張成法 李 楠

基于ARM9的嵌入式Linux系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張成法 李 楠

隨著計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)逐漸發(fā)展為計算機(jī)應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域，在生活中得到了普遍的應(yīng)用。本文通過搭建嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺、對嵌入式Linux系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建、移植設(shè)備驅(qū)動程序和介紹嵌入式GUI應(yīng)用程序開發(fā),討論了基于ARM9微處理器的嵌入式Linux系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。該系統(tǒng)為嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計提供了一種可行的方案。

嵌入式系統(tǒng);Linux;驅(qū)動程序;ARM9

一、引言

嵌入式系統(tǒng)作為一種專用的計算機(jī)系統(tǒng)。它以計算機(jī)技術(shù)作為基礎(chǔ)，以應(yīng)用作為中心，并且其硬件和軟件都可以裁剪。它能夠滿足應(yīng)用系統(tǒng)對功耗和可靠性的嚴(yán)格要求。嵌入式系統(tǒng)具有實時性高、系統(tǒng)內(nèi)核小的特點。嵌入式Linux 是一種操作系統(tǒng)，它能夠運行在嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)上。代碼開放，版權(quán)免費[2]是它與其它操作系統(tǒng)相比的優(yōu)勢，嵌入式Linux有非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,主要應(yīng)用于工業(yè)控制、大屏幕功能手機(jī)、信息家電、醫(yī)療電子等領(lǐng)域。本文從應(yīng)用出發(fā),著重對一個嵌入式Linux系統(tǒng)進(jìn)行研究、設(shè)計及實現(xiàn)。

二、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺的搭建

硬件結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)這兩部分組成了一個完整的嵌入式系統(tǒng)，其中嵌入式處理器和外圍的接口電路是硬件結(jié)構(gòu)的主要組成部件，而嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序則是軟件系統(tǒng)的主要組成部分。

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺的搭建主要包括硬件開發(fā)平臺、軟件開發(fā)平臺和交叉開發(fā)環(huán)境的搭建[1]。

(一) 硬件開發(fā)平臺的搭建

嵌入式系統(tǒng)硬件平臺的搭建主要是圍繞目標(biāo)板和主機(jī)這兩方面進(jìn)行的，目標(biāo)板選用的是采用嵌入式處理器的開發(fā)板作為硬件開發(fā)平臺，主機(jī)選用的是PC機(jī)。

通過對當(dāng)前主流的嵌入式處理器綜合性能的比較，又依據(jù)嵌入式軟件開發(fā)要求嵌入式處理器要具有性能高、功耗低等特點，因此選取ARM處理器作為本文的嵌入式處理器。由于本文重點從應(yīng)用開發(fā)方面來設(shè)計嵌入式系統(tǒng)，選用ARM9系列的S3C2440A處理器比較合適，因此目標(biāo)板采用的是基于芯片S3C2440A的開發(fā)板作為硬件開發(fā)平臺。

(二) 軟件開發(fā)平臺的搭建

軟件開發(fā)平臺的搭建主要圍繞選擇何種類型的嵌入式操作系統(tǒng)而進(jìn)行。嵌入式Linux、μC/OS‐Ⅱ和VxWorks等是當(dāng)前在嵌入式領(lǐng)域涌現(xiàn)出來的幾種著名的操作系統(tǒng)。通過對這幾種操作系統(tǒng)的比較，發(fā)現(xiàn)嵌入式Linux具有較多的優(yōu)勢：第一，它提供開發(fā)套件；第二，嵌入式Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核更新速度較快，具有較高的安全可靠性，內(nèi)核不僅小，而且可以裁減；第三，它的開發(fā)者可以從眾多的愛好者中獲得強(qiáng)大的技術(shù)支持，由于源代碼開放，不收費，所以在價格上具有很大的競爭力。因此，本文的嵌入式操作系統(tǒng)最終選用了嵌入式Linux。

(三) 交叉開發(fā)環(huán)境的搭建

本系統(tǒng)設(shè)計采用宿主機(jī)-目標(biāo)機(jī)(HOST-TARGET)的開發(fā)模式, 宿主機(jī)采用的是PC機(jī)，將Linux操作系統(tǒng)安裝于宿主機(jī)上，目標(biāo)機(jī)采用S3C2440A開發(fā)板。將相應(yīng)的ARM交叉編譯工具鏈arm-linux-gcc安裝到ubuntu系統(tǒng)中，然后利用這個交叉編譯工具對源代碼進(jìn)行編譯，最后得到能夠在目標(biāo)機(jī)上運行的程序。

三、嵌入式Linux系統(tǒng)的構(gòu)建

嵌入式Linux系統(tǒng)的構(gòu)建主要包括下面三個部分。

(一) Bootloader的移植

考慮到U-Boot的功能比較強(qiáng)大，并且能夠很好的支持S3C2440A芯片，同時調(diào)試程序更方便,因此本系統(tǒng)的Bootloader選用了U-Boot。U-Boot的移植包括處理器相關(guān)文件的修改、存儲器的配置和Makefile文件的修改，當(dāng)這些都完成后，最后再對U-Boot進(jìn)行編譯。

(二) Linux2.6內(nèi)核的移植

首先要得到Linux源代碼,這可以從它的官方網(wǎng)站獲得，然后修改Makefile文件,修改內(nèi)核的機(jī)器碼和平臺的時鐘頻率,同時設(shè)置分區(qū)結(jié)構(gòu);當(dāng)完成上述工作后,接下來要對內(nèi)核進(jìn)行縮剪,并對內(nèi)核進(jìn)行配置, 當(dāng)內(nèi)核被配置完成后,再執(zhí)行命令對內(nèi)核進(jìn)行編譯,內(nèi)核被成功編譯后,就會生成其鏡像文件,然后將其下載到開發(fā)板。

(三) Linux文件系統(tǒng)的創(chuàng)建和實現(xiàn)

根文件系統(tǒng)的制作可以由busybox來完成。利用菜單配置命令就可以對BusyBox進(jìn)行配置。

四、嵌入式Linux系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動移植

本系統(tǒng)以LCD模塊為例講述Linux系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動移植過程。首先要修改Linux內(nèi)核源碼中的文件s3c2410fb.c中的程序，可以實現(xiàn)設(shè)置LCD時鐘頻率，然后在文件mach-smdk2440.c中, 添加一些參數(shù)，這些參數(shù)在對LCD控制器進(jìn)行初始化的時候會被用到，然后對內(nèi)核配置單進(jìn)行修改,這樣就完成了LCD設(shè)備驅(qū)動程序的移植。

五、構(gòu)建平臺的嵌入式GUI系統(tǒng)

本平臺的嵌入式GUI系統(tǒng)采用的是Qt/Embedded，采用宿主機(jī)-目標(biāo)機(jī)交叉的開發(fā)模式對基于Qt/Embedded的嵌入式GUI應(yīng)用程序進(jìn)行開發(fā)。

首先，Qt應(yīng)用程序的編寫是在Qt/X11環(huán)境下，當(dāng)程序編寫完成后，要在宿主機(jī)上進(jìn)行調(diào)試直到滿足項目要求，然后對Qt應(yīng)用程序再次進(jìn)行編譯，將得到的可執(zhí)行文件運行在QVFB上，它可以模擬應(yīng)用程序在實際ARM9平臺上的運行效果, 最后,使用工具對應(yīng)用程序再次進(jìn)行編譯就可以得到可執(zhí)行程序，當(dāng)然，所得到的可執(zhí)行程序是能夠運行于S3C2440A芯片上的，然后再將可執(zhí)行程序下載到開發(fā)板上就可以了?；赒t/Embedded的嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)過程如下圖所示。

嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)流程圖

六、結(jié)束語

文中從實際應(yīng)用出發(fā),提出了嵌入式Linux系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)方案,給出了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺的搭建、嵌入式Linux系統(tǒng)的構(gòu)建、硬件設(shè)備驅(qū)動程序移植和嵌入式GUI應(yīng)用程序開發(fā)的實現(xiàn)方法。為用戶設(shè)計嵌入式Linux系統(tǒng)提供了解決方案和便利。(作者單位：濰坊工程職業(yè)學(xué)院)

[1] 趙揚(yáng). 基于嵌入式Linux的考勤系統(tǒng)研究與設(shè)計[D]．吉林: 吉林大學(xué),2015.

[2] 劉哲峰．嵌入式Linux音頻設(shè)備的驅(qū)動設(shè)計與研究[D]．太原: 太原理工大學(xué)， 2010．

張成法(1984-)，男，山東青州人，碩士研究生，研究方向：單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)。