摘要：本文討論了基于ARM的嵌入式操作系統(tǒng)uClinux及其應(yīng)用開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。在32位ARM核的微處理器S3C4510B的硬件平臺(tái)上結(jié)合嵌入式實(shí)時(shí)操作uClinux. 完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)uClinux的編譯、移植，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序的添加。

　　1 嵌入式操作系統(tǒng)uClinux及其應(yīng)用開(kāi)發(fā)

　　嵌入式軟件平臺(tái)由以下部分組成：系統(tǒng)引導(dǎo)程序、嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)。系統(tǒng)引導(dǎo)程序通常也稱為BootLoad—er ，代碼量雖少，但是作用非常大，相當(dāng)于PC上的BOIS，負(fù)責(zé)將操作系統(tǒng)內(nèi)核固化到Flash中和系統(tǒng)初始化工作。然后將系統(tǒng)控制權(quán)交給操作系統(tǒng)。文件系統(tǒng)是嵌入式軟件平臺(tái)占用存儲(chǔ)量的一部分，也是與用戶開(kāi)發(fā)相關(guān)的一部分，它存儲(chǔ)了系統(tǒng)配置文件、系統(tǒng)程序、用戶應(yīng)用程序和必需的驅(qū)動(dòng)程序。

　　近些年我們?cè)谇度胧较到y(tǒng)及其應(yīng)用的科研工作中采用了信息產(chǎn)業(yè)中的技術(shù)，打破了學(xué)科之間的界限，感到控制的出路原來(lái)很多，盡管處處是挑戰(zhàn)。過(guò)去我們熟悉的“控制”有很大的局限性。：一是不考慮硬件的限制， 二是不考慮控制器的復(fù)雜性及計(jì)算能力，三是不注重實(shí)用性和效益。在微處理器，微傳感器和微型執(zhí)行元件不斷推出新產(chǎn)品的形勢(shì)下，控制的思路與手段正經(jīng)歷著巨大的變化。在經(jīng)過(guò)一番艱苦的實(shí)踐摸索之后，我們對(duì)控制學(xué)科的研究和教學(xué)有了一些新的認(rèn)識(shí)。本教材就是在我們這些年科研工作的基礎(chǔ)上總結(jié)出來(lái)的，它還比較粗糙，還需要今后花大力氣把它完善與提高。

　　1.1 BootLoader程序

　　BootLoader就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過(guò)這段小程序，我們可以初始化硬件設(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。比如在一個(gè)基于ARM7TDMI core的嵌入式系統(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。

　　系統(tǒng)引導(dǎo)程序BootLoader是嵌入式系統(tǒng)加電后執(zhí)行的個(gè)程序，一般應(yīng)寫入Flash存儲(chǔ)器中并從起始物理地址0x0開(kāi)始。在應(yīng)用實(shí)際中BootLoader的功能主要有：① 將uCLinux內(nèi)核和文件系統(tǒng)燒寫到目標(biāo)板中；②系統(tǒng)初始化；③系統(tǒng)的內(nèi)存映射；④加載uClinux內(nèi)核

　　引導(dǎo)加載程序是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的段軟件代碼。PC機(jī)中的引導(dǎo)加載程序由BIOS（其本質(zhì)就是一段固件程序）和位于硬盤MBR中的OS BootLoader（比如，LILO和GRUB等）一起組成。BIOS在完成硬件檢測(cè)和資源分配后，將硬盤MBR中的BootLoader讀到系統(tǒng)的RAM中，然后將控制權(quán)交給OS BootLoader。BootLoader的主要運(yùn)行任務(wù)就是將內(nèi)核映象從硬盤上讀到 RAM 中，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的入口點(diǎn)去運(yùn)行，也即開(kāi)始啟動(dòng)操作系統(tǒng)。

　　通常，BootLoader是嚴(yán)重地依賴于硬件而實(shí)現(xiàn)的，特別是在嵌入式世界。因此，在嵌入式世界里建立一個(gè)通用的BootLoader幾乎是不可能的。盡管如此，我們?nèi)匀豢梢詫?duì)BootLoader歸納出一些通用的概念來(lái)，以指導(dǎo)用戶特定的BootLoader設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

　　1.2 嵌入式操作系統(tǒng)uCiinux

　　uClinux就是Micro—Control—Linux，是針對(duì)控制領(lǐng)域的嵌入式linux操作系統(tǒng)，它是從Linux 2.0／2.4內(nèi)核派生而來(lái)，沿襲了主流Linux的絕大部分特性，適合不具備內(nèi)存管理單元（MMU）的微處理器／微控制器（例如ARM7TDMI），它也是一個(gè)完全符合GNU／GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開(kāi)放代碼。和主流的Linux相比，uClinux有以下特點(diǎn)：① 簡(jiǎn)化了內(nèi)核加載方式，uClinux的內(nèi)核可以在Flash上直接運(yùn)行；② 采用romfs文件系統(tǒng)作為root文件系統(tǒng)，相對(duì)于一般的ext2使用更少的存儲(chǔ)空間；③ 使用了Flat可執(zhí)行文件格式替代elf格式；④ 使用應(yīng)用程序庫(kù)uClibc替代libc。

　　1.3 uClinux的編譯與移植

　　I-3.1 uClinux系統(tǒng)針對(duì)硬件的改動(dòng)

　　uclinux表示micro-control linux.即“微控制器領(lǐng)域中的Linux系統(tǒng)”，是Lineo公司的主打產(chǎn)品，同時(shí)也是開(kāi)放源碼的嵌入式Linux的典范之作。uCLinux主要是針對(duì)目標(biāo)處理器沒(méi)有存儲(chǔ)管理單元MMU（Memory Management Unit）的嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。它已經(jīng)被成功地移植到了很多平臺(tái)上。由于沒(méi)有MMU，其多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)需要一定技巧。

　　目前。uClinux已被成功移植到多款微處理器芯片上。但由于嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn)行是與嵌入式系統(tǒng)的硬件密切相關(guān)的。而硬件的設(shè)計(jì)則會(huì)因?yàn)槭褂脠?chǎng)合的不同而千差萬(wàn)別，因此，在uClinux內(nèi)核源代碼中和硬件緊密相關(guān)的部分就應(yīng)該針對(duì)特定的硬件作出適當(dāng)?shù)男薷摹?/P>

　　本文中所涉及的對(duì)uClinux操作系統(tǒng)源代碼的裁剪修改主要有以下幾個(gè)地方：

　　uClinux內(nèi)核源代碼中對(duì)S3C4510B片內(nèi)特殊功能寄存器以及其他相關(guān)硬件信息的定義文件hardware.h首先要定義系統(tǒng)工作的主時(shí)鐘頻率，本系統(tǒng)的為50MHz。

　　／********************************／

　　define$3C4510b CPU master clock

　　／********************************／

　　#define MHz l0o0000

　　#define fMCLK_ MHz （50 MHz）

　　#define fMCLK （fMCLK_MHz／MHz）

　　#define MCLK2 （fMCLK_MHz／21

　　此外對(duì)系統(tǒng)SYSCFG寄存器也進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)置。如Cache操作使能、寫緩沖使能以及設(shè)置了特殊功能寄存器組的基指針等。即定義系統(tǒng)存儲(chǔ)器控制寄存器。

　　1.3.2 編譯uClinux內(nèi)核

　　在準(zhǔn)備好uClinux的內(nèi)核源代碼后。利用交叉編譯器就可以編譯生成運(yùn)行在硬件目標(biāo)板上的uClinux內(nèi)核。首先將U—Clinux內(nèi)核源代~uClinux—Samsung一20031005.tar.gz保存到宿主機(jī)的用戶目錄，解壓完畢后。就會(huì)在用戶目錄下生成uClinux—Samsung目錄。

　　以下是編譯uClinux的具體過(guò)程：

　　使用make menuconfig或者make xconfig命令進(jìn)行內(nèi)核配置：

　　輸人命令：make dep

　　輸入命令：make clean：

　　輸入命令：make lib_only：

　　輸入命令：make romfs：

　　輸入命令：make image：

　　輸入命令：make。

　　至此整個(gè)uClinux源碼的編譯工作就完成了。會(huì)在／u—Clinux—Samsung／image目錄下生成兩個(gè)內(nèi)核文件：image.ram和image.rom。image.rom~-3"借助~JTAG仿真器直接將其燒寫到目標(biāo)板上的FLASH存儲(chǔ)單元，I~image-ram則可通過(guò)以太網(wǎng)接口。將其至目標(biāo)板上就可直接運(yùn)行了。

　　1.4 嵌入式操作系統(tǒng)uCfinux的應(yīng)用開(kāi)發(fā)

　　下面通過(guò)本系統(tǒng)的一個(gè)具體實(shí)例來(lái)描述如何將應(yīng)用程序添加~UuClinux，主要的標(biāo)準(zhǔn)方法有如下幾點(diǎn)：

　　（1）編寫自己的源程序代碼和相應(yīng)Makefile文件。uClinux／Linux的應(yīng)用程序通常放在OS—HOME／user目錄下，我們?cè)谠撃夸浵聞?chuàng)建一個(gè)XDQ目錄。且在該目錄下創(chuàng)建源文件xdq.c及它相應(yīng)的Makefile文件。

　　（2）修改uClinux—Samsung／config／config.ink件。在該文件合適的位置增加如下內(nèi)容：

　　mainmenu_ option   next comment

　　comment ‘xdq’

　　bool  ‘xdq’  CONFIG_ USER_ XDQ_XDQ

　　endmenu

　　目的是在Make menuconfig時(shí)，uCLinux就會(huì)提示你是否需要編譯這個(gè)新的應(yīng)用程序。

　　（3）修改uClinux—Samsung／user／Makefile 件。在該文件合適的位置增加下面一句：

　　dir-$（CONFIG_USER—XDQ—XDQ）+=xdq

　　加上這句后，如果你在Make menuconfig時(shí)選擇了這個(gè)新應(yīng)用程序。則編譯時(shí)就會(huì)編譯這個(gè)新的應(yīng)用程序。

　　把修改工作完成后要進(jìn)行內(nèi)核的編譯工作，按照以前編譯uClinux內(nèi)核的步驟進(jìn)行就可以了。

　　值得注意的一點(diǎn)是在步make menuconfig進(jìn)行內(nèi)核配置的時(shí)候。在Target Platform Selection，要選中Customize Vendor／User Settings fNEW），選中了該選項(xiàng)后，在對(duì)話框里出現(xiàn)的文字是在config.in文件中添加的文字，選中要編譯的應(yīng)用程序所在路徑，就會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)對(duì)話框，選中要編譯的文件名，保存好內(nèi)核配置后退出。用這種方法生成的可執(zhí)行文件在romfs／bin目錄下。

　　接下來(lái)就進(jìn)行make dep，makeclean等內(nèi)核編譯的后幾步。以上介紹的是一種基本的添加用戶應(yīng)用程序的方法，在將用戶應(yīng)用程序添加uClinux內(nèi)核運(yùn)行時(shí)，都需要對(duì)內(nèi)核進(jìn)行部分或全部的編譯，每次對(duì)內(nèi)核編譯完成后，都要先將FLASH存儲(chǔ)器中的內(nèi)容擦除，然后重新燒寫新編譯好的內(nèi)核到FLASH存儲(chǔ)器中去。

　　2 結(jié)束語(yǔ)

　　ARM內(nèi)核處理器具有體積小、高性能、低功耗、低成本等一系列優(yōu)點(diǎn)，是嵌入式電子產(chǎn)品設(shè)備由8位機(jī)升級(jí)到32位機(jī)的理想選擇。uClinux因具有穩(wěn)定良好的移植性、的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對(duì)各種文件系統(tǒng)的支持以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的API等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。