基于AT91SAM9G20构建嵌入式Linux系统

 本文中使用的目标平台AT91SAM9G20是Atmel公司使用ARM926EJ-S处理器内核开发的一块SoC嵌入式微处理器，主频达到400MHz，具有Atmel 先进的外设DMA 和分布式存储器架构，连同6层总线矩阵，可实现存储器、外设和外部接口之间的多重数据同时传送，而无需耗费CPU的时钟周期。与引脚兼容的200 MHz AT91SAM9260相比，AT91SAM9G20提供多达4倍的高速缓存和片上 SRAM 内存，并具有增强的外接 NAND 闪存错误校正功能，以及更大的以太网 FIFO，能够减少传输延迟。其外部总线接口(EBI)的时钟频率为133
MHz，用于片外存储器的高速数据传送。这些特性使得开发人员可以将WindowsCE和Linux等操作系统移植到基于这块微处理器的目标系统中。

       操作系统也是嵌入式系统的重要组成部分。当今的嵌入式操作系统各种各样，有VxWorks、QNX、Palm OS，Windows CE、Linux， uClinux，ucos ii等，每种操作系统都有其与众不同之处，本文移植的嵌入式操作系统为Linux。广泛开放源代码的Linux应用已经被移植到嵌入式的运行环境中，可以任意剪裁和修改后将其移植入自己的硬件平台上，因此使用Linux开发嵌入式操作系统，可以加快嵌入式系统的开发速度，缩短产品进入市场的时间。

       本文的工作主要包括Boot loader实现，Linux内核移植、文件系统的实现三个部分。

       搭建交叉开发环境

       在移植操作系统之前，首先要在一台装有Linux的PC机上搭建好开发环境，例如我们的宿主机为Ubuntu10.04，为获得所有操作权限，以root身份登录宿主机Linux系统。在 usr/local/目录下建立arm路径，下载交叉编译工具arm-linux-gcc-4.3.2.tgz，将之复制到文件夹/usr/local/arm/下，并将其解压；最后需要修改环境变量，设置默认交叉编译工具为arm-linux-gcc-4.3.2。利用Linux下编辑工具(如vim)打开/root/.bashrc文件，在文件末尾添加如下代码:

       if

       [ -d /usr/local/arm ] ;

       then PATH=/usr/local/arm/4.3.2/bin:"${PATH}"

       fi

       到此交叉编译工具搭建完毕，为验证交叉编译工具是否搭建成功，可以在终端下输入命令 arm-linux-gcc -v，搭建成功后会在终端下显示arm-linux-gcc的版本。注意此处必须注销用户，重新登录系统后设置才会生效。

       引导程序

       系统上电之后，需要一段程序来进行初始化：关闭看门狗、改变系统时钟、初始化存储控制器、将更多的代码复制到内存中等，这段程序被称为Boot loader。简言之Boot loader就是在系统上电后开始执行，初始化硬件设备、准备好软件环境、最后调用操作系统内核。Boot loader的实现非常依赖与具体的硬件，在嵌入式系统中硬件配置千差万别，即使是相同的CPU，外设资源也不尽相同，因此需要根据特定的硬件进行移植。

       Boot Loader包含两种不同的操作模式：启动加载模式和下载模式。上电后，Boot loader从板子上的某个固态存储设备上将操作系统加载到RAM中运行，整个过程没有用户的介入，一般用于最终产品。下载模式下则在开发过程中使用，开发人员可以使用各种命令，通过串口或网络等通信手段从宿主机下载文件(比如内核映像，文件系统映像)，将它们直接放入内存或是烧入flash类固态存储设备中。

       为了在AT91SAM9G20上实现嵌入式操作系统运行，AT91SAM9G20采用了三.级引导方式，其Boot Loader程序由三部分组成，即RomBoot、Bootstrap和U-Boot，三.级引导程序的流程如图1所示。





图1：三.级引导程序的流程图

       第一级引导程序Romboot固化在AT9lSAM9G20内部，上电或复位后先运行这段引导代码，其作用是将存储于外部FLASH第二级引导程序Bootstrap加载到CPU内部的SRAM中执行。Bootstrap存储在外部FLASH的前4KB空间，其功能包括初始化时钟、SDRAM控制器以及DEBUG串口等硬件资源，并将第三 级引导程序U-Boot从FLASH加载到SDRAM执行。U-Boot将嵌入式Linux操作系统从FLASH引导和加载到SDRAM中，并将CPU的控制权交给Linux。

       本次移植使用的U-boot的版本为1.3.4，限于篇幅，本文不做详细的介绍。

       内核的裁剪编译

       1.准备工作

       从Linux官网下载linux内核源码linux-2.6.30.tar.bz2，并从Atmel官网下载at91sam9g20的补丁文件(2.6.30-at91.patch.gz 和2.6.30-at91-exp.3.tar.gz)。在宿主机Linux开发环境下，建立自己的工作目录，例如工作目录为home/work/，将上述三个文件拷贝至工作目录下，解压Linux2.6.30，并将2.6.30-at91.patch.gz和2.6.30-at91-exp.3.tar.gz拷贝至Linux2.6.30根目录下，同时解压2.6.30-at91-exp.3.tar.gz。完成此部分工作如下图2所示。





图2：准备工作完成

2.添加补丁文件

进入上述linux-2.6.30根目录，执行如下两条命令：

zcat 2.6.30-at91.patch.gz | patch -p1

for p in 2.6.30-at91-exp.3/*; do patch -p1 < $p ; done

执行成功之后，即将从ATMEL官网下载的针对at91sam9g20的补丁文件添加进linux-2.6.30内核中，包括驱动程序，内核配置文件等。

3.U-boot引导Linux内核启动

a、机器码的确定

通常，在u-boot和kernel中都会有一个机器码(即：MACH_TYPE)，只有这两个机器码一致时才能引导内核。首先，确定U-boot中的MACH_TYPE，在U-boot的include/asm-arm/mach-types.h文件中针对不同的CPU定义了非常多的MACH_TYPE，可以找到下面这个定义：

#define MACH_TYPE_AT91SAM9G20EK_2MMC 2288

其次，确定kernel中的MACH_TYPE。在Linux2.6.30的arch/arm/tools/mach-types文件中也针对不同的CPU定义了非常多的MACH_TYPE，也可以找到下面这个定义

at91sam9g20ek_2mmc MACH_AT91SAM9G20EK_2MMC AT91SAM9G20EK_2MMC    2288

只有这两者定义一致，u-boot才能完成对内核的引导，否则就会出现mach的错误信息。

b、添加引导地址

位于内核平台arm目录kernel下的head.S文件是用汇编代码完成的，它是内核最先执行的一个文件。这一段汇编代码的主要作用，是检查cpu id，architecture number，初始化页表、cpu、bbs等操作，并跳到start_kernel函数。

找到ENTRY(stext)，添加如下代码：

ENTRY(stext)

mov r0， #0

mov r1， #0x8f0

ldr r2， =0x20000100

其中r1存放是是architectureID(2288十六进制为0x8f0)，r2存放 atags 指针。 Linux内核的启动顺序如图3所示。





图3：Linux内核的启动顺序

4.配置和编译

首先要配置编译工具，打开Linux的根目录下的Makefile文件，找到下面的代码进行修改：

export KBUILD_BUILDHOST := $(SUBARCH)

ARCH     ?= arm

CROSS_COMPILE    ?= /usr/local/arm/4.3.2/bin/arm-linux-

制定平台为arm平台，交叉编译工具为arm-linux-gcc-4.3.2；保存之后进入linux-2.6.30根目录，执行以下命令：

#make distclean

#make clean

此步骤删除一些以前编译产生的一些中间文件、临时文件，以避免编译出错。最后执行命令

#make at91sam9g20ek_2mmc_defconfig

#make uImage

即根据at91sam9g20配置内核，并编译生成内核映像文件，其中make uImage是U-boot编译生成的工具，在uboot的/tools目录下寻找mkimage文件，将其复制到系统/usr/local/bin目录下，这样就可以运行make uImage命令。编译完成之后(大概需要十几分钟)，便可以在arch/arm/boot/目录下发现uImage文件，就是我们需要的内核映像文件，下载至工控板便可以运行。

5.修改和添加驱动程序

以上步骤生成的内核映像文件是按照Atmel官网的配置进行裁剪修改的，由于实际硬件配置的不同，就要针对具体的硬件设备修改相应的驱动程序，在Linux内核中增加驱动程序需要完成以下3项工作：

将编写的源代码复制到Linux内核源代码的相应目录中。在目录的Kconfig文件中增加新源代码对应项目的编译配置选项。在目录的Makefile文件中增加对新源代码的编译条件。

以添加nandflash驱动程序为例进行说明。at91sam9g20工控板的存储芯片芯片采用三星的K9F2G08U0A实现，针对at91sam9g20编写此芯片驱动，例如驱动文件为9g20_nandflash.c，将此文件添加至/linux2.6.30/driver/mtd/nand目录下，并修改Kconfig和Makefile文件。其中Makefile文件添加

obj-$(CONFIG_MTD_NAND_ATMEL)     += 9g20_nandflash.o

Kconfig文件中添加如下代码：

config MTD_NAND_ATMEL

tristate "Support for SAM9G20 NAND Flash"

depends on ARCH_AT91

help

完成之后在linux2.6.30根目录执行make menuconfig，选择nandflash驱动程序。如下所示。

Device Drivers --->

<*> Memory Technology Device (MTD) support --->

<*> NAND Device Support --->

<*> Support for SAM9G20 NAND Flash

其中配置内核文件，选中要配置的选项，此时按下“Y”键，将此选项编译进内核，按下“M”键，将此选项编译成内核模块，按下“N”键表示从内核中删除此选项。

如需要添加分区信息，则在board-sam9g20ek-2slot-mmc.c文件中添加NAND闪存的分区表：

static struct mtd_partition __initdata ek_nand_partition[] = {

{

.name = "BootLoader"，

.offset = 0，

.size = 0x00200000，

}，//0分区

{

.name    = "Linux Kernel"，

.offset    = 0x00200000，

.size    = 0x00200000，

}，//2M

{

.name    = "Cramfs"，

.offset    = 0x00400000，

.size    = 0x00A00000，

}，//10M

{

.name    = "FS"，

.offset    = 0x00E00000，

.size    = 0x0F200000，

}，

};

保存后，重新编译内核，即可生成带有nandflash驱动的内核映像文件。

按照上述分区表进行分区，nandflash的资源分布如图4所示，我们可以看到引导程序所说明的Bootloader在闪存中的存储情况，Linux内核以及下文要阐述的文件系统在此工控板上的存储情况。





图4：NAND闪存的资源分布图

文件系统的实现

选择文件系统，要根据具体应用的需求，一般要考虑可靠性，健壮性和增强的需求。如果是像工控这样的不需经常更新控制程序的应用来说，选择CARAMFS这样的只读文件系统已经足够了，而且它还可以带来的另外一个好处就是CRAMFS的压缩率高达50%，可以大大节省我们的存储空间。但是如果是像涉及到数据采集这类需要保存数据的应用来说，只读的文件系统就很难满足应用系统的需求，我们可以选择 JFFS 或者 YAFFS 这样的可读写的文件系统。不过在实际应用中，需要考虑的因素还应该更多。根据不同文件系统的特点，结合本9g20工控板的应用场合，采用了cramfs+jffs2文件系统。

文件系统的制作步骤大致如下：

下载busybox进行编译，生成Linux系统最常用的命令，这里可以根据需求选择常用的系统工具。本文件系统采用busybox-1.14.2，使用交叉编译工具为arm-linux-gcc-4.3.2，这里需要注意的是编译busybox和编译linux内核的交叉编译工具最好使用同一版本的编译工具。

建立文件系统所需要的文件，如下所示：

mkdir /9g20_rootfs

cd /9g20_rootfs

mkdir bin dev etc home lib mnt proc sbin sys tmp usr var

同时将busybox生成的bin和sbin目录拷贝至9g20_rootfs目录下，并将编译busybox所需的动态连接库文件，拷贝至9g20_rootfs /lib目录下。

编写必须的配置文件下，如etc目录下的rcS、inittab、fstab等等文件，并注意文件的执行权限。

下载cramfs制作工具cramfs-1.1.tar，编译后将生成的可执行程序mkcramf拷贝至/usr/bin目录下，即可执行mkcramfs 9g20_rootfs 9g20.cramfs，生成的9g20.cramfs文件就是所需的文件系统。

添加jffs2分区，在/etc/init.d/rcS文件中添加如下命令：

#mount -t jffs2 /dev/mtdblock3 /home

即将mtdblock3以jffs2文件系统方式挂载为home目录，这样/home目录是可读可写，既解决了cramfs只读的限制，同时系统文件是只读，用户程序和数据可读可写，有利于保护系统文件，又减少了文件系统的体积，特别适用于嵌入式系统。

将生成的内核映像和文件系统映像下载至工控板后，可以看到移植完成后，系统正常启动，经测试移植后的系统正常稳定运行。

本文小结

本文系统地阐述了以AT91SAM9G20的ARM9处理器为硬件平台的嵌入式Linux系统的构建过程，并以nandflash驱动为例阐述了Linux下驱动程序的编写步骤，最后给出了文件系统的解决方案。构建嵌入式Linux系统是个复杂的课题，需要对Linux操作系统内核有一定的了解，特别是Linux的启动过程；驱动程序的编写既要熟悉硬件知识，又要熟悉Linux内核数据结构；而且系统的实时性、安全性、稳定性、精简化等方面都需要开发人员在设计中进一步考虑。经过系统测试，本文移植的Linux系统运行稳定，AT91SAM9G20的良好性能得以充分应用，为后续应用程序的开发提供了坚实的基础。

作者:作者：袁莎莎，蒋健，陈炜

参考文献

[1] Atmel Corporation．AT91SAM9G20 Preliminary，2009．

[2] [美]博韦，西斯特，陈莉君，张琼声，张宏伟译．深入理解LINUX内核第三版[M]．北京：中国电力出版社，2007.09．

[3] 韦东山．嵌入式Linux应用开发完全手册[M]．北京：人民邮电出版社，2008.08．

[4] 黄深喜，樊晓平，刘利方，杨胜跃．基于AT91SAM926X的嵌入式LINUX引导程序设计[J]．微计算机应用，2009(30)