基于ARM9的Linux操作系统的移植实习报告

嵌入式系统开发与应用工程实习报告第1页26页11模块功能11课题背景嵌入式操作系统的发展经历了几个比较明显的阶段，最先是无操作系统的嵌入算法阶段，是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统；然后发展为以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统；之后便是通用的嵌入式实时操作系统阶段，是以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统。这一阶段嵌入式操作系统的主要特点是兼容性好、内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；现在正在迅速发展的基于INTERNET为标志的嵌入式系统，是嵌入式系统的趋势。随着INTERNET的发展以及INTERNET技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与INTERNET的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。随着通信网络技术和集成电路设计的高速发展，嵌入式系统已成为了T业的一个焦点。嵌入式系统大量的应用于自动控制、工业生产、军事技术和家用消费类数码设备上。PC已经从高速增长进入到平稳发展的市场顶峰时期，单纯由PC带领的电子产业蒸蒸日上的时代已经成为历史，现在的电子产业的发展需要寻找一个新的发展点。人们提出了“后PC时代”的概念，计算机无所不在，它渗透到生活和工作的方方面面。后PC时代的绝大多数的计算机是以非计算机的形式出现的，例如智能手机、个人数字助理、路由器、电视机等等。这些设备的大多数是以嵌入式系统的形式存在。开发中国自主产权的嵌入式处理器和嵌入式操作系统，对于我们国家的民族IT业来讲，将有十分重要的战略意义。我们应该抓住机遇，组织力量，重点出击，取得主动权。12课题意义嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术等先进技术相结合后的产品。嵌入式系统一般包括嵌入式微处理器，外围硬件设备，嵌入式操作系统，和应用程序等几个部分。嵌入式系统开发与应用工程实习报告第2页26页2数字时代的特征越来越明显，手持智能终端蓬勃发展。这些都给予了嵌入式操作系统以新的契机，尤其是LINUX操作系统的发展。随着LINUX26内核的迅速发展，嵌入式LINUX在嵌入式领域的应用越来越广泛。LINUX具有源代码开放、内核稳定高效、软件丰富、支持处理器结构和硬件平台类型多、可定制性好，可移植性高等特点。本课题主要研究在以高性能的32位ARM9处理器为核心的JXARM2410硬件开发平台上移植嵌入式LINUX操作系统与文件系统以及相关的设备驱动等。在嵌入式移植过程中，还需要移植合适的引导装载程序（BOOTLOADER），引导装载程序和系统硬件紧密相关，它们不仅与处理器的体系结构有关，而且还需要根据系统的硬件配置对引导装载程序进行配置，主要是设置处理器参数、内存地址分配、内存空间的映射、加载操作系统内核等。LINUX内核的配置、移植，将主要是修改内核源代码树中各个文件夹下的配置文件，合理组织新的驱动程序，根据配置进行条件编译、连接，最终生成内核映像文件。根文件系统负责以文件的方式管理系统的各种资源。13开发平台简介131硬件环境硬件JXARM2410嵌入式实验箱，PC机（PENTIUM500以上，硬盘10G以上）132软件环境软件PC机操作系统REDHATLINUX90，LINUX开发环境14使用工具简介141JXARM2410嵌入式实验箱介绍硬件组成JXARM924103教学系统采用统一的豪华实验箱包装，除ADT1000仿真器外，所有配件均放置于实验箱之内，所包含配件如下1、JXARM924103主板一块（内置简易JTAG仿真器）；2、ADT1000仿真器一套（为可选配置）；3、320X240256色彩色LCD显示器一块（带触摸屏）；4、4X4键盘一套；5、USB连接电缆一条；6、PC并口延长电缆一条；7、RS232串口通讯线一条；嵌入式系统开发与应用工程实习报告第3页26页38、直连网线一根；9、软件光盘一张；10、实验指导书一本；11、GPRS天线一根；12、GPS天线一根；软件组成JXARM924103软件均保存在随箱附带的软件光盘中，包含如下软件1、实验源程序；2、实验程序模板；3、ADTIDEFORARM；4、实验用工具软件及驱动程序。142LINUX开发环境介绍嵌入式LINUX系统的基本元素引导工具,LINUX微内核,初始化进程硬件驱动程序,应用程序,文件系统,协议栈LINUX能够支持X86、ARM、MIPS、ALPHA、POWERPC等多种体系结构，目前已经成功移植到数十种硬件平台，几乎能够运行在所有流行的CPU上。LINUX有着异常丰富的驱动程序资源，支持各种主流硬件设备和最新的硬件技术，甚至可以在没有存储管理单元的处理器上运行，这些都进一步促进了LINUX在嵌入式系统中的应用。LINUX内核的高效和稳定已经在各个领域内得到了大量事实的验证，LINUX的内核设计非常精巧，分成进程调度、内存管理、进程间通信、虚拟文件系统和网络接口五大部分，其独特的模块机制可以根据用户的需要，实时地将某些模块插入到内核或从内核中移走。这些特性使得LINUX系统内核可以裁剪得非常小巧，很适合于嵌入式系统的需要。LINUX是开放源代码的自由操作系统，它为用户提供了最大限度的自由度。由于嵌入式系统千差万别，往往需要针对具体的应用进行修改和优化，因而获得源代码就变得至关重要了。LINUX的软件资源十分丰富，每一种通用程序在LINUX上几乎都可以找到，并且数量还在不断增加。在LINUX上开发嵌入式应用软件一般不用从头做起，而是可以选择一个类似的自由软件作为原型，在其上进行二次开发。2基础知识嵌入式系统开发与应用工程实习报告第4页26页421LINUX内核的移植及根文件系统LINUX是一种很受欢迎的操作系统，它与UNIX系统兼容，开放源代码。LINUX内核的移植可以分为板级移植和片级移植。对于LINUX发行版本中已经支持的CPU。通常只要针对板级硬件进行适当的修改即可，这种移植叫做板级移植；而对于LINUX发行版本中没有支持的CPU，则需要添加添加相应CPU的内核移植，这种移植称为片级移植211LINUX26内核新特性（1）LINUX26内核吸收了一些新技术，在性能、可测量性，支持和可用性方面不断提高。使得新内核支持更多的体系结构，处理器、总线、接口和设备，简化扩展添加新设备和子系统的支持。（2）LINUX26版本的LINUX内核使用了由INGOMOLNAR开发的O1调度算法，它在高负载的情况下极其出色，并且对多处理器调度有很好的扩展。（3）它采纳了内核抢占的补丁，大大减小了用户交互，多媒体等应用程序的调度延迟。（4）新内核重写了线程框架，它基于一个11的线程模型，能够支持NPTLNATIVEPOSIXTHREADINGLIBRARY线程库，NPTL线程库解决了传统的LINUX线程库存在的问题，对系统有很大性能的提升。（5）相对于LINUX24，LINUX26对文件系统的支持在很多方面都有很大的改进，关键变化在于对扩展属性（EXTENDEDATTRIBUTES）以及POSIX标准的访问控制的支持，并且重写了对NTFS文件系统的支持。（6）新内核添加了新的系统声音ALSAADVANCEDLINUXSOUNDARCHITECTURE，新的声音体系机构支持USB音频和MIDI设备，全双工重放等。此外新内核最值得关注的变化是创建了一个统一的设备模型。这个设备模型通过维持大量的数据结构囊括了几乎所有的设备结构和系统，从而改进了设备的电源管理和设备相关的任务管理。212LINUX内核源码结构LINUX的内核源代码非常庞大，并且随着版本的发展不断的增加。所以它采用了目录树结构，并且使用MAKEFILE组织配置编译。LINUX内核顶层目录的MAKEFILE是整个内核配置编译的核心文件，负责整个组织目录树中子目录的编译管理。内核源码顶层有许多子目录，分别组织各种内核子系统和文件。下面我们先把认识嵌入式系统开发与应用工程实习报告第5页26页5一下这些顶层目录。ARCH/存放体系结构相关的代码，如ARCH/I386,ARCH/ARM等DRIVERS/各种设备驱动程序，如DRIVERS/CHAR，DRIVERS/BLOCKDOCUMENTATION/内核文档FS/文件系统，例如FS/EXT3,FS/JFFS2等INCLUDE/内核头文件INIT/LINUX初始化IPC/进程间通信的代码KERNEL/LINUX内核核心代码LIB/各种库子程序MM/内存管理代码NET/网络支持代码，主要是网络协议SCRIPTS/内部或外部使用的脚本USR/用户的代码。如图21所示为本实验系统所采用的实验环境以及开发流程。在主机的REDHATLINUX操作系统下安装LINUX发行包以及交叉编译器ARMLINUXGCC。然后对LINUX进行配置MAKEMENUCONFIG并选择适合本实验系统的相关配置，配置完成后进行编译生成LINUX映像文件ZIMAGE。然后通过UBOOT的TFTP命令将该文件下载到目标板并执行。嵌入式系统开发与应用工程实习报告第6页26页6图21JXARM92410LINUX内核开发流程22嵌入式LINUX系统的软件开发环境软件开发平台是嵌入式开发的关键，由于嵌入式硬件平台的存储空间有限、处理器频率较低，很难直接在嵌入式硬件式平台上建立LINUX系统、安装嵌入式开发软件，因此只能采用嵌入式交叉开发环境来解决这个问题。通过建立开发环境我们才能更方便的进行BOOTLOADER移植、LINUX内核移植以及GUI系统开发等。221交叉开发环境由于嵌入式系统的硬件资源的局限性，在嵌入式系统的开发过程，通常都要借助于交叉开发环境，这样我们可以在开发主机上安装开发工具，编辑，编译目标的引导程序，内核和文件系统，然后在目标板上调试运行。交叉开发方式的好处是一方面开发者可以在熟悉的主机环境下进行程序开发；另外一方面可以真实地在目标板上调试运行程序，可以避免受到目标板硬件的限制。222目标板与主机之间的连接嵌入式系统开发与应用工程实习报告第7页26页7目标板与主机之间的连接有串口，以太网接口，USB接口以及JTAG几口等连接方式。（1）串行通讯接口。常用9针串口和25针串口。通过串口可以作为控制台，向目标板发送命令，显示信息；也可以通过串口传送文件以及调试内核及程序。通常串口设备的驱动实现比较简单，缺点是通讯网络速率慢，不适合大数据量传输。（2）以太网接口。以太网高度灵活，相对简单，易于实现等特点，是当今最重要的一种局域网组网技术。网络接口一般采用RJ45标准插头，PC机上一般都配置10M/100M以太网卡，通过以太网连接和网络协议，可以实现快速的数据通讯和文件传输。缺点是驱动程序实现比较麻烦。（3）USB接口。USB（UNIVERSALSERIALBUS）接口，支持热拔插，具有即插即用的优点，支持热拔插，通讯速率也很快。缺点是USB设备分主从端，两端分别要有不同的驱动程序支持。（4）JTAG等接口。JTAG是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路测试接口，通过JTAG测试工具对芯片的核进行测试。目前大多数比较复杂的器件都支持JTAG协议，如ARM，DSP，FPGA器件等，标准的JTAG接口是四线，TMS，TCK，TDI，TDO，分别为测试模式选择，测试时钟，测试数据输入和测试数据输出等。223文件传输主机端编译的LINUX内核映像必须下载到目标板上执行，通常是由目标板的引导程序负责把主机端的映像文件下载到内存中。根据不同的连接方式，可以有多种文件传输方式。（1）串口传输方式。主机端通过KERMIT、MINICOM、或者WINDOWS超级终端等工具通过串口发送文件，在发送之前需要配置数据传输率和传输协议，目标板端也要做好接受准备。（2）网络传输方式。网络传输方式一般采用TFTP（TRIVIALFILETRANSPORTPROTOCOL）协议。TFTP协议是一种简单的网络传输协议，基于UDP传输，没有传输控制，是一种不可靠的传输协议。但是其协议简单，容易实现。在使用TFTP传输之前，需要驱嵌入式系统开发与应用工程实习报告第8页26页8动目标板以太网接口并且配置IP地址。（3）USB接口传输方式。USB接口方式需要在主机端安装驱动程序，识别目标板设备后，可以传输数据。（4）JTAG接口传输方式。JTAG仿真器与主机之间的连接通常都是串口、并口、以太网接口或者USB接口。传输速率会受到主机连接方式的限制。（5）移动存储设备。如果目标板上有软盘、CDROM、USB盘等移动存储介质，就可以制作启动盘或者复制到目标板，从而引导系统。224建立交叉开发平台的几种方案要进行嵌入式LINUX系统开发，我们需要在一台装有LINUX操作系统的PC机，在此PC机上运行交叉编译工具，LINUX采用REDHAT90，具体有以下几种方案（1）采用VMWARE。VMWARE是一个可运行在WINDOWS平台的“虚拟PC”软件，它可以在一台机器上同时运行二个或更多个WINDOWS、DOS、LINUX系统。而且每个操作系统你都可以进行虚拟的分区、配置而不影响真实硬盘的数据。VMWARE主要的功能有不需要分区或重开机就能在同一台PC上使用两种以上的操作系统；完全隔离并且保护不同OS的操作环境以及所有安装在OS上面的应用软件和资料；不同的OS之间还能互动操作，包括网络、周边、文件分享以及复制贴上功能；有复原（UNDO）功能；能够设定并且随时修改操作系统的操作环境，如内存、磁碟空间、周边设备等等。（2）使用CYGWIN。CYGWIN是一个在WINDOWS平台上运行的UNIX模拟环境，是CYGNUSSOLUTIONS公司开发的自由软件。它对于学习UNIX/LINUX操作环境，或者从UNIX到WINDOWS的应用程序移植，或者进行某些特殊的开发工作，尤其是使用GNU具集在WINDOWS上进行嵌入式系统开发，非常有用。随着嵌入式系统开发在国内日渐流行，越来越多的开发者对CYGWIN产生了兴趣。（3）在硬盘上的独立分区上安装LINUX操作系统。225安装LINUX操作系统为了开发方便，我们选择了其中较为熟悉的的第一种和第三种方案，对于内存不小于512M和主频较高的PC机适合使用VMWARE，VMWARE默认使用PC机一半的内存，内存较小PC机将会运行很慢，所以配置相对较低的PC机不适合采用此方案。因为我们所在的网络问题，我们这里主要采用第一种方案进行平台研究。嵌入式系统开发与应用工程实习报告第9页26页9在VMVARE上安装LINUX与普通装机大同小异，即可以设定从物理光盘安装，也可以采用使用映像ISO文件安装，这里我们使用ISO映像文件进行安装，安装光盘为REDHAT90。下图为CDROM设置界面设置好ISO映像文件后，点击开始按钮，就可以安装了，如果对LINUX系统不是很熟悉，最好选择完全安装，否则在交叉编译过程中，可能会提示缺少文件。完全安装会需要较长时间，所以这里我们自定义安装，大概二十分钟即可安装完成。注安装虚拟机详细步骤下载VMWARE解压后根据提示正确安装VMWARE到硬盘中1建立虚拟机A用鼠标左建双击桌面中的“VMWAREWORKSTATION“图标，运行虚拟机B建立一台虚拟机。点击“FILE文件”“NEW新建”“NEWVIRTUALMACHINE新建虚拟机”，弹出虚拟机创建菜单。C根据向导一步一步地创建虚拟机，首先选择安装方式是“TYPICAL典型”还是“CUSTOM自定义”安装。我这里选择典型。D因为这里是用于安装REDHAT，在不晓得安装LUNIX操作系统版本时候我们选择“REDHATLINUX”，选择“LINUX“，点击下一步。E在VIRTUALMACHINENAME虚拟机名字中输入你想建立的虚拟机的名字F在LOCATION位置中选择虚拟机的安装位置。因为会在虚拟机中安装操作系统和应用软件，所以建议将虚拟机安装在一个有较大空间的磁盘分区中G如果你的电脑连接在网络中，那么选择一个合适的网络环境。我这里选择USEBRIDGEDNETWORKING使用路由网络H点击FINISH,返回VMWARE主界面，LINUX虚拟机就建好了。（2）安装操作系统A选中LINUX虚拟机，点击VMWARE工具栏中的POWERON按钮，启动LINUX虚拟机B然后插入REDHAT73光盘，虚拟系统根据你选择的安装方式开始安装。（3）从硬盘安装REDHAT90如果你认为从光驱中安装比较费时间，又不方便，那你可以将光盘文件转换成ISO文件拷贝在硬盘中，然后从硬盘安装。A点击SETTINGS设置CONFIGURATIONEDITOR编辑配置进入设置界面对虚拟机嵌入式系统开发与应用工程实习报告第10页26页10进行配置。B在HARDWARE硬件选项中，选择DVD/CDROMIDE10项，在左边的选项中进行设置。C在CONNECTION连接选项选中USEISOIMAGE使用ISO镜像包，然后点击BROWSE预览按钮，找到放置ISO文件的目录。D在打开对话框中选择REDHATISO文件，然后点击打开，将ISO文件打开如果第一个ISO文件安装完后，计算机提示你插入第二张光盘，则在此选择REDHATISO，如此类推E在VIRTUALDEVICEMODE虚拟设备模式选择虚拟设备的接口方式，选择IDEO0项然后点击OK返回到虚拟机界面下，点击POWERON就可以直接从硬盘安装操作系统了安装完操作系统后，我们需要安装VMWARETOOLS，把CDROM设置为VMWARE的安装路径（默认为“CPROGRAMFILESVMWAREVMWAREWORKSTATION”）下的LINUXISO文件，进入LINUX操作系统，运行以下命令我们可以看到有两种格式的安装包，我们选择RPM格式，安装过程如下如果系统不支持RPM格式安装，可以使用TAR格式，由于我们挂载的ISO文件是只读的，所以需要把安装包复制到工作目录，然后解压安装。安装VMWARETOOLS有助于我们在WINDOWS和LINUX系统下共享文件，打开VMWARE下新安装的LINUX操作系统的设置菜单，点击OPTION选项，在SHAREDFOLDERS中设置共享目录，进入LINUX系统的/MNT/HGFS目录下，看有没有我们共享的文件，如果有，说明设置成功了。23配置主机的TFTP服务TFTP全称为TRIVIALFILETRANSFERPROTOEOL及简单文件传输协议。检查宿主机端的TFTP服务是否已经开通,，开通宿主机上的TFTP服务，对于REDHAT90，在宿主机上执行嵌入式系统开发与应用工程实习报告第11页26页11SETUP选择SYSTEMSERVICES图22将其中的TFTP一项选中，并去掉IPCHAINS和IPTABLES两项服务。然后还要选择FIREWALLCONFIGURATION，选中NOFIREWALL。嵌入式系统开发与应用工程实习报告第12页26页12图23图24最后，退出SETUP，执行如下命令以启动TFTP服务SERVICEXINTEDRESART若TFTP服务器没有配置成功，需要按照上述步骤重新检查一遍。嵌入式系统开发与应用工程实习报告第13页26页1324交叉编译工具交叉编译器是一种可以在平台A上为另一种平台B编译程序的编译器。其中，运行交叉编译器的平台A称为宿主机，交叉编译生成的目标文件的运行平台B称为目标机。交叉编译器的编译过程称为交叉编译。一个完整的ARMLINUX交叉编译器包括ARMLINUXGCC、GLIBC、BINUTILS等组件。其中，ARMLINUXGCC是为ARM平台编译C程序的编译器；GLIBC是嵌入式C程序所需的基本函数库；BINUTILS包含一组二进制工具。所以交叉编译器又称为交叉编译工具链。3系统设计31安装LINUX操作系统安装好LINUX系统的虚拟机，打开电源，进入到LINUX操作系统界面图31LINUX操作系统界面嵌入式系统开发与应用工程实习报告第14页26页1432配置以太网321配置以太网卡图32网络接口连接情况322检查以太网口是否配置正确嵌入式系统开发与应用工程实习报告第15页26页15图33以太网接口连接情况323检查LINUX操作系统的网络接口是否被激活选择系统工具网络适配控制，并激活接口图34激活网络接口嵌入式系统开发与应用工程实习报告第16页26页16324设置以太网的IP设置虚拟机LINUX的IP有俩种方式（一）、手动设置，点击上图的配置，进入配置界面，选择静态设置的IP，如下图图35设置LINUX的IP地址（二）、通过指令，也可对其进行设置IFCONFIGETH01921681160上述俩种方式可自行选择，设置完成后可在终端使用IFCONFIG，看看虚拟机LINUX的IP是否设置成功。33配置TFTP服务器点击开始系统设置服务器设置服务，勾选VSFTP服务，并重启服务。嵌入式系统开发与应用工程实习报告第17页26页17图36启动VSFTPD34配置本机的IP地址要与虚拟机LINUX的IP在同一个网段，这样主机就能就能与虚拟机进行通信图37设置主机的IP地址嵌入式系统开发与应用工程实习报告第18页26页1835新建用户使虚拟机能与主机之间共享文件351新建用户测试下主机和虚拟机之间是否能进行通信，若是能PING通，我们要在虚拟机LINUX上新建一个用户，使主机能通过FTP访问，方便之间实现文件的共享。图38新建一个用户注若是上面步骤中，还不能PING通，检查下自己电脑的IP和虚拟机LINUX的IP是否在同一网段，还有看看主机的防火墙有没有关闭等等352使用软件FLASHFXP在主机建立FTP输入虚拟机用户名、虚拟机LINUX的IP以及密码，之后建立连接。嵌入式系统开发与应用工程实习报告第19页26页19图39主机与虚拟机建立通信353文件传输将桌面上的CROSS2953TAR和LINUXJX2410TARGZ压缩包移动到虚拟机LINUX用户里图310文件传输嵌入式系统开发与应用工程实习报告第20页26页2036建立交叉编译环境直接将CROSS2953TAR压缩文件解压到USR/LOCAL/ARM中即可图311交叉编译器的解压37LINUX内核的配置和编译371配置LINUX内核CD/HOME/CVTECH/JX2410/LINUXMAKEMENUCONFIG启动菜单配置工具后，选择LOADANALTERNATECONFIGURATIONFILE选项，然后确认（左右箭头键移选择到SELECT,然后键入回车键）。该选项载入JX2410的标准配置文件CONFIGJX2410,此文件保存在/HOME/CETCH/JX2410/LINUX目录下，请不要修改这个文件。在提示框中键入CONFIGJX2410配置文件名，然后单击OK按钮确认，将退回到主菜单。然后按ESC键退出，并将提示是否保存，请单击YES保存。嵌入式系统开发与应用工程实习报告第21页26页21图312配置内核372建立依赖关系MAKEDEP373编译内核编译可以通过MAKE或者MAKEZIMAGE进行编译，他们的差别在于MAKEZIMAGE将MAKE生成的核心进行压缩，并加入一段解压的启动代码，本实验采用MAKEZIMAGE编译MAKEZIMAGE生成LINUX映像文件ZIMAGE保存在/HOME/CETECH/JX2410/ARCH/ARM/BOOT/目录下面。38超级终端设置381主机建立TFTP服务器嵌入式系统开发与应用工程实习报告第22页26页22图313主机建立FTP服务器382配置超级终端运行WINDOWS操作系统下的超级终端HYPERTERMINAL应用程序，如下图所示，新建一个终端通信，取名为JXARM92410。单击“确定”按钮。图314建立超级终端选择终端连接串口，如串口2，设置通信格式和协议每秒位数选择115200，数据流控制选择无设置完成超级终端后，使用串口连接线连接设定的计算机串口与JXARM9嵌入式系统开发与应用工程实习报告第23页26页2324103的串口0，将JXARM924103上电，看超级终端中是否有打印信息，如果有，则表示配置正确。图315配置超级终端的IP39下载LINUX核心并运行首先将需要下载的内核映像和RAMDISK文件拷贝到主机的D/TFTPD32J目录中。将JXARM92410的串口1与PC的串口1连接，将JXARM92410的网卡和PC的网卡使用直连网线进行连接，或者将JXARM92410和PC机使用普通网线接入同一局域网。然后将JXARM92410上