天津科技大學(xué)嵌入式系統(tǒng)ppt-第7章 嵌入式Linux軟件設(shè)計(jì)資料

第7章

嵌入式Linux軟件設(shè)計(jì)主要內(nèi)容1324Bootloader引導(dǎo)程序Linux的移植驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

7.1.1Bootloader的啟動(dòng)過(guò)程

在嵌入式操作系統(tǒng)中，BootLoader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行?？梢猿跏蓟布O(shè)備、建立內(nèi)存空間映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。在嵌入式系統(tǒng)中，通常并沒(méi)有像BIOS那樣的固件程序（注，有的嵌入式CPU也會(huì)內(nèi)嵌一段短小的啟動(dòng)程序），因此整個(gè)系統(tǒng)的加載啟動(dòng)任務(wù)就完全由BootLoader來(lái)完成。嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)在上電或復(fù)位時(shí)通常都從地址0x00000000處開(kāi)始執(zhí)行，而在這個(gè)地址處安排的通常就是系統(tǒng)的BootLoader程序。bootloader的操作模式:1，自啟動(dòng)模式：bootloader從目標(biāo)機(jī)上的某個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到RAM中運(yùn)行。2，交互模式：目標(biāo)機(jī)上的bootloader將通過(guò)串口或網(wǎng)絡(luò)等通行手段從開(kāi)發(fā)主機(jī)（Host）上下載內(nèi)核映像等到RAM中。可以被bootloader寫(xiě)到目標(biāo)機(jī)上的固態(tài)存儲(chǔ)媒質(zhì)中，或者直接進(jìn)入系統(tǒng)的引導(dǎo)。也可以通過(guò)串口接收用戶的命令。

7.1.1Bootloader的啟動(dòng)過(guò)程BootLoader的實(shí)現(xiàn)依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)，因此大多數(shù)BootLoader都分為stage1和stage2兩大部分。BootLoader的stage1通常包括以下步驟：硬件設(shè)備初始化。為加載BootLoader的stage2準(zhǔn)備RAM空間。復(fù)制BootLoader的stage2到RAM空間中。設(shè)置好堆棧。跳轉(zhuǎn)到stage2的入口點(diǎn)。

BootLoader的stage2通常包括以下步驟：初始化本階段要使用的硬件設(shè)備。檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)存映射。將kernel映像和根文件系統(tǒng)映像從Flash讀到RAM中。為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)。調(diào)用內(nèi)核。

7.1.2BootLoader——vivivivi是由韓國(guó)MIZI公司提供的一款針對(duì)S3C2410芯片的BootLoader。vivi的啟動(dòng)過(guò)程分為兩個(gè)階段：階段1和階段2。階段1的主要工作是：硬件初始化；配置串口；復(fù)制自身到SDRAM中(跳轉(zhuǎn)到C代碼的入口函數(shù))。階段2的主要工作是：對(duì)硬件系統(tǒng)繼續(xù)初始化；內(nèi)存映射初始化，內(nèi)存管理單元MMU初始化；初始化堆；初始化MTD設(shè)備，MTD設(shè)備指具有閃存功能的設(shè)備，如閃存芯片、閃存卡等；初始化私有數(shù)據(jù)；初始化內(nèi)置命令；啟動(dòng)vivi。

7.1.3BootLoader——U-Boot

U-Boot，全稱UniversalBootLoader，是開(kāi)源項(xiàng)目。其源碼目錄、編譯形式與Linux內(nèi)核很相似，事實(shí)上，不少U-Boot源碼就是相應(yīng)的Linux內(nèi)核源程序的簡(jiǎn)化，尤其是一些設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。U-Boot不僅僅支持嵌入式Linux系統(tǒng)的引導(dǎo)，它還支持VxWorks,QNX,Solaris等嵌入式操作系統(tǒng)。這是U-Boot中Universal的一層含義，另外一層含義則是U-Boot除了支持PowerPC系列的處理器外，還能支持MIPS、x86、ARM、NIOS、XScale等諸多常用系列的處理器。這兩個(gè)特點(diǎn)正是U-Boot項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)目標(biāo)，即支持盡可能多的嵌入式處理器和嵌入式操作系統(tǒng)。就目前來(lái)看，U-Boot對(duì)PowerPC系列處理器支持最為豐富，對(duì)Linux的支持最完善。主要內(nèi)容1324Bootloader引導(dǎo)程序Linux的移植驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

7.2Linux的移植所謂Linux移植，就是針對(duì)具體的目標(biāo)平臺(tái)對(duì)Linux做必要的改寫(xiě)后，安裝到該目標(biāo)平臺(tái)并使其正確運(yùn)行的過(guò)程?；緝?nèi)容包括：獲取某一版本的Linux內(nèi)核源碼。根據(jù)具體的目標(biāo)平臺(tái)，對(duì)源碼進(jìn)行必要的改寫(xiě)（主要是修改有關(guān)體系結(jié)構(gòu)的部分），然后添加一些驅(qū)動(dòng)，打造一款適合目標(biāo)平臺(tái)的新的操作系統(tǒng)。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的交叉編譯，生成一個(gè)內(nèi)核映像文件。將該映像文件燒寫(xiě)、安裝到目標(biāo)平臺(tái)中。

7.2.1Linux內(nèi)核的目錄結(jié)構(gòu)1．/arch：其中的子目錄包含了所有與硬件體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)核移植代碼。每一個(gè)目錄都代表一種硬件平臺(tái)，對(duì)于每種平臺(tái)都應(yīng)該包括：boot:包含啟動(dòng)內(nèi)核所使用的部分或全部平臺(tái)的相關(guān)代碼。kernel:包含支持體系結(jié)構(gòu)特有的特征代碼。lib：包含存放體系結(jié)構(gòu)特有的通用函數(shù)的實(shí)現(xiàn)代碼。mm:包含存放體系結(jié)構(gòu)特有的內(nèi)存管理程序的實(shí)現(xiàn)。mach-xxx:包含存放該處理器的移植代碼。2．/Documentation：其中的子目錄包含有關(guān)內(nèi)核的許多非常詳細(xì)的文檔。3．/drivers：其中的子目錄包含內(nèi)核中所有的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。4．/fs：其中的子目錄包含了所有文件系統(tǒng)的代碼。5．/include：其中的子目錄包含了建立內(nèi)核代碼時(shí)所需的大部分庫(kù)文件的頭文件，該模塊利用其他模塊重建內(nèi)核。同時(shí)，包括不同平臺(tái)需要的庫(kù)文件。6．/init：其中的子目錄包含了內(nèi)核的初始化代碼，內(nèi)核從此目錄下開(kāi)始工作。7．/ipc：其中的子目錄包含了內(nèi)核的進(jìn)程間通訊的代碼。8．/kernel：其中的子目錄包含了主內(nèi)核的代碼，如進(jìn)程調(diào)度等。9．/lib：其中的子目錄包含了通用的庫(kù)函數(shù)代碼等。10．/mm：其中的子目錄包含了內(nèi)核的內(nèi)存管理代碼。11．/net：其中的子目錄包含了內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)相關(guān)代碼。12．/scripts：其中的子目錄包含了配置內(nèi)核的一些腳本文件。

7.2.2Linux內(nèi)核源碼通常對(duì)內(nèi)核源碼的改寫(xiě)難度較大，因?yàn)檫@不僅要求對(duì)內(nèi)核結(jié)構(gòu)非常熟悉，而且也要對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)相當(dāng)了解。所以這部分工作主要由目標(biāo)平臺(tái)廠商提供，如對(duì)于ARM平臺(tái)，對(duì)Linux內(nèi)核源碼的改寫(xiě)就是由英國(guó)ARM公司完成的。對(duì)于讀者來(lái)說(shuō)，只需從其網(wǎng)站上下載相關(guān)版本的Linux內(nèi)核補(bǔ)丁，再安裝補(bǔ)丁即可。

7.2.3交叉編譯環(huán)境的建立交叉編譯指利用運(yùn)行在機(jī)器上的編譯器編譯某個(gè)源程序，生成在另一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行的目標(biāo)代碼的過(guò)程。對(duì)于Linux系統(tǒng)和ARM平臺(tái)來(lái)講，GCC交叉編譯器能高效的完成移植，下面介紹生成GCC交叉編譯器的一般過(guò)程。（1）下載源代碼（2）編譯binutils（3）配置Linux內(nèi)核頭文件（4）第一次編譯gcc（5）交叉編譯glibc（6）第二次編譯gcc

7.2.4修改Linux內(nèi)核文件1．設(shè)置目標(biāo)平臺(tái)和指定交叉編譯器2．修改arch/arm目錄下Makefile文件3．修改arch/arm目錄下config.in文件4．修改arch/arm/boot目錄下Makefile文件5．修改arch/arm/boot/compressed目錄下Makefile文件6．在arch/arm/boot/compressed目錄下添加head-s3c2410.s文件，該文件主要用來(lái)初始化處理器。7．在arch/arm/def-configs目錄下添加配置好的S3C2410的配置文件。8．修改arch/arm/kernel目錄下Makefile文件9．修改arch/arm/kernel目錄下的debug-armv.s文件10．修改arch/arm/kernel目錄下的entry-armv.s文件11．修改arch/arm/mm目錄下的相關(guān)文件12．修改arch/arm/mach-s3c2410目錄下的相關(guān)文件

7.2.5Linux內(nèi)核及文件系統(tǒng)的編譯1．編譯Linux內(nèi)核makedepmakecleanmakezImage2．制作cramfs文件系統(tǒng)利用工具軟件MKCRAMFS制作cramfs文件系統(tǒng)。假設(shè)root_tech目錄包含將來(lái)要用到的所有文件，把制作工具和root_tech放在同一個(gè)目錄下，并在該目錄下使用命令：MKCRAMFSroot_techrootfs.cramfs

7.2.6Linux內(nèi)核及文件系統(tǒng)的下載1．利用vivi通過(guò)超級(jí)終端重新下載vivi2．利用vivi燒寫(xiě)內(nèi)核和root文件系統(tǒng)3．利用U-Boot燒寫(xiě)內(nèi)核和root文件系統(tǒng)主要內(nèi)容1324Bootloader引導(dǎo)程序Linux的移植驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工作原理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié),應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序作為內(nèi)核的一部分,完成以下功能:對(duì)設(shè)備初始化和釋放；把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)；讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù)；檢測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。Linux下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分,運(yùn)行在內(nèi)核模式。在Linux系統(tǒng)中，使用file_operation結(jié)構(gòu)將設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和文件系統(tǒng)相關(guān)聯(lián),在這個(gè)結(jié)構(gòu)里存放了設(shè)備各種操作的入口函數(shù)。

Linux下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在輸入/輸出系統(tǒng)中的地位用戶程序的進(jìn)程（設(shè)備）文件系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備服務(wù)子程序中斷處理程序物理設(shè)備控制器輸入/輸出請(qǐng)求輸入/輸出響應(yīng)物理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)和使用步驟1．用戶在自己的驅(qū)動(dòng)程序源文件中定義file_operations結(jié)構(gòu),并編寫(xiě)出設(shè)備需要的各個(gè)操作函數(shù)，對(duì)于設(shè)備不需要的操作函數(shù)用NULL初始化；2．定義一個(gè)初始化函數(shù)，該函數(shù)應(yīng)包含以下幾項(xiàng)工作：（1）對(duì)使用到的硬件寄存器進(jìn)行初始化，包括中斷寄存器。（2）初始化與設(shè)備相關(guān)的參數(shù)。（3）注冊(cè)設(shè)備。

intregister_chrdev(unsignedint,constchar*,structfile_operations*)其中三個(gè)參數(shù)分別代表主設(shè)備號(hào)、設(shè)備名和file_operations結(jié)構(gòu)變量的地址。（4）注冊(cè)設(shè)備使用的中斷。注冊(cè)中斷使用的函數(shù)。（5）其他的一些初始化工作，比如給設(shè)備分配I/O，申請(qǐng)DMA通道等。3．將設(shè)備驅(qū)動(dòng)加到Linux內(nèi)核中4．將設(shè)備驅(qū)動(dòng)編譯成驅(qū)動(dòng)模塊主要內(nèi)容1324Bootloader引導(dǎo)程序

Linux的移植驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)步驟開(kāi)發(fā)Linux應(yīng)用程序一般分為以下幾個(gè)步驟：編寫(xiě)程序編寫(xiě)Makefile文件編譯程序運(yùn)行程序?qū)⑸傻目蓤?zhí)行文件加入文件系統(tǒng)。如果應(yīng)用程序的運(yùn)行需要某些驅(qū)動(dòng)程序，先將驅(qū)動(dòng)程序掛接到文件系統(tǒng)中。舉例：hello應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行1.編寫(xiě)Hello程序編寫(xiě)hello.c文件，保存在hello目錄下。代碼如下所示：#include<stdio.h>#include<stdlib.h>intmain(intargc,char**argv){printf("HelloReader,Congradulations!!!\n");return(0);}2.編寫(xiě)Makefile文件，內(nèi)容如下：CC=/opt/host/armv4l/bin/armv4l-unknown-linux-gccCFLAGS=-I/l