PXA255的嵌入式Linux應用平臺的構建

1 引言

嵌入式Linux(Embedded Linux)是指對Linux經過小型化裁剪后，能夠固化在容量僅有幾十萬字節(jié)的存儲器芯片或單片機中，應用于特定嵌入式場合的專用Linux操作系統。嵌入式Linux是由很多體積小且性能高的微內核系統組成，在內核代碼完全開放的前提下，不同領域和不同層次的用戶可以根據自己的應用需要很容易地對內核進行改造，在低成本的前提下，設計和開發(fā)出真正滿足自己需要的嵌入式系統。

隨著電子市場的發(fā)展壯大，高性能低功耗的多媒體手提設備和無線設備越來越受到市場的歡迎，Intel XScale PXA255處理器正是針對這一情況推出的。它采用Intel XScale微結構體系框架，采用ARMV5TE的7級超流水線，可以工作在200MHz、300MHz、400MHz下，集成了許多常用的外圍接口，功能強大。本文將介紹如何在Intel XScale PXA255上構建嵌入式Linux應用平臺。

一個嵌入式Linux系統的構建由以下步驟組成：加載Bootloader引導程序、交叉編譯環(huán)境下加載和編譯Linux內核和與之配套的根文件系統等，下面就逐步介紹各個步驟的實現情況。

2.1 加載Bootloader引導程序

Bootloader引導程序是系統加電啟動后運行的第一段軟件代碼?；貞浺幌翽C的體系結構我們可以知道，PC機中的引導加載程序由BIOS(其本質就是一段固件程序)和位于硬盤MBR中的引導程序一起組成。而在嵌入式系統中，通常并沒有像BIOS那樣的固件程序，因此整個系統的加載啟動任務就完全由Bootloader來完成。Bootloader的啟動流程一般分為兩個階段：stage1和stage2。在 stage1中的代碼通常用匯編語言實現，以提高系統運行的效率，而stage2中通常用C語言實現，目的是實現更復雜的功能和取得更好的代碼可讀性和可移植性。

在stage1中Bootloader主要完成以下工作：

項目基金：國家自然科學基金(50678099)
(1)基本的硬件初始化。
(2)為加載stage2準備RAM空間。
(3)拷貝stage2到RAM空間中。
(4)設置堆棧指針sp，這是為執(zhí)行stage2的C語言代碼做好準備。

在stage2中Bootloader主要完成以下工作：(1)用匯編語言跳轉到main入口函數。(2)初始化本階段要使用到的硬件設備。(3)檢測系統的內存映射。(4)加載內核映像和根文件系統映像。(5)設置內核的啟動參數。

本平臺中的Bootloader選擇的是U-Boot(Universal Bootloader)，是遵循GPL條款的開放源碼項目。其源碼目錄、編譯形式與Linux內核很相似，事實上，不少U-Boot源碼就是相應的 Linux內核源程序的簡化，尤其是一些設備的驅動程序，這從U-Boot源碼的注釋中就能體現這一點。就目前為止，U-Boot對PowerPC系列處理器支持最為豐富，對Linux的支持最完善。

在http://sourceforge.net/projects/u-boot下下載最新版本的U-Boot，移植之前需要仔細閱讀u-boot目錄下的readme文件，其中對如何移植做了簡要的介紹。為了減少移植的工作量，可以在include / config目錄下選一個和要移植的硬件相同或相似的開發(fā)板，根據硬件平臺的配置情況和參考現有的源碼，對配置文件進行修改和配置，如修改和配置 FLASH信息、SDRAM信息、網絡配置、處理器配置、中斷、開發(fā)版參數設置等。之后用make命令生成映像文件下載并燒寫到FLASH中。

2.2 交叉編譯環(huán)境下加載和編譯Linux內核

2.2.1 建立交叉編譯環(huán)境

所謂交叉編譯是指當主機系統和目標系統的體系結構與操作系統不兼容時，將在主機系統上編譯的可執(zhí)行程序應用到目標系統上運行的編譯方法。嵌入式系統通常是一個資源受限的系統，因此直接在嵌入式系統的硬件平臺上編寫軟件比較困難，有時候甚至是不可能的。所以需要建立交叉編譯環(huán)境，下載hybus- arm-linux-R1.1.tar.gz到/usr/local目錄下。
# cd usr/local
# tar zxvf hybus-arm-linux-R1.1.tar.gz

生成hybus-arm-linux-R1.1目錄，然后在/root/.bash_profile下修改添加以下路徑：
PATH=$PATH:/usr/local/ hybus-arm-linux-R1.1/bin
export PATH

至此，交叉編譯環(huán)境建立完成。

2.2.2 加載和編譯Linux內核

Linux系統的內核采用單塊結構，可以動態(tài)地加載和卸載模塊。系統利用內核模塊的可動態(tài)加載和卸載功能，可以方便地在內核中添加新的組件或卸載不再需要的內核組件。內核模塊的動態(tài)裝載性使得內核映像的尺寸保持在最小，并且具有最大的靈活性，同時便于檢驗新的內核代碼，而不需重新編譯內核且重新引導，從而用戶可以根據自己系統的需要構筑自己的私有內核，其源碼的公開更為改造其內核提供了可能，尤其為重建有特殊要求的操作系統提供了可能。Linux的內核版本發(fā)行同Linux對嵌入式處理器支持程度的發(fā)展是不同步的，因此需要對特定的處理器體系結構選擇適合的內核，在本文中選用2.4.18的內核版本，下載已經打好補丁的內核資源linux-2.4.18-rmk7.tar.bz2。
# tar jxvf linux-2.4.18-rmk7.tar.bz2
# cd linux-2.4.18-rmk7
# make menuconfig
# make dep
# make zImage

完成后在arch/arm/boot 路徑下生成映像文件zImage，下載到開發(fā)平臺上并燒寫到FLASH中。