嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)

嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)121180166趙琛一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境、內(nèi)核的下載和啟動(dòng)過(guò)程?了解Linux內(nèi)核源代碼的目錄結(jié)構(gòu)及各目錄的相關(guān)內(nèi)容?了解Linux內(nèi)核各配置選項(xiàng)內(nèi)容和作用?掌握Linux內(nèi)核的編譯過(guò)程?了解嵌入式操作系統(tǒng)中文件系統(tǒng)的類型和作用?了解JFFS2文件系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及其在嵌入式系統(tǒng)中的作用?掌握利用BusyBox軟件制作嵌入式文件系統(tǒng)的方法?掌握嵌入式Linux文件系統(tǒng)的的掛載過(guò)程二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求?掌握將linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)下載到開(kāi)發(fā)板的過(guò)程?學(xué)會(huì)linux內(nèi)核的配置與編譯?了解嵌入式文件系統(tǒng)的構(gòu)建三實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想3.1硬件部分嵌入式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)x210v3是基于45nm工藝S5PV210芯片的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。核心處理器S5PV210為Cortex-A8架構(gòu)，主頻可到1GHz,支持1GiBDDR2,片內(nèi)32KiBI/D緩存及512KiB二級(jí)緩存，PowerVRSGX540圖形加速引擎，支持MPEG4、H.263、H.2641080P@30fps編碼及MPEG41080P@30fps解碼，HDMI/TV-OUT,引腳間距0.65mm,17X17mmFBGA封裝。x210v3由核心板,底板和液晶板三大塊組成,心板采用8層板工藝設(shè)計(jì)，底板留有豐富的外設(shè)接口，幾乎具備210所有功能的調(diào)試，液品板采用7口寸電容觸摸屏。3.2軟件部分bootloaderBootLoader的主要運(yùn)行任務(wù)就是將內(nèi)核映像從硬盤上讀到RAM中，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的入口點(diǎn)去運(yùn)行，也即開(kāi)始啟動(dòng)操作系統(tǒng)。bootloader的主要作用是：初始化硬件設(shè)備；建立內(nèi)存空間的映射圖；完成內(nèi)核的加載，為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)。串口設(shè)置(minicom)多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都通過(guò)異步串行接口(UART)進(jìn)行初級(jí)引導(dǎo)。這種通信方式是將字符一位一位地傳送，一般是先低位、后高位。因此，采用串行方式，雙方最少可以只用一對(duì)連線便可實(shí)現(xiàn)全雙工通信。字符與字符之間的同步靠每個(gè)字框的起始位協(xié)調(diào)，而不需要雙方的時(shí)鐘頻率嚴(yán)格一致，因此實(shí)現(xiàn)比較容易。tftptftp是基于UDP協(xié)議的簡(jiǎn)單文件傳輸協(xié)議。目標(biāo)板作為客戶機(jī)，bootloader默認(rèn)采用tftp協(xié)議。主機(jī)安裝tftp-server，作為tftp服務(wù)器。4編譯規(guī)則Makefile利用makemenuconfig(或makeconfig、makexconfig)對(duì)1inux內(nèi)核進(jìn)行配置后，系統(tǒng)將產(chǎn)生配置文件“.config”。之前的配置文件備份到“.config.old”，以便用makeoldconfig恢復(fù)上一次的配置。5文件系統(tǒng)常用的文件系統(tǒng)有ext、NFS、JFFS2、YAFFS2、Ramdisk等。6busyboxBusybox最終編譯成一個(gè)叫做busybox獨(dú)立執(zhí)行程序，并且可以根據(jù)配置，執(zhí)行ashshell的功能，包含幾十個(gè)小應(yīng)用程序：mini-vi編輯器、系統(tǒng)不可或缺的/sbin/init程序，以及其他諸如文件操作、目錄操作、系統(tǒng)配置等等°BusyBox具有全部這些功能，大小也不過(guò)幾百K左右。而且用戶還可以根據(jù)自己的需要對(duì)BusyBox的應(yīng)用程序功能進(jìn)行剪裁，使BusyBox的規(guī)模進(jìn)一步縮小。四實(shí)驗(yàn)記錄與分析本次實(shí)驗(yàn)分為三部分：1進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)流程熟悉2內(nèi)核編譯與配置3文件系統(tǒng)構(gòu)建。以下將按照實(shí)際實(shí)驗(yàn)213的順序進(jìn)行。4.1內(nèi)核編譯與配置4.1.1內(nèi)核的配置的基本結(jié)構(gòu)Linux內(nèi)核的配置系統(tǒng)由四個(gè)部分組成：Makefile：分布在Linux內(nèi)核源碼中的Makefile，定義Linux內(nèi)核的編譯規(guī)則。頂層Makefile是整個(gè)內(nèi)核配置、編譯的總體控制文件；配置文件config.in:給用戶提供配置選擇的功能?！?config”是內(nèi)核配置文件，包括由用戶選擇的配置選項(xiàng)，用來(lái)存放內(nèi)核配置后的結(jié)果；配置工具：包括對(duì)配置腳本中使用的配置命令進(jìn)行解釋的配置命令解釋器和配置用戶界面(基于字符界面：makeconfig，基于ncurses界面：makemenuconfig，基于X-Window圖形界面：makexconfig)；Rules.make：規(guī)則文件，被所有的Makefile使用。4.1.2內(nèi)核配置與編譯步驟：1、解壓內(nèi)核源代碼tarxvf命令2、makemenuconfig這一步是進(jìn)行內(nèi)核配置。但是事實(shí)上，由于需要配置的東西太多，我們很難完成，因此參考了老師給出的.config文件，并將其覆蓋了原來(lái)內(nèi)核的.config文件。對(duì)于內(nèi)核配置，關(guān)鍵的一步在于選擇對(duì)系統(tǒng)類型。本次實(shí)驗(yàn)我們需要選擇的是SystemTypewithS5PV210O在進(jìn)行內(nèi)核配置的時(shí)候，需要考慮到很多硬件部分，而內(nèi)核有些部分是有待改進(jìn)的，例如usb2.0中使用到關(guān)于usb1.0的東西，因此非常容易配置不成功。在配置時(shí)，有不同選項(xiàng)y—表示本編譯選項(xiàng)對(duì)應(yīng)的內(nèi)核代碼被靜態(tài)編譯進(jìn)Linux內(nèi)核；m—表示本編譯選項(xiàng)對(duì)應(yīng)的內(nèi)核代碼被編譯成模塊；n—表示不選擇此編譯選項(xiàng)；如果根本就沒(méi)有選擇，那么配置變量的值為空。makeclean清除以前構(gòu)核所產(chǎn)生的所有的目標(biāo)文件、模塊文件、核心以及一些臨時(shí)文件等，不產(chǎn)生任何新文件。make這一步就是在編譯內(nèi)核。由于實(shí)驗(yàn)室主機(jī)是4核的，因此在編譯內(nèi)核時(shí)，我們可以使用命令make-j4來(lái)并行編譯從而提高效率。我們可以觀察到，使用j4命令后編譯速度明顯加快。makezImage這一步生成了內(nèi)核的鏡像文件。這時(shí)我們就完成了對(duì)于內(nèi)核的配置與編譯。4.2文件系統(tǒng)的構(gòu)建4.2.1關(guān)于ramdisk文件系統(tǒng)使用內(nèi)存的一部份空間來(lái)模擬一個(gè)硬盤分區(qū)，這樣構(gòu)成的文件系統(tǒng)就是ramdisk。將ramdisk用作根文件系統(tǒng)在嵌入式Linux中是一種常用的方法。因?yàn)樵趓am上運(yùn)行，讀寫速度快；用gzip算法進(jìn)行壓縮，可節(jié)省存儲(chǔ)空間。但它也有缺點(diǎn)：由于將內(nèi)存的一部分用作ramdisk,這部分內(nèi)存不能再作其他用途；此外系統(tǒng)運(yùn)行是更新的內(nèi)容無(wú)法保存，系統(tǒng)關(guān)機(jī)后內(nèi)容將丟失。4.2.2配置文件系統(tǒng)步驟1解壓縮busybox源代碼tarxvfmakemenuconfig這一步也是配置文件系統(tǒng)選項(xiàng)，但是為了能夠迅速準(zhǔn)確的成功，我借用了老師配置好的.config文件，并覆蓋了原來(lái)文件系統(tǒng)的.Config文件。在這個(gè)配置文件中，要注意選擇靜態(tài)編譯，并且加上編譯器前綴(arm-2009q3-gcc)。make-j4編譯文件系統(tǒng)makeinstall進(jìn)入_install(cd_install)目錄6在這個(gè)目錄下建立etc文件夾，建立inittab、rc、motd三個(gè)文件。/etc/inittab:此文件由系統(tǒng)啟動(dòng)程序init讀取并解釋執(zhí)行。以#開(kāi)頭的行是注釋行。#/etc/inittab::sysinit:/etc/init.d/rcS〃為init提供初始化路徑，將/etc/init.d/rcS〃設(shè)置為系統(tǒng)的初始化文件::askfirst：-/bin/sh//將促使init在控制臺(tái)上顯示：pleaseressEnterto//activethisconsole的信息，并在重新啟動(dòng)進(jìn)程之前//等待用戶按下Enter鍵，最重要的并且能夠順利進(jìn)入//shell::once:/usr/sbin/telnetd-l/bin/login//僅執(zhí)行相應(yīng)的進(jìn)程(即telnet登//陸)一次，而且不會(huì)等待它的完成::ctrlaltdel:/sbin/reboot//當(dāng)按下Ctrl+Alt+Del鍵時(shí)，重啟::shutdown:/bin/umount-a-r//當(dāng)系統(tǒng)關(guān)機(jī)時(shí)，進(jìn)行卸載。/etc/rc：這是一個(gè)腳本文件。此文件要求可執(zhí)行屬性，用命令“chmod+xrc”修改其屬性。rc文件和其他腳本文件(.sh)第一行的#不是注釋。#!/bin/shhostnamex210mount-tprocproc/proc/bin/cat/etc/motd/etc/motdWelcometoARM-LINUXWORLDx210v3@S5PV210/Cortex-A8protedby121180166ZhaoChen此文件內(nèi)容隨意，由/etc/rc調(diào)用打印在終端上。7在etc目錄下再創(chuàng)建init.d目錄，并將/etc/rc向/etc/init.d/rcS做符號(hào)鏈接。此文件為inittab指定的啟動(dòng)腳本：$mkdirinit.d$cdinit.d$ln-s../rcrcS8創(chuàng)建dev目錄，并在該目錄下建立必要的設(shè)備：$mknodconsolec51$mknodnullc13$mknodzeroc159建立proc空目錄，供proc文件系統(tǒng)使用。10建立lib目錄，將交叉編譯器鏈接庫(kù)路徑下的下面幾個(gè)庫(kù)復(fù)制到lib目錄：ld-2.10.1.so,libc-2.10.1.so,libm-2.10.1.so并做相應(yīng)的符號(hào)鏈接：ln-sld-2.10.1.sold-linux.so.3ln-slibc-2.10.1.solibc.so.6ln-slibm-2.10.1.solibm.so.6至此文件系統(tǒng)目錄構(gòu)造完畢。從根目錄看下去，應(yīng)該至少有下面幾個(gè)目錄：bindevetcliblost+foundmntprocsbin它們是下面制作文件系統(tǒng)的基礎(chǔ)。接下來(lái)我們要進(jìn)行ramdisk文件映像的制作。11為了生成并修改ramdisk,需要在主機(jī)上創(chuàng)建一個(gè)空文件并將它格式化ext2fs文件系統(tǒng)映像。格式化后的文件就可以像普通文件系統(tǒng)一樣在主機(jī)上進(jìn)行掛載和卸載。掛載后可以進(jìn)行正常的文件和目錄操作，卸載后，如果原映像文件仍然在,則更新到卸載之前的操作內(nèi)容。$ddif=/dev/zeroof=ramdisk_imgbs=1kcount=8192$sbin/mke2fsramdisk_img12下面我們進(jìn)行掛在與卸載$mountramdisk_img將_install目錄下除dev外內(nèi)容拷貝到/mnt/ramdisk下，并且在此時(shí)建立dev目錄和相關(guān)設(shè)備文件$umount/mnt/ramdisk此時(shí)的ramdisk文件已經(jīng)是一個(gè)完整獨(dú)立的文件系統(tǒng)映像。13最后我們進(jìn)行壓縮，從而生成gzip文件$gzipramdisk_img這樣我們就完成了一個(gè)文件系統(tǒng)的制作。4.3將內(nèi)核與文件系統(tǒng)寫進(jìn)開(kāi)發(fā)板我們這時(shí)候首先需要打開(kāi)串口通信軟件minicom,并且按照要求配置好（事實(shí)上之前已經(jīng)被配置好）然后寫入以下命令setenvipaddr41//開(kāi)發(fā)板地址setenvserverip1〃主機(jī)地址#以上兩行配置了初始網(wǎng)絡(luò)地址

tftp0xc000800zIMagetftp0x40000000ramdisk_img_zc.gz#在目標(biāo)機(jī)中下載編譯好的內(nèi)核和文件系統(tǒng)映像，其中文件系統(tǒng)鏡像的名稱是為了聲明是我自己的文件系統(tǒng)bootm0xc0008000#啟動(dòng)內(nèi)核執(zhí)行完這個(gè)命令之后，我們可以看到顯示出如下畫(huà)面：心RM-LINUXWORLDprotedby121180166ZhaoChen心RM-LINUXWORLDprotedby121180166ZhaoChen2.919846]2.925522]2.931466]2.941937]2.945763]2.949853]2.952505]2.959187]2.970210]2.973749]3.167228]3.171719]Melcometoreguiator_init_compIete:disablingpd_cam_supplysmdkcllO-rtcsmdkcllO-rtc:rtcdisabled,re-enablingsmdkcllO-rtcsmdkcllO-rtc:settingsystemclockto2010-01-0112)FIMCOregisteredsuccessfullyFIMC1registeredsuccessfullyFIMC2registeredsuccessfully<6>S5PC1XXTVOUTDriver,(c)2009SamsungElectronicss5p-tvouts5p-tvout:hpdstatusiscableremovedDBUG_PORTmustnotuseAFC!RAMDISK:gzipimagefoundatblock0VFS:Mountedroot(ext2filesystem)ondevice1:0.Freeinginitmemory:540Kx210v3之后按回車鍵即可進(jìn)入目標(biāo)機(jī)的shell進(jìn)行操作。五、實(shí)驗(yàn)思考題5.1為何使用普通gcc編譯的程序不能在開(kāi)發(fā)板運(yùn)行？答：因?yàn)閍rm平臺(tái)開(kāi)發(fā)板所使用編譯器編譯方式與普通編譯不同，主機(jī)使用x86體系，而開(kāi)發(fā)板使用arm體系。如果想要在ARM平臺(tái)編譯通過(guò)，應(yīng)該使用arm-none-linux-gnueabi-gcc編譯命令。5.2歸納總結(jié)嵌入式系統(tǒng)下軟件開(kāi)發(fā)的一般流程答：1主機(jī)編寫程序并使用特定交叉編譯器編譯2將程序復(fù)制到對(duì)應(yīng)掛載文件夾內(nèi)3在開(kāi)發(fā)板進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試5.3總結(jié)內(nèi)核映像文件的生成方法及對(duì)操作系統(tǒng)的作用答：簡(jiǎn)單的內(nèi)核配置和編譯過(guò)程通常是makemenuconfigf選項(xiàng)配置fmakecleanfmakedep(kernel2.4)fmakefmakezImage。5.4內(nèi)核配置中，哪些選項(xiàng)對(duì)操作系統(tǒng)的正常啟動(dòng)是必須的？答：systemtype;characterdevice|中板irtualterminal,supportforconsoleonserialsupport;upportforconsolonvirtualterminal;filssystem5.5比較romfs、ext2fs/ext3fs、JFFS2等文件系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)答：romfs:優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)簡(jiǎn)單、占用空間較小。內(nèi)核支持romfs需要比ext2更少的代碼，在嵌入式設(shè)備常用，有體積小，可靠性高，讀取速度快等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)支持目錄，符號(hào)鏈接，硬鏈接，設(shè)備文件。缺點(diǎn)：只是可讀文件系統(tǒng)，禁止寫操作，因此系統(tǒng)同時(shí)需要ramdisk來(lái)支持臨時(shí)文件和數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)。extfs2:可以實(shí)現(xiàn)快速符號(hào)鏈接，類似于windows文件系統(tǒng)的快捷方式，可將目標(biāo)名稱直接存儲(chǔ)在索引節(jié)點(diǎn)表中，提高訪問(wèn)速度；支持內(nèi)存4TB，文件名可1024字符；管理者在創(chuàng)建系統(tǒng)文件時(shí)根據(jù)需要存儲(chǔ)邏輯塊的大小。這種系統(tǒng)穩(wěn)定，可靠，健壯，在臺(tái)式機(jī)、服務(wù)器、工作站普遍使用。缺點(diǎn)：占用空間比romfs大。Jffs2：支持?jǐn)?shù)據(jù)壓縮，支持多種文件節(jié)點(diǎn)類型，是一種基于Flash的日志文件系統(tǒng)，提高了對(duì)山村的利用率，降低了內(nèi)存的損耗。通過(guò)jffs2,可以通過(guò)flash來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，將Flash當(dāng)作