTD相当于在硬
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件和上层之间提供了一个抽象的接口，可以把它理解为Flash的设备驱动程序，它主要向上提供两个接口：MTD字符设备和MTD块设备。通过这两个接口，就可以像读写普通文件一样对Flash设备进行读写操作，屏蔽了底层硬件的操作、各类存储设备的差别。经过简单的配置后，MTD在系统启动以后可以自动识别支持CFI或JEDEC接口的Flash芯片，并自动采用适当的命作用，划分NAND Flash的分区很简单。
对于本文中S3C2440开发板，需要根据arch/arm/plat-s3c24xx/commom-smdk.c文件中的smdk_器中存放的文件类型和大小。
将NAND Flash划分3个分区，前256KB用来存放U-Boot，接下来的2MB用来存放内核，剩下的用来存放YAFFS 文件系统。如下：
static struct mtd_partition smdk_default_nand _part[] = {
[0]={
.name = \"U-Boot\ .size = SZ_256K, .offset = 0, },[1] ={
.name = \"kernel\ .size = SZ_2M,
.offset = MTDPART_OFS_APPEND, },[2] = {
.name = \"yaffs\ };
对以上的smdk_default_nand_part结构体，用表1可解释本系统的NAND Flash存储器（地址空间0x0~0x4000000）分区如下：3.4 内核的裁剪
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s3c24xx_init_io(smdk2440_iodesc, 令参数对Flash进行读写或擦除。得益于MTD设备的
s3c24xx_init_uarts(smdk2440_uartcfgs, default_nand_part结构来告诉内核本系统Flash存储
.offset = MTDPART_OFS_APPEND,}
.size = MTDPART_SIZ_FULL,
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TECHNICAL EXPLORATION 技术探讨表1 NAND Flash分区表
分区名称U-BootKernelYaffs
起始地址0x00x400000x240000
分区大小0x400000x200000剩余所有空间
存储文件BootloaderLinux内核映像根文件系统映像
4 结论
以上基于ARM-Linux和S3C2440的嵌入式内核设计，讨论了在嵌入式应用上如何对硬软件进行选型，并且给出结合Linux内核最新的稳定版本的移植过程。重点讨论了移植和裁剪中的关键函数和驱动程序。目前基于S3C2440的Bootloader、内核和文件系统已经成功启动操作系统，为以后的相关驱动程序及应用程序的开发提供了有力的平台服务。随着IT业的不断发展，嵌入式设备将是下一代的主流产品，而本身有着优势的Linux系统也将具有广阔的应用前景。
参考文献
1 孙天泽,袁文菊.嵌入式设计及Linux驱动开发指南—基于ARM9处理器(第2版).北京:电子工业出版社.2007,1~2.
2 Daniel P. Bovet，Marco Cesati 陈莉君等译.深入理解Linux内核.北京:中国电力出版社.2007,12~14.
3 韦东山.嵌入式Linux应用开发完全手册.北京:人民邮电出版社.2008,10~314.
4 李超，肖建.嵌入式Linux开发技术与应用.北京:电子工业出版社.2008,218~219.
5 Alessandro Rubini，Jonathan Corbet.Linux设备驱动程序.北京:中国电力出版社.2006 458~487.6 孙弋.ARM-Linux嵌入式系统开发基础.西安:西安电子科技大学出版社.2008,256~278.
上面移植的内核已经可以应用到ARM板上，但是因为嵌入式系统的存储空间通常很有限，因此需要对Linux内核进行适当的裁剪。裁剪的第一步，就是以前提到的，修改顶层的Makefile文件，把交叉编译器改为arm-linux-gcc，然后再执行“make menuconfig”，会看到内核的配置的菜单。通过这个配置界面，首先选择最重要的CPU类型，S3C2440，如图2。可以选择芯片类型、所需要支持的文件系统以及驱动程序，去掉不需要的选项。所有配置工具都是通过读取arch/$(ARCH)/Kconfig文件来生成配置界面，这个文件是所有配置文件的总入口，它会包含其它目录的Kconfig文件。
图2 内核的配置界面
作者简介：周润，硕士研究生，专业方向为测试计量技术及仪器，研究方向为嵌入式软件设计。
Linux内核配置选项多达上千个，要了解每个配置选项的作用，一个个地进行选择很耗费时间。一般在某个默认配置文件的基础上进行修改，使用arch/arm/configs/s3c2410_defconfig文件来配置内核，它生成.config配置文件，这样就可以直接使用“make menuconfig”来选择芯片类型、设备驱动和文件系统等前述的单板相关的软硬件设置，配置裁剪内核了。
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