转：Linux操作系统在ARM上的移植过程及分析

发表于 2012-1-27 22:07

一. 前言
   面向A R M 微处理器构架的嵌入式操作系统的使用量将在今后五年持续增长，在各种嵌入式操作系统中，Linux是获得支持最多的第三大力量。

   目前，ARM Linux 支持包括A R M 6 1 0 、A R M 7 1 0、A R M 7 2 0 Tcores、ARM920T cores、StrongARM110、StrongARM 1100、XScale 等系列的 ARM 处理器。这些处理器都具有M M U 单元，与之相对应是NO MMU 的uClinux，主要是支持ARM7TDMI 系列的微处理器。在ARM Linux 的基础上，很多开发者将其移植到了自己的硬件平台上，并提交相应的 Machine Type。

本文以实例分析完整地介绍了移植的过程，对于准备在 ARM Linux 上做应用开发的技术人员有一定的借鉴作用。

二. ARM Linux 的移植过程

      将ARM Linux 移植到特定的硬件平台上，大致需要分成四个步骤：
                  1）首先是准备工作，包括下载源码、建立交叉编译环境等；
                  2）然后是配置和编译内核，必要时还要对源码做一定的修改；
                  3）第三步就是需要制作 RAM disk 来挂接根文件系统；
                  4）最后是下载、调试内核并在 RAM disk中添加自己的应用程序。

本文以StrongARM 为例，说明如何将 ARM Linux 移植到 SA1110 微处理器上。
下面分四个部分介绍移植工作：

1.内核源码及交叉编译环境的准备
2.ARM Linux 的内核配置与编译
3.制作RAM Disk
4.内核下载和运行

1.内核源码交叉编译环境和准备

1.1 内核源码下载
   标准Linux 的内核源码可以从ftp://ftp.kernel.org 下载，在很多的镜像ftp 站点上也可以方便地获得，建议使用 2.4 版本的内核。ARM Linux 是基于标准Linux、内核为ARM 做的补丁，在ftp://ftp.arm.linux.org.uk上可以下载。当然也可以直接下载已经针对标准内核打好补丁的ARM Linux源码包，例如 SkyEye 上提供的 linux-2.4.18-rmk7.tar.bz2，就是基于 2.4.18内核和 rmk7 补丁，可以直接解压之后进行编译。

发表于 2012-1-27 22:08

1.2 交叉编译环境的建立

   移植前需要在宿主机上建立ARM 的交叉编译环境，主要用到的开发工具包括三个部分：binutils、gcc、glibc。其中，binutils 是二进制文件的处理工具；gcc 是编译工具；glibc 是链接和运行库。所有需要用到的工具既可以下载源码自行编译，也可以直接下载已经编译好的二进制工具。

1.2.1. binutils 的安装

   binutils主要包含了一些辅助开发工具，例如objdump显示反汇编码、nm列出符号表、readelf显示elf文件信息及段信息、strip将不必要的代码去掉以减少可执行文件大小等。这些工具在嵌入式开发初期，尤其是移植调试操作系统时非常有用。

安装的步骤：
1) 下载安装包文件： binutils-2.11.2.tar.gz；

2) 解开安装包到当前目录下：
   tar  zxf  binutils-2.11.2.tar.gz，此时在当前目录下生成一个 binutils-2.11.2目录。

3) 配置安装包：./configure --target=arm-linux --prefix=/usr/local
   target 选项表示选定的目标代码格式，一般是 arm-linux，prefix 表示在执行 make install 时的安装根路径。

4) 编译和安装：make、make install
注意安装时可能需要 root 权限，在prefix目录下当前用户有写权限，安装成功后，binutils工具将安装在/usr/local/arm-linux 目录下。

1.2.2. gcc 交叉编译器

   gcc 是用来编译内核代码的工具，使用它可以编译汇编语言和C语言的程序，生成ARM的代码。建议使用gcc 2.95以上的版本来创建ARM开发环境，本文使用2.95.3版本。

安装的步骤：
1) 下载安装包文件和补丁程序：gcc-2.95.3.tar.gz；gcc-2.95.3.diff.bz2

2) 解开安装包到当前目录下：
tar zxf gcc-2.95.3.tar.gz，此时在当前目录下生成一个 gcc-2.95.3 目录，进入该目录。

3) 对当前的安装包打补丁：
bzcat ../gcc-2.95.3.diff.bz2 | patch -p1。

4) 修改 gcc/config/arm/t-linux 文件，在文件最后加上如下条件编译选项：
T_CFLAGS = -Dinhibit_libc  -D__gthr_posix_h。

5) 配置安装包：./configure --target=arm-linux --prefix=/usr/local  --with-headers=arm linux源码目录下的include目录。
这里前两个选项和上面binutils的安装类似，--withheaders是用来指定内核头文件的目录，一般就可以使用上面ARM linux的include目录。需要注意的是这里的路径需要用全路径名，而不能使用相对路径。

6 ) 编译源码：make LANGUAGE=“C ”
这里因为还没有一个ARM可用的glibc，所以只能编译C 语言的交叉编译工具。如果在编译好 glibc 之后，就可以回来重新编译gcc，以支持其他语言。

7) 安装编译好的工具：make install LANGUAGE=“C”
安装成功以后，arm-elf-gcc将安装在/usr/local/arm-linux目录下。有了安装好的binutils和gcc工具，就可以用来编译ARM Linux内核了。如果需要在ARM Linux 做应用程序的开发，就还需要一个glibc库的支持。

1.2.3. glibc 库

   glibc 的编译需要为刚才做好的ARM 交叉编译器指定编译器；否则编译出的glibc代码将会是同时有ARM和 x86代码的混和体。

1) 解开安装包：tar zxf glibc-2.2.3.tar.gz。
此时在当前目录下生成一个 glibc-2.2.3 目录，进入该目录。

2) 解开glibc-linuxthreads安装包： tar  zxvf  ../glibc-linuxthreads-2.2.3.tar.gz

3) 设置编译器： CC=arm-linuxgcc

4) 配置安装包： ./configure arm-linux --build=i586-linux --prefix=/usr/local/arm-linux -enable-add-ons
   arm-linux 表示选 ELF 格式的可执行格式，--build=i586-linux 表示用来制作交叉开发环境的宿主机的机器类型，--prefix=/usr/local/armlinux表示安装的路径，这里不能指定为/usr/local，否则会把 /usr/local下的库覆盖掉，需要非常留意。

5) 编译和安装： make; make install
   安装成功后，glibc 库将安装在/usr/local/arm-linux 目录下。

发表于 2012-1-27 22:09

3. 制作RAM disk（RamDisk也就是内存盘的意思）

   所谓的RAM disk，实际上是把系统内存划出一部分当作硬盘使用。对于操作系统来讲内存的存取速度远远大于机械磁盘，所以RAM驱动器肯定要比机械的硬盘快得多。你可以把整个应用程序都安装在RamDisk的驱动器中，然后用内存的速度运行它.

ARM Linux采用RAM disk的方式来装载根文件系统，所有在运行内核之前，需要先制作RAM disk，将必须的文件和设备加入到RAM disk中,当内核启动后，会从指定地址去读取根文件系统，这里我们使用RAM disk，在内存中虚拟一个磁盘，具体方法如下：

1）首先创建一个512k的虚拟磁盘，文件名为initrd.img:
dd if=/dev/zero of=initrd.img bs=1k count=512

2）将虚拟磁盘文件格式化成ext2文件系统格式：
   mkfs.ext2 -c initrd.img
这就生成了一个支持ext2文件系统的ramdisk

3）添加文件和设备
mount这个文件系统到/tmp下，mount -o loop -t ext2 initrd.img /tmp

4）向/tmp中添加linux启动必须的文件和设备
/bin/sh
/bin/init
/dev/console
/etc/rc
/etc/motd
以上这几个程序和设备是启动Linux必须的，这样得到的ram disk大约是400k。

代码:针对这几个目录的解释（感谢david的搜集整理）
.
/bin/sh （/bin/sh是一个SHELL，用来启动系统时执行很多脚本程序的）
/bin/init init进程的启动程序，在核内引导完成后,LINUX KERNEL都会执行/sbin/init,/etc/init or /bin/init
/dev/console 是系统控制终端,可以理解为console指向激活的那个tty（准确地说是激活的那个tty才将输出显示到console）
/etc/rc 当改变服务的运行级别时，此文件负责启动/停止服务
/etc/motd  在管理员希望向 Linux 服务器的所有用户传达某个消息时使用,比如登陆时会打印出来这里面的内容

发表于 2012-1-27 22:10

本帖最后由 CPU单线程于 2012-1-27 22:12 编辑

4.内核的下载和执行

4.1.内核下载
   内核的下载一般通过bootloader来完成的，当然也可以通过修改arch/arm/Makefile文件来设置自己的TEXTADDR；TEXTADDR的值在make时传递给arch/arm/vmlinux.lds，在链接时，arm-linux-ld将使用vmlinux.lds来定位内核的起始地址。

如果是压缩的内核，则可以在make menuconfig时，选择General setup->
      Compressed boot loader in ROM/flash
      (0) Compressed ROM boot loader base address
      (c0000000) Compressed ROM boot loader BSS address

这里缺省的Compressed ROM boot loader base address是0。

4.2. RAM disk下载

   RAM disk的下载也是通过bootloader来完成的，它的下载底子好是在内核源码文件arch/arm/machsa1100/assaber.c中定义的，在fixup_addabet()函数中设置了：
   t->u.initrd.start = 0xc0800000;
   t->u.initrd.size = 3 * 1024 * 1024;

我们制作的ram disk只有512k，所以需要修改t->u.initrd.size = 512 * 1024；下载地址为0xc0800000

4.3 内核运行
根据硬件情况修改源码编译之后，就可以通过bootloader下载执行了，内核运行时会通过串口向主机上的超级终端输出启动信息；当ARM linux启动并进入shell之后，就可以运行用户编写的应用程序了，添加自己的应用一般分为两个步骤：
1）交叉编译得到应用程序的可执行文件（elf格式）
2）将该可执行文件添加到ram disk中

【全文完】

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