嵌入式系统及技术实验 实验三

实验三Linux开发环境的搭建

3.1实验目的

了解Linux开发环境；

掌握Uboot和Linux内核的编译，配置NFS网络文件系统

熟悉Linux内核烧写流程；

通过在PC机上搭建Linux开发环境和编译Uboot、Linux内核，了解ARM 6410在Linux 环境下的开发过程。

3.2 预备知识

一、交叉编译器

在一种计算机环境中运行的编译程序，能编译出在另外一种环境下运行的代码，我们就称这种编译器支持交叉编译。这个编译过程就叫交叉编译。简单地说，就是在一个平台上生成另一个平台上的可执行代码。这里需要注意的是所谓平台，实际上包含两个概念：体系结构（Architecture）、操作系统（Operating System）。同一个体系结构可以运行不同的操作系统；同样，同一个操作系统也可以在不同的体系结构上运行。举例来说，我们常说的x86 Linux平台实际上是Intel x86体系结构和Linux for x86操作系统的统称；而x86 WinNT平台实际上是Intel x86体系结构和Windows NT for x86操作系统的简称。

有时是因为目的平台上不允许或不能够安装我们所需要的编译器，而我们又需要这个编译器的某些特征；有时是因为目的平台上的资源贫乏，无法运行我们所需要编译器；有时又是因为目的平台还没有建立，连操作系统都没有，根本谈不上运行什么编译器。

交叉编译这个概念的出现和流行是和嵌入式系统的广泛发展同步的。我们常用的计算机软件，都需要通过编译的方式，把使用高级计算机语言编写的代码（比如C代码）编译（compile）成计算机可以识别和执行的二进制代码。比如，我们在Windows平台上，可使用Visual C++开发环境，编写程序并编译成可执行程序。这种方式下，我们使用PC平台上的Windows工具开发针对Windows本身的可执行程序，这种编译过程称为native compilation，中文可理解为本机编译。然而，在进行嵌入式系统的开发时，运行程序的目标平台通常具有有限的存储空间和运算能力，比如常见的ARM 平台，其一般的静态存储空间大概是16到32MB，而CPU的主频大概在100MHz到500MHz之间。这种情况下，在ARM平台上进行本机编译就不太可能了，这是因为一般的编译工具链（compilation tool chain）需要很大的存储空间，并需要很强的CPU运算能力。为了解决这个问题，交叉编译工具就应运而生了。通过交叉编译工具，我们就可以在CPU能力很强、存储控件足够的主机平台上（比如PC 上）编译出针对其他平台的可执行程序。

要进行交叉编译，我们需要在主机平台上安装对应的交叉编译工具链（cross compilation tool chain），然后用这个交叉编译工具链编译我们的源代码，最终生成可在目标平台上运行的代码。常见的交叉编译例子如下：

1、在Windows PC上，利用ADS（ARM 开发环境），使用armcc编译器，则可编译

出针对ARM CPU的可执行代码。

2、在Linux PC上，利用arm-linux-gcc编译器，可编译出针对Linux ARM平台的可执行代码。

3、在Windows PC上，利用cygwin环境，运行arm-elf-gcc编译器，可编译出针对ARM CPU的可执行代码。

本次实验涉及到的是嵌入式Linux开发的交叉编译器arm-linux-gcc，从体系结构角度来讲，借助其编译生成的程序是由ARM平台下机器指令构成的可执行程序。

二、UBOOT简介

U-Boot，全称Universal Boot Loader，是遵循GPL条款的开放源码项目。从FADSROM、8xxROM、PPCBOOT逐步发展演化而来。其源码目录、编译形式与Linux内核很相似，事实上，不少U-Boot源码就是相应的Linux内核源程序的简化，尤其是一些设备的驱动程序，这从U-Boot源码的注释中能体现这一点。但是U-Boot不仅仅支持嵌入式Linux系统的引导，当前，它还支持NetBSD, VxWorks, QNX, RTEMS, ARTOS, LynxOS嵌入式操作系统。其目前要支持的目标操作系统是OpenBSD, NetBSD, FreeBSD,4.4BSD, Linux, SVR4, Esix, Solaris, Irix, SCO, Dell, NCR, VxWorks, LynxOS, pSOS, QNX, RTEMS, ARTOS。这是U-Boot中Universal的一层含义，另外一层含义则是U-Boot除了支持PowerPC系列的处理器外，还能支持MIPS、x86、ARM、NIOS、XScale等诸多常用系列的处理器。这两个特点正是U-Boot 项目的开发目标，即支持尽可能多的嵌入式处理器和嵌入式操作系统。就目前来看，U-Boot 对PowerPC系列处理器支持最为丰富，对Linux的支持最完善。其它系列的处理器和操作系统基本是在2002年11 月PPCBOOT改名为U-Boot后逐步扩充的。从PPCBOOT向U-Boot 的顺利过渡，很大程度上归功于U-Boot的维护人德国DENX软件工程中心Wolfgang Denk[以下简称W.D]本人精湛专业水平和持着不懈的努力。当前，U-Boot项目正在他的领军之下，众多有志于开放源码BOOT LOADER移植工作的嵌入式开发人员正如火如荼地将各个不同系列嵌入式处理器的移植工作不断展开和深入，以支持更多的嵌入式操作系统的装载与引导。

选择U-Boot的理由：

?开放源码；

?支持多种嵌入式操作系统内核，如Linux、NetBSD, VxWorks, QNX, RTEMS, ARTOS,

LynxOS；

?支持多个处理器系列，如PowerPC、ARM、x86、MIPS、XScale；

?较高的可靠性和稳定性；

?高度灵活的功能设置，适合U-Boot调试、操作系统不同引导要求、产品发布等；

?丰富的设备驱动源码，如串口、以太网、SDRAM、FLASH、LCD、NVRAM、EEPROM、

RTC、键盘等；

?较为丰富的开发调试文档与强大的网络技术支持。

三、linux内核简介

入门学习linux设备驱动开发，首先要熟悉linux操作系统的启动流程以及linux内核组成，以及在linux下编程的命令，嵌入式linux系统由三个部分：bootloader，bzImage，文件系统。

从操作系统的角度来看，bootloader的最终目标是引导加载内核镜像，分为stage1，stage2，stage1完成基本硬件初始化、为stage2准备内存空间、复制stage2到内存空间、设置堆栈指

针、跳转到stage2；在stage2中完成初始化本阶段用到的硬件设备、检测系统的内存映射、加载内核映像和根文件系统、设置内核启动参数、调用内核。

linux由用户空间和内核空间组成，通常内核空间和用户空间是程序执行的两种不同状态，通过系统调用与硬件中断实现从内核空间到用户空间的转移。下图显示了linux内核框架，由7个部分组成，分别为：系统调用接口、虚拟文件系统、进程管理、内存管理、设备驱动、体系结构、网络协议栈。

1、L inux内核版本

Linux内核版本号由三个数字组成，一般为XYZ形式：

X：表示主版本号，

Y：表示次版本号，

偶数表示生产版/发行版/稳定版；

奇数表示测试版。

Z：表示修改号，数字越大表示修改次数越多，版本相对完善。

如：2.6.30各数字的含义如下：

第一个数字（2）表示第二大版本。

第二个数字（6）有两个含义：大版本的第6个小版本；偶数表示生产版/发行版/稳定版；奇数表示测试版。

第三个数字（30）表示指定小版本的第30个补丁包。

Read Hat Linux内核的版本稍有不同，如2.6.30-10，可以发现多了一组数字（10），该数字是建立（build）号。每个建立可以增加少量新的驱动程序或缺陷修复。

2、内核的编译

进入到linux内核目录，输入命令#make menuconfig （基本文本菜单的配置界面，需要安装可视化界面库ncurses）

显示的内容即为内核配置单选项。保存退出！！

输入命令#make zImage 会在arch/XXXX/boot下面生成zImage镜像文件，arch目录下面是针对不同的平台，在内核目录Makefile中定义了ARCH？= CROSS_COMPILE？= ，用来选择嵌入式编译平台与交叉编译工具链。

上面的方法是内核中已经存在的程序进行配置，下面介绍如何在linux内核中增加程序：3个步骤

1、将编写的源代码考入到linux内核源代码的相应目录，如/drivers/char/led.c

2、在该目录的Kconfig文件中添加关于新源代码对应项目的编译配置选项

2、在Makefile文件中添加对新源代码的编译条目

3、内核模块的简介

在linux中如何将需要的内容包含到linux内核中？？

一种方法如果将所需要的功能全部编译到内核中，导致两问题：内核庞大、我们在现有的内核中增减功能后，不得不重新编译内核。

另一种方法：以模块方式编译；优点：模块本身不会被编译入内核映像；一旦被加载，和内核中其他的部分完全一样。

四、NFS原理

NFS(network filesystem)是由sun公司开发的，其作用是在网络当中可以将想要开发的目录共享给别人，这样使得访问者访问nfs服务器上的东西就像访问本地的文件一样，在将文件公开给别人的时候就会引起数据安全问题，但nfs有其权限管理机制。只要将权限管理做好，文件划分清晰，对安全问题就高枕无忧了。

NFS并不是单独存在的，它和另外2个模块共同存在，试想两台网络当中的主机如何进行通讯，当然只有通过ip+port来发送数据。

包括NFS在内，这三个模块分别是NFS，RPC，PORTMAP。NFS只负责将数据通过以文件系统的方式共享出去，并进行登录管理和权限管理，并不负责数据的传输，而数据的传输则有RPC来完成。试想远程客户端在进行链接的时候需要知道哪个端口可用，以便将可用的端口用于NFS数据传输（NFS的数据传输方式有端口来完成），而负责维护可用端口与远程主机的映射关系则是有PORTMAP的完成的。

NFS的两个子模块，登录管理和权限管理分别是由rpc.nfsd和rpc.mountd这两个子模块来完成的。在nfs的启动代码当中可以看到这两个程序的存在。

不难想出，NFS的工作流程是，远程客户端进行nfs请求，RPC获得请求，通知PORTMAP 来获取端口号，然后PORTMAP将可用的端口号传给NFS、RPC，然后NFS模块再进行权限检验，如果有足够的权限，RPC就通过PORTMAP给出的端口进行数据传输，并通过该端口到达客户端。

nfs的几个模块大致是这样协调的，具体的权限管理，模块配置则可以通过具体的配置文件来完成，如/etc/exports,/var/lib/nfs/xtab等等。

请注意：在本章中，如没有特殊说明，所执行命令以及设置的环境均为PC机的Linux。在每条命令开头加符号‘#’以表明命令的开始。

3.3 实验指导

一、安装交叉编译器

将cross-4.2.2-eabi.tar.bz2文件拷贝到Ubuntu的/forlinux目录下。在Uuntu中新建一个终端，输入下面的命令安装交叉编译器：

#cd /forlinux (进入/forlinux目录)

#mkdir /usr/local/arm (创建目录，若目录存在会提示错误，跳过即可)

#tar jxvf cross-4.2.2-eabi.tar.bz2 -C /usr/local/arm (编译器解压到/usr/local/arm)

完成后将在/usr/local/arm/目录下生成“4.2.2-eabi”目录

完成解压后将在/usr/local/arm目录下生成“4.2.2-eabi”目录。

这样，内核或者其他应用程序均可用/usr/local/arm/4.2.2-eab/usr/bin/arm-linux-来指定使用该交叉编译器。例如，我们查看这个编译器的版本，可以运行

#/usr/local/arm/4.2.2-eabi/usr/bin/arm-linux-gcc –v

编译器正确安装，会显示编译器的版本等信息。

二、编译UBOOT

将压缩包‘uboot1.1.6_FORLINX_6410.tgz’拷贝到Ubuntu 的/forlinux目录下，解压缩并编译，Ubuntu下操作过程如下所示：

#tar zvxf uboot1.1.6_FORLINX_6410.tgz (解压缩uboot 源码)

#cd uboot1.1.6 （进入uboot 源码的目录）

#make clean （删除以前编译的文件）

#make smdk6410_config （配置config）

#make （编译）

如果编译成功，将在‘uboot1.1.6’目录下产生名为‘u-boot.bin’的二进制文件。该文件即我们需要烧写到Nandflash 的U-boot映像文件

三、编译Linux-2.6.28

将压缩包‘linux2.6.28_FOLINX_6410.tgz ’拷贝到你的工作目录下，解压缩：

#tar zxvf linux2.6.28_FOLINX_6410.tgz

配置内核

1、安装‘libncurses5’

您可能需要安装‘libncurses5’，以方便使用‘make menuconfig’命令，可以采用以下命令行来安装（这个步骤需要pc可以连接互联网【因为实验室已经安装了‘libncurses5’，因而此步骤不用操作】）。

#sudo apt-get install libncurses5-dev

2、恢复内核的默认配置

#cd linux2.6.28

#cp FORLINX6410_CFG .config （注意有空格）

3. 选择液晶屏类型

#make menuconfig

依次进入“Device Drivers->Graphics support->Support for frame buffer devices->Select LCD

Type”选择液晶屏类型，实验板使用的是5.6寸屏，分辨率为640x480【Enter键进入，空格键选择，Esc键退出】。

说明：

接下来的内核配置过程比较烦琐，但是配置的适当与否与日后Linux的运行直接相关，有必要了解一下选项的设置【在本实验中仅配置一下液晶屏类型即可】。

配置内核可以根据需要与爱好使用下面命令中的一个：

#make config（基于文本的最为传统的配置界面，不推荐使用）

#make menuconfig（基于文本选单的配置界面，字符终端下推荐使用，必须安装ncurse s-dev和tk4-dev库）

#make xconfig（基于图形窗口模式的配置界面，Xwindow下推荐使用）

#make oldconfig（如果只想在原来内核配置的基础上修改一些小地方，会省去不少麻烦）如果不能使用Xwindow，那么就使用make menuconfig好了。界面虽然比上面一个差点，总比make config的要好多了。

选择相应的配置时，有三种选择，它们分别代表的含义如下：

Y－-将该功能编译进内核

N－-不将该功能编译进内核

M－-将该功能编译成可以在需要时动态插入到内核中的模块

在每一个选项前都有个括号, 但有的是中括号有的是尖括号，还有一种圆括号。用空格键选择时可以发现，中括号里要么是空，要么是"*"，而尖括号里可以是空，"*"和"M"。这表示前者对应的项要么不要，要么编译到内核里；后者则多一样选择，可以编译成模块。而圆括号的内容是要在所提供的几个选项中选择一项。

在编译内核的过程中，最烦杂的事情就是这步配置工作了，不清楚到底该如何选取这些选项。实际上在配置时，大部分选项可以使用其缺省值，只有小部分需要根据用户不同的需要选择。选择的原则是将与内核其它部分关系较远且不经常使用的部分功能代码编译成为可

#make zImage

编译结束后将在内核源码目录的arch/arm/boot 中得到Linux内核映像文件：zImage

5、将编译好的内核和Uboot下载进ARM11实验箱

即将cramfs、u-boot.bin、zImage这三个文件拷贝进SD卡，再通过SD卡一键烧写Linux，重新上电启动即可进入系统。

四、一键烧写Linux

1、Windows超级终端使用说明

超级终端是一个通用的串行交互软件，很多嵌入式应用的系统有与之交换的相应程序，用这些程序，可以通过超级终端与嵌入式系统交互，使超级终端成为嵌入式系统的“显示器”。步骤1. 打开超级中端。开始->程序->附件->通讯->超级终端

步骤2. 添上名称并确定，在后续的窗口中选择‘COM1’口（这里以自己电脑所连接的串口为准，我这里是COM3，自己可查看一下右键我的电脑->设备管理器），确定。

步骤3. 配置串口属性，按照下图正确进行选择，点击确定。

步骤4. 连接好PC和开发板，并给开发板上电。此时则可在超级终端上显示串口信息。

2、制作用于一键烧写LINUX的SD卡【此步骤了解即可】

步骤1：将SD卡格式化为FAT32格式

将SD卡接入SD读卡器中，把SD读卡器插在PC机的USB 口中。等到PC机能够正常识别出SD卡后，把SD卡格式化为FAT32格式。

步骤2 ：通过SD_Writer.exe将mmc.bin烧写到SD卡中

打开SD_Writer.exe。

下图是xp系统中的截图。

步骤3：”Scan”，这个步骤是自动搜寻SD卡所在盘符。

步骤4：”SD Type”更改为auto。这个步骤是为了让SD_Writer自动识别SD卡类型。步骤5：将”OS Type”更改为Linux。这个步骤是选择要烧写的系统类型。

步骤6：点击”Select Boot”,选择mmc.bin

步骤7：点击”Program”，出现”It’s OK”表示操作成功。成功后如下图。

步骤8：点击”确定”，然后点击”Qutie”。退出SD_Writer.exe。

3、烧写Linux到开发板的NandFlash中

烧写之前，如果您的开发板目前是WinCE系统（开发板出厂默认烧写WinCE系统），务必用Eboot 擦除NandFlash。擦除方法：先用串口连接好实验板和电脑的串口，打开超级终端，然后给板子上电，马上在超级终端按空格键使实验板停留在Eboot状态，按下’A’键擦除nand flash，再按’W’键保存，至此nand flash已被擦除，最后断电即可。

烧写步骤：

1、将制作好的SD卡插入开发板SD插槽。

2、接好5V直流电源。

3、拨码开关设置为SD卡启动。

拨码开关在底板SD卡启动的拨码开关设置如下：

注：上表中，1表示拨码需要调整到On；0表示拨码需要调整到Off。

在拨动开关时，务必把开关拨到底。如果没有拨到底，发生接触不良，会导致烧写失败。

4、将提供的串口延长线连接开发板的COM0和PC机的串口。

5、拨动电源开关，给开发板上电。

6、等串口输出“SMDK6410 #”（如下图）之后说明开发板进入Uboot状态，此时，就完成了烧写。

7、拨动电源开关，使开发板断电，将拨码开关设置为nand flash启动。设置如下

8、重新开启电源, Linux系统可以正常启动了。

五、挂载NFS文件系统目录

1、准备NFS文件系统的目录

启动nfs服务之前，必须在Ubuntu上准备好NFS共享目录。

例如我们采用Ubuntu的“/forlinux/root”作为NFS共享目录，就需要将“FORLINX_6410_yaffs2_v1.0.tgz”压缩文件拷贝到这个目录下，然后解压缩，得到根文件系统所需要的目录。

在Ubuntu上打开一个终端，输入以下命令：

将FORLINX_6410_yaffs2_v1.0.tgz文件拷贝到该目录下，解压：

2．查看虚拟机IP

1）、设置叫桥接方式：

在查看虚拟机IP前，我们需要把虚拟机与主机之间的链接设置为桥接方式，如不是桥接方式，改为桥接方式。

设置方法：1、点击WM。

2、setting。

3、Hardware下的Network Adapter 如下图。

4、选中桥接点击OK。

2）、查看虚拟机IP

在Ubuntu终端下输入命令：ifconfig

如下图：

IP地址为192.168.0.107

注:

如果想修改Ubuntu的IP地址可进行一下步骤：

1、如下图ifconfig后为下面现象

2、点击【编辑连接…】

3、然后点击【添加（A）】，再点击【IPV4设置】，最后设置如下，保存。

4、点击【有线连接1】

我们的NFS服务器已经配置好的，所以我们不用再虚拟机上配置NFS服务器。只需设置一下共享目录。

输入以下命令配置NFS共享目录

#sudo vi /etc/exports

在弹出的文本编辑器中编辑exports文件，在最后一行变为：

/forlinux *(rw,sync,no_root_squash)

/forlinux: 允许计算机访问的目录

rw：可读可写

sync：同步写入磁盘

no_root_squash: 表示客户端root用户对该目录具备写权限

3．在开发板上设置并保存启动参数

1、用网线把实验板和电脑连接起来。

2、启动开发板，快速按下空格键。

3、在u-boot命令行下输入以下命令设置U-boot启动参数：

【又例如】：setenv bootargs "root=/dev/nfs nfsroot=172.24.58.11:/forlinux/root ip=172.24.58.22:172.24.58.11:172.24.58.1:255.255.255.0::eth0:

console=ttySAC0,115200"

4、保存：

重新启动开发板，Linux内核启动后会自动挂载NFS文件系统。

在这，解释一下bootargs参数，以上述设置为例。在实际使用过程中，请以实际网络环境进行修改：

nfsroot后的参数为主机IP和主机上NFS共享目录的路径。

ip后的参数

192.168.0.108 172.24.58.22 开发板ip 可以设置在和主机IP同一网段的任意IP 192.168.0.107 172.24.58.11 主机ubuntu的IP地址

192.168.0.1 172.24.58.1 网关

255.255.255.0 子网掩码

5、启动NFS服务：

#sudo /etc/init.d/portmap retart ---重启portmap，很重要

#sudo /etc/init.d/nfs-kernel-server restart ---重启nfs服务

六、交叉编译器的使用

编译及运行：

A本机编译

本机编译简单说就是在什么环境下编译就在什么环境下运行。我们这个在PC机Linux 环境下运行，当然也是运行在PCl机Linux环境下。编译命令如下：

gcc -o hello-pc hello.c //该命令得到的可执行文件为hello

运行可执行程序

./hello-pc

输出forlinx—Hello world!

B交叉编译。

交叉编译实际上就是从A环境下编译，在B环境下运行。我们是在PC机Linux环境下编译在飞凌6410开发板上运行。编译命令如下：

#/usr/local/arm/4.2.2-eabi/usr/bin/arm-linux-gcc –o hello-arm hello.c

编译完成后，得到hello-arm可执行文件。这个文件不能再PC上运行

如果此时在PC上执行改成虚怎会提示如上图:“不可执行的二进制文件”。

现将hello-arm可执行文件通过NFS挂在到开发板中，在开发板上执行。

1、在/forlinux/root/目录下新建文件夹，将hello-arm拷入其中。

2、查看超级终端

3、在开发板上运行程序hello-arm

2、简单LED驱动

LINUX内核常用函数

设备号注册

register_chrdev(unsigned int, const char *,struct file_operations *)

申请设备号函数，如果第一个参数是0，表示动态的分配给此驱动程序一个主设备号，，非零时候，表示备驱动程序向系统申请主设备号，第二个是设备名，第三个file_operations，如果是动态分配的，则函数返回分配的主设备号。

对应的使用unregister_chrdev(unsigned int, const char *);来注销设备，第一个参数是主设备号，必须和注册时候的主设备号一致，如果注册时候是动态的分配的主设备号，就需要保存起来。第二个是设备名。

open函数

int(*open)(struct inode*,struct file*)

在设备文件上的第一个操作，并不要求驱动程序一定要实现这个方法。如果该项为NULL,设备的打开操作永远不成功。

void（*release）（struct inode*，struct file*）

当设备文件被关闭时调用这个操作。与open相仿，release也可以没有。

读写函数

ssize_t xxx_read(struct file *filp,char __user *buff,size_t count,loff_t*offp);

ssize_t xxx_write(struct file *filp,char __user *buff,size_t count,loff_t *off);

Filp是文件指针，count是请求传输的数据量。Buff参数指向数据缓存。最后，offp指出文件当前的访问位置。

内核提供了专门的函数用于访问用户空间的指针

例如：

int copy_from_user(void *to,const void __user *from,int n)

int copy_to_user(void __user *to,const void *from,int n)

用户ioctl函数

int ioctl（int fd，unsigned long cmd，…）

原型中的点表示这是一个可选的参数，存在与否依赖于控制命令（第2个参数）是否涉及到与设备的数据交互。

驱动ioctl函数

int（*ioctl）（struct inode* indoe，struct file *filp，unsigned int cmd，unsigned long arg）cmd参数从用户空间传下来，可选的参数arg以一个unsigned long的形式传递，不管它是一个整数或一个指针。如果cmd命令不涉及数据传输，则第2个参数arg的值无任何意义。