移植嵌入式Linux到ARM处理器S3C2410:操作系统 -

在笔者撰写的《C语言嵌入式系统编程修炼之道》一文中，主要陈诉的软件架构是单任务无操作系统平台的，而本文的侧重点则在于讲述操作系统嵌入的软件架构，二者的区别如下图：

本文引用地址: http://www.21ic.com/app/mcu/201808/784666.htm

　　嵌入式操作系统并不总是必须的，因为程序完全可以在裸板上运行。尽管如此，但对于复杂的系统，为使其具有任务管理、定时器管理、存储器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理和中断处理的能力，提供多任务处理，更好的分配系统资源的功能，很有必要针对特定的硬件平台和实际应用移植操作系统。鉴于Linux的源代码开放性，它成为嵌入式操作系统领域的很好选择。国内外许多知名大学、公司、研究机构都加入了嵌入式Linux的研究行列，推出了一些著名的版本：

　　·RT-Linux提供了一个精巧的实时内核，把标准的Linux核心作为实时核心的一个进程同用户的实时进程一起调度。RT-Linux已成功地应用于航天飞机的空间数据采集、科学仪器测控和电影特技图像处理等广泛的应用领域。如NASA(美国国家宇航局)将装有 RT-Linux的设备放在飞机上，以测量Georage咫风的风速；

　　·uCLinux（Micro-Control-Linux，u表示Micro，C表示Control）去掉了MMU（内存管理）功能，应用于没有虚拟内存管理的微处理器/微控制器，它已经被成功地移植到了很多平台上。

　　本章涉及的mizi-linux由韩国mizi公司根据Linux 2.4内核移植而来，支持S3C2410A处理器。

　　1.Linux内核要点

　　和其他操作系统一样，Linux包含进程调度与进程间通信(IPC)、内存管理(MMU)、虚拟文件系统(VFS)、网络接口等，下图给出了Linux的组成及其关系：

　　Linux内核源代码包括多个目录：

　　（1）arch：包括硬件特定的内核代码，如arm、mips、i386等；

　　（2）drivers：包含硬件驱动代码，如char、cdrom、scsi、mtd等；

　　（3）include：通用头文件及针对不同平台特定的头文件，如asm-i386、asm-arm等；

　　（4）init：内核初始化代码；

　　（5）ipc：进程间通信代码；

　　（6）kernel：内核核心代码；

　　（7）mm：内存管理代码；

　　（8）net：与网络协议栈相关的代码，如ipv4、ipv6、ethernet等；

　　（9）fs：文件系统相关代码，如nfs、vfat等；

　　（10）lib：库文件，与平台无关的strlen、strcpy等，如在string.c中包含：

char * strcpy(char * dest,const char *src)
{
char *tmp = dest;
while ((*dest++ = *src++) != '\0')
/* nothing */;
return tmp;
}

（11）Documentation：文档

　　在Linux内核的实现中，有一些数据结构使用非常频繁，对研读内核的人来说至为关键，它们是：

　　1.task_struct

　　Linux内核利用task_struct数据结构代表一个进程，用task_struct指针形成一个task数组。当建立新进程的时候，Linux 为新的进程分配一个task_struct结构，然后将指针保存在task数组中。调度程序维护current指针，它指向当前正在运行的进程。

　　2.mm_struct

　　每个进程的虚拟内存由mm_struct结构代表。该结构中包含了一组指向vm-area_struct结构的指针，vm-area_struct结构描述了虚拟内存的一个区域。

　　3.inode

　　Linux虚拟文件系统中的文件、目录等均由对应的索引节点(inode)代表。

2.Linux移植项目

　　mizi-linux已经根据Linux 2.4内核针对S3C2410A这一芯片进行了有针对性的移植工作，包括：

　　（1）修改根目录下的Makefile文件

　　a.指定目标平台为ARM：

#ARCH := $(shell uname -m | sed -e s/i.86/i386/ -e s/sun4u/sparc64/ -e s/arm.*/arm/ -e s/sa110/arm/)
ARCH := arm

　　b.指定交叉编译器：

CROSS_COMPILE = arm-linux-

　　（2）修改arch目录中的文件

　　根据本章第一节可知，Linux的arch目录存放硬件相关的内核代码，因此，在Linux内核中增加对S3C2410的支持，最主要就是要修改arch目录中的文件。

　　a.在arch/arm/Makefile文件中加入：

ifeq ($(CONFIG_ARCH_S3C2410),y)
TEXTADDR = 0xC0008000
MACHINE = s3c2410
Endif

　　b.在archarmconfig.in文件中加入：

if [ "$CONFIG_ARCH_S3C2410" = "y" ]; then
comment 'S3C2410 Implementation'
dep_bool ' SMDK (MERI TECH BOARD)' CONFIG_S3C2410_SMDK $CONFIG_ARCH_S3C2410
dep_bool ' change AIJI' CONFIG_SMDK_AIJI
dep_tristate 'S3C2410 USB function support' CONFIG_S3C2410_USB $CONFIG_ARCH_S3C2100
dep_tristate ' Support for S3C2410 USB character device emulation' CONFIG_S3C2410_USB_CHAR $CONFIG_S3C2410_USB
fi # /* CONFIG_ARCH_S3C2410 */

　　archarmconfig.in文件还有几处针对S3C2410的修改。

　　c.在arch/arm/boot/Makefile文件中加入：

ifeq ($(CONFIG_ARCH_S3C2410),y)
ZTEXTADDR = 0x30008000
ZRELADDR = 0x30008000
endif

　　d.在linux/arch/arm/boot/compressed/Makefile文件中加入：

ifeq ($(CONFIG_ARCH_S3C2410),y)
OBJS += head-s3c2410.o
endif

　　加入的结果是head-s3c2410.S文件被编译为head-s3c2410.o。

　　e.加入archarmbootcompressed head-s3c2410.S文件

#include
#include
#include

.section ".start", #alloc, #execinstr

__S3C2410_start:

@ Preserve r8/r7 i.e. kernel entry values
@ What is it?
@ Nandy

@ Data cache, Intstruction cache, MMU might be active.
@ Be sure to flush kernel binary out of the cache,
@ whatever state it is, before it is turned off.
@ This is done by fetching through currently executed
@ memory to be sure we hit the same cache

bic r2, pc, #0x1f
add r3, r2, #0x4000 @ 16 kb is quite enough...
1: ldr r0, [r2], #32
teq r2, r3
bne 1b
mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 @ drain WB
mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 @ flush I & D caches

#if 0
@ disabling MMU and caches
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ read control register
bic r0, r0, #0x05 @ disable D cache and MMU
bic r0, r0, #1000 @ disable I cache
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0
#endif

/*
* Pause for a short time so that we give enough time
* for the host to start a terminal up.
*/
mov r0, #0x00200000
1: subs r0, r0, #1
bne 1b

　　该文件中的汇编代码完成S3C2410特定硬件相关的初始化。

f.在archarmdef-configs目录中增加配置文件

　　g.在archarmkernelMakefile中增加对S3C2410的支持

no-irq-arch := $(CONFIG_ARCH_INTEGRATOR) $(CONFIG_ARCH_CLPS711X)
$(CONFIG_FOOTBRIDGE) $(CONFIG_ARCH_EBSA110)
$(CONFIG_ARCH_SA1100) $(CONFIG_ARCH_CAMELOT)
$(CONFIG_ARCH_S3C2400) $(CONFIG_ARCH_S3C2410)
$(CONFIG_ARCH_MX1ADS) $(CONFIG_ARCH_PXA)
obj-$(CONFIG_MIZI) += event.o
obj-$(CONFIG_APM) += apm2.o

　　h.修改arch/arm/kernel/debug-armv.S文件，在适当的位置增加如下关于S3C2410的代码：

#elif defined(CONFIG_ARCH_S3C2410)

.macro addruart,rx
mrc p15, 0, rx, c1, c0
tst rx, #1 @ MMU enabled ?
moveq rx, #0x50000000 @ physical base address
movne rx, #0xf0000000 @ virtual address
.endm

.macro senduart,rd,rx
str rd, [rx, #0x20] @ UTXH
.endm

.macro waituart,rd,rx
.endm

.macro busyuart,rd,rx
1001: ldr rd, [rx, #0x10] @ read UTRSTAT
tst rd, #1 << 2 @ TX_EMPTY ?
beq 1001b
.endm

　　i.修改arch/arm/kernel/setup.c文件

　　此文件中的setup_arch非常关键，用来完成与体系结构相关的初始化：

void __init setup_arch(char **cmdline_p)
{
struct tag *tags = NULL;
struct machine_desc *mdesc;
char *from = default_command_line;

ROOT_DEV = MKDEV(0, 255);

setup_processor();
mdesc = setup_machine(machine_arch_type);
machine_name = mdesc->name;

if (mdesc->soft_reboot)
reboot_setup("s");

if (mdesc->param_offset)
tags = phys_to_virt(mdesc->param_offset);

/*
* Do the machine-specific fixups before we parse the
* parameters or tags.
*/
if (mdesc->fixup)
mdesc->fixup(mdesc, (struct param_struct *)tags,
&from, &meminfo);

/*
* If we have the old style parameters, convert them to
* a tag list before.
*/
if (tags && tags->hdr.tag != ATAG_CORE)
convert_to_tag_list((struct param_struct *)tags,
meminfo.nr_banks == 0);

if (tags && tags->hdr.tag == ATAG_CORE)
parse_tags(tags);

if (meminfo.nr_banks == 0) {
meminfo.nr_banks = 1;
meminfo.bank[0].start = PHYS_OFFSET;
meminfo.bank[0].size = MEM_SIZE;
}

init_mm.start_code = (unsigned long) &_text;
init_mm.end_code = (unsigned long) &_etext;
init_mm.end_data = (unsigned long) &_edata;
init_mm.brk = (unsigned long) &_end;

memcpy(saved_command_line, from, COMMAND_LINE_SIZE);
saved_command_line[COMMAND_LINE_SIZE-1] = '\0';
parse_cmdline(&meminfo, cmdline_p, from);
bootmem_init(&meminfo);
paging_init(&meminfo, mdesc);
request_standard_resources(&meminfo, mdesc);

/*
* Set up various architecture-specific pointers
*/
init_arch_irq = mdesc->init_irq;

#ifdef CONFIG_VT
#if defined(CONFIG_VGA_CONSOLE)
conswitchp = &vga_con;
#elif defined(CONFIG_DUMMY_CONSOLE)
conswitchp = &dummy_con;
#endif
#endif
}

　　j.修改arch/arm/mm/mm-armv.c文件（arch/arm/mm/目录中的文件完成与ARM相关的MMU处理）

　　修改

init_maps->bufferable = 0;

　　为

init_maps->bufferable = 1;

要轻而易举地进行上述马拉松式的内核移植工作并非一件轻松的事情，需要对Linux内核有很好的掌握，同时掌握硬件特定的知识和相关的汇编。幸而mizi公司的开发者们已经合力为我们完成了上述工作，这使得小弟们在将mizi-linux移植到自身开发的电路板的过程中只需要关心如下几点：

（1）内核初始化：Linux内核的入口点是start_kernel()函数。它初始化内核的其他部分，包括捕获，IRQ通道，调度，设备驱动，标定延迟循环，最重要的是能够fork"init"进程，以启动整个多任务环境。

　　我们可以在init中加上一些特定的内容。

　　(2)设备驱动：设备驱动占据了Linux内核很大部分。同其他操作系统一样，设备驱动为它们所控制的硬件设备和操作系统提供接口。

　　本文第四章将单独讲解驱动程序的编写方法。

(3)文件系统：Linux最重要的特性之一就是对多种文件系统的支持。这种