趙娜靖，佟志勇，李超然，李 勇，楊自恒，*

(1.黑龍江大學 電子工程學院，哈爾濱 150080；2.黑龍江省軍區(qū)，哈爾濱 150001)

0 引 言

嵌入式技術的發(fā)展趨勢更傾向于自動化控制和人機交互。未來全面信息化及數(shù)字智能化的生產(chǎn)方向，使得嵌入式技術獲得了巨大的發(fā)展空間。嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)軟件平臺的核心，操作系統(tǒng)是管理計算機硬件資源，控制其他程序運行并為用戶提供交互操作界面的系統(tǒng)軟件的集合，是計算機系統(tǒng)的關鍵組成部分[1]。目前流行的現(xiàn)代操作系統(tǒng)主要有Linux、Android、Berkeley Software Distribution(BSD)、iOS、Windows等。

目前，大多數(shù)嵌入式設備所應用的都是Linux操作系統(tǒng)。針對嵌入式系統(tǒng)，Linux內(nèi)核也在不斷更新與改進[2]。在Linux3.x之前版本的內(nèi)核源碼中，有大量的描述板級細節(jié)信息的冗余代碼，設備樹的引入有利于底層硬件規(guī)范化描述，使代碼不再冗余；內(nèi)核鏡像能支持多種平臺，即只需要更換設備樹文件便可以實現(xiàn)不同主板之間的無差異支持；但大多數(shù)嵌入式研究只關注了Linux系統(tǒng)的開發(fā)過程，忽略了設備樹平臺對于內(nèi)核的重要性。

通過介紹嵌入式系統(tǒng)的整體框架，分析了組成嵌入式系統(tǒng)的軟件和硬件平臺；詳細論述了設備樹的相關知識；并介紹了交叉開發(fā)環(huán)境的搭建與bootloader的選擇以及內(nèi)核、設備樹和根文件系統(tǒng)的制作，最終在目標板上成功移植帶有設備樹的Linux操作系統(tǒng)。

1 Linux操作系統(tǒng)的組成及ARM平臺

Linux系統(tǒng)是一個開源的操作系統(tǒng)，源代碼完全公開，這個開源的特性能滿足嵌入式系統(tǒng)應用程序的開發(fā)[3]。Linux操作系統(tǒng)總體運行框架的構成見圖1。

圖1 Linux操作系統(tǒng)總體運行框架構成Fig.1 Overall operating framework of Linux operating system

一個嵌入式Linux系統(tǒng)框架通常可以分為4個層次[4]：①引導加載程序;②Linux內(nèi)核(kernel)、設備樹;③根文件系統(tǒng)以及Flash內(nèi)存設備上的其他文件系統(tǒng);④開發(fā)者應用程序。

ARM硬件開發(fā)平臺型號為iTOP-4412，其核心板是迅為電子推出的一款高端4核核心板，內(nèi)部配備了4個ARM Cortex-A9系列的CPU，芯片主頻達到了1 GHz，配備1 GB運行內(nèi)存，4 GB flash EMMC存儲，兼具快速讀取與超大容量，具有強大的浮點運算能力以及自帶多通道硬件渲染模塊架構，進行大量幾何運算也能及時處理。該板設計小巧，配備三星自家電源管理芯片，具有9路DC/DC和28路LDO輸出電源，在-20～70 ℃運行測試中運行良好[5]，ARM開發(fā)板硬件實物圖片見圖2。

圖2 iTOP-4412開發(fā)板硬件實物Fig.2 Hardware of itop-4412 development board

2 設備樹

設備樹早期出現(xiàn)于PowerPC Linux中，由于它的便捷性，近幾年逐漸被應用到ARM、MIPS、X86等架構上。它是一種描述板級硬件配置的樹形數(shù)據(jù)結構，來源于Open Firmware(OF)并繼承了Open Firmware IEEE 1275設備樹的定義[6]。在沒有引入設備樹之前，ARM平臺采用的是舊的機制，在內(nèi)核目錄下用代碼描述硬件，如注冊platform設備，聲明設備的resource等。這些代碼都是用來描述芯片平臺及板級差異的，對于內(nèi)核來講都是冗余代碼，不便于維護。設備樹可以描述CPU、時鐘、中斷控制器、I/O控制器、SPI總線控制器、I2C控制器、存儲設備等任何現(xiàn)有驅動單位。對具體器件能夠具體描述到使用若干個中斷，內(nèi)存映射空間的具體位置等，類似應用程序中的 XML 語言，易于對硬件信息進行配置，可以實現(xiàn)驅動代碼與設備的硬件信息相互的隔離，減少了代碼中的耦合性。

浙江力普在精制棉制備纖維素粉碎加工技術領域更是一枝獨秀———“醫(yī)藥輔料纖維素醚專用高效剪切粉碎機的研究和產(chǎn)業(yè)化項目”“GWM-730纖維素高效剪切磨開發(fā)”相繼被列入省市科技項目；高效纖維素剪切粉碎機、短纖維粉碎機均已獲得國家專利。為我國纖維素粉體行業(yè)提供了一種技術國際領先的超細纖維粉碎設備。

設備樹包含DTC(device tree compiler)，DTS(device tree source和DTB(device tree blob)3種平臺類型[7]。其對應關系見圖3。

圖3 設備樹內(nèi)部對應關系Fig.3 Internal correspondence of device tree

DTS: dts文件是對設備樹的描述，放置在內(nèi)核的/arch/arm/boot/dts目錄。一個*.dts文件對應一個ARM的machine。dts文件描述了目標板的硬件資源。早期內(nèi)核版本記錄在mach-xxx文件中的內(nèi)容被轉為dts文件。

DTC:DTC為編譯工具，它將.dts文件編譯成.dtb文件。

DTB:DTC編譯*.dts生成的二進制文件(.dtb)，bootloader在引導內(nèi)核時，會預先讀取.dtb文件到內(nèi)存，進而由內(nèi)核解析。

設備樹中還有一種. dtsi文件，由于同一個SOC可能有多個不同的電路板，每個電路板擁有一個.dts。這些dts會存在許多共通部分，為了減少代碼的冗余，設備樹將這些共同部分提煉保存在.dtsi文件中，供不同的dts共同使用。dts轉換成機器碼并在內(nèi)存里供 kernel 識別，見圖4。

圖4 dts轉換過程Fig.4 DTS conversion process

設備樹的應用可起到如下作用[8]：①平臺標識，即板級識別，讓內(nèi)核識別當前使用的是哪個開發(fā)板，識別的方式是根據(jù) root 節(jié)點下的 compatible 字段來匹配；②運行時配置，就是內(nèi)核啟動時啟動參數(shù)的配置，比如 bootargs 的配置，ramdisk 的起始和結束地址;③設備信息集合，集合了各種設備控制器。

3 系統(tǒng)環(huán)境的構建

首先，嵌入式系統(tǒng)移植需要搭建硬件和軟件交叉開發(fā)環(huán)境；其次，移植引導加載程序，即Bootloader；移植內(nèi)核Kernel、設備樹和根文件系統(tǒng)；最后，根據(jù)項目需求移植或開發(fā)相關設備的驅動程序。這幾步完成后，移植到嵌入式開發(fā)平臺的Linux操作系統(tǒng)可在目標板上運行，通過超級終端控制臺進行一系列的命令操作控制目標板。若研究課題對圖形界面有要求，可以通過設備樹添加屏幕驅動等。對比嵌入式系統(tǒng)早期的驅動代碼編寫，設備樹下的驅動程序開發(fā)只需要通過提供系統(tǒng)的軟硬件信息，選配內(nèi)核代碼即可配置相關的驅動程序，提高了工作效率，降低了開發(fā)難度，圖形化界面更便于嵌入式系統(tǒng)進行應用程序開發(fā)，為開發(fā)者提供便利[9]。

3.1 搭建交叉開發(fā)環(huán)境

交叉開發(fā)是主機(PC端)開發(fā)出能夠在目標機(開發(fā)板)上運行的程序。嵌入式系統(tǒng)與PC機的架構不同，指令集不同，ARM屬于精簡指令集架構。PC機則為X86架構，以此架構來編譯后只能在PC機上運行，因此要使程序能夠在嵌入式系統(tǒng)上運行，需要搭建交叉開發(fā)環(huán)境[10]。此外，嵌入式系統(tǒng)的硬件資源限制較多，所以嵌入式開發(fā)需要借助PC機主頻較高等優(yōu)點來提高開發(fā)效率。

用USB線連接主機和目標板見圖5，在搭建交叉開發(fā)環(huán)境的過程中，下載arm交叉編譯器，在Ubuntu里進行解壓縮、修改環(huán)境變量、更新環(huán)境變量等操作，最后在Ubuntu 終端里輸入“arm-linux-gcc -v”指令來測試交叉編譯器是否安裝成功。

圖5 主機和目標板的接口連接Fig.5 Interface connection between host and target board

3.2 Bootloader選擇和移植

Bootloader 即引導加載程序，引導啟動內(nèi)核[11]。Bootloader的種類繁多，常見的有U-Boot、LILO、GRUB、Vivi、RedBoot等，不同的Bootloader有不同的使用范圍，其中使用范圍較為廣泛的是U-Boot(Universal Boot Loader)，即通用的引導程序，它是支持GPL條款的開放源碼項目，此引導加載程序支持多種處理器架構，例如X86、ARM和PowerPC等， U-Boot可以被理解為一個小型的操作系統(tǒng)[12]。

U-Boot移植過程：①下載源碼包，在Ubuntu下解壓；②解壓后添加目標板(開發(fā)板)Exynos4412的信息，以便于移植；③修改相應目錄的Makefile文件，添加交叉編譯器；④針對目標板配置相應的參數(shù)；⑤“make”指令編譯出u-boot.bin文件；⑥把編譯好的u-boot.bin文件燒寫進目標板的sd卡中，本次實驗采用sd卡的啟動方式。U-Boot啟動后在超級終端下的啟動信息見圖6。

圖6 U-Boot啟動信息Fig.6 Startup information of U-Boot

3.3 Kernel的裁剪、編譯和移植

3.3.1 NFS網(wǎng)絡服務

與普通內(nèi)核裁剪不同，本次實驗在制作內(nèi)核鏡像時添加NFS(Network File System)網(wǎng)絡服務支持。目前，NFS有諸多應用領域，其中最主要的是通過配置完成網(wǎng)絡文件的掛載。即用它實現(xiàn)網(wǎng)絡文件共享，系統(tǒng)移植過程中添加NFS網(wǎng)絡服務支持，開啟NFS功能，配置內(nèi)核支持網(wǎng)絡文件系統(tǒng)，更改啟動參數(shù)[13]。

通過NFS服務，開發(fā)板可以實現(xiàn)掛載，進而對已制作完成的文件系統(tǒng)的完整性進行檢測。整個啟動過程中，用戶不需要將文件系統(tǒng)燒寫至Flash，就可以實現(xiàn)自動掛載。當Bootloader開始啟動，只要Kernel處于運行狀態(tài)，它便會根據(jù)提前設置好的啟動參數(shù)完成自動掛載操作。在開發(fā)測試領域中，這種方式方便快捷，很大程度上提升了開發(fā)效率。

3.3.2 制作內(nèi)核鏡像

從Linux官方網(wǎng)站https://www.kernel.org/下載內(nèi)核源碼，本次移植選擇Linux4.14.2版本，該版本的內(nèi)核支持設備樹編譯。在Ubuntu中解壓縮，進入解壓完的linux-4.14.2目錄，修改平臺和編譯器使其能夠在arm上運行，即修改架構和交叉編譯器，修改完成后生成默認配置文件。

在內(nèi)核源碼目錄下輸入“make menuconfig”命令打開菜單配置窗口，首次進入菜單配置窗口時，不做任何操作直接退出，這樣在配置文件.config中保存開發(fā)平臺信息。然后再次進入窗口，進行選擇芯片類型、調(diào)試串口、驅動及添加文件系統(tǒng)的支持等設置，保存后退出。輸入“make uImage LOADADDR=0X40007000”編譯內(nèi)核，其中LOADADDR=0X40007000表示指定內(nèi)核的加載地址。

3.4 內(nèi)核設備樹的配置

修改dts文件，進行設備樹的配置。進到內(nèi)核arch/arm/boot/dts/下，里面默認有iTOP4412的設備樹文件， 打開exynos4412-itop-scp-core.dtsi文件，修改設備樹文件。做如下修改：

第一處：注釋掉下面所示的4行代碼。

第二處：本次移植所需配置中沒有events屬性，需修改代碼中的events為event。

第三處：根據(jù)本次實驗使用的核心板原理圖，配置核心板電源芯片，保存退出。

在實驗過程中，為解決字符串溢出問題，將arch/arm/boot/dts/目錄下的exynos4412.dtsi文件中串口2節(jié)點serial_2的dmas屬性刪除，保存退出。最后輸入make dtbs命令編譯設備樹文件。Bootloader、uImage及設備樹在存儲設備中的地址分區(qū)見表1。

表1 地址分區(qū)

3.5 系統(tǒng)文件的制作

根據(jù)Linux操作系統(tǒng)的構成，根文件系統(tǒng)的制作和移植是嵌入式系統(tǒng)移植的最后一步。文件系統(tǒng)就是指文件存在的物理空間，Linux每個分區(qū)都是一個文件系統(tǒng)，都有自己的目錄層次。

制作文件系統(tǒng)，使用的是Busybox工具，拷貝busybox-1.21.1.tar.bz2至Ubuntu下進行解壓縮，解壓縮完成后進入該文件夾中，輸入“make menuconfig”命令進行配置，配置完成后執(zhí)行make命令開始編譯，再進行其他操作后成功生成system.img鏡像。

3.6 系統(tǒng)集成測試

將制作好的的U-Boot、uImage、設備樹dtb文件、system.img通過usb下載燒寫到flash存儲介質(zhì)上，然后給開發(fā)板上電，系統(tǒng)會正常啟動，超級終端界面上將打印出啟動信息，見圖7。啟動信息包括有Linux內(nèi)核版本、 gcc交叉編譯工具鏈、CPU信息等。

圖7 目標板的啟動信息Fig.7 Target board startup information

圖7中Loading Device Tree to 4ffee000，end 4ffff034表示成功讀取設備樹。目標板的啟動信息說明了U-Boot正確引導并成功啟動內(nèi)核，讀取了設備樹文件，掛載最小文件系統(tǒng)，加載了設備樹中配置的部分驅動程序。

4 結 論

將Exynos4412作為ARM平臺，對嵌入式平臺進行了帶有設備樹的Linux操作系統(tǒng)移植，成功啟動了目標板；在以往嵌入式系統(tǒng)的移植過程中沒有加入設備樹平臺，本次實驗對此進行了改進。在增加了設備樹后，許多設備硬件上的細節(jié)在啟動時將傳遞給內(nèi)核，舍棄了內(nèi)核中大量的冗余編碼，且同樣的外設硬件接到其他平臺，其驅動代碼邏輯無需加以改動，只需匹配設備樹提供系統(tǒng)的軟硬件信息即可，選配內(nèi)核代碼，提高了工作效率；通過在內(nèi)核裁剪時配置NFS網(wǎng)絡文件系統(tǒng)，NFS服務可通過網(wǎng)絡讓不同的機器、不同的操作系統(tǒng)彼此共享文件，實現(xiàn)在線調(diào)試文件系統(tǒng)與應用程序，進而提高了調(diào)試效率；本次實驗驗證了移植方法的正確性，為之后驅動程序和應用程序的開發(fā)奠定了技術基礎。