本文中使用的目標平臺AT91SAM9G20是Atmel公司使用ARM926EJ-S處理器內核開發的一塊SoC嵌入式微處理器，主頻達到400MHz，具有Atmel 先進的外設DMA 和分佈式存儲器架構，連同6層總線矩陣，可實現存儲器、外設和外部接口之間的多重數據同時傳送，而無需耗費CPU的時鐘週期。與引腳兼容的200 MHz AT91SAM9260相比，AT91SAM9G20提供多達4倍的高速緩存和片上 SRAM 內存，並具有增強的外接 NAND 閃存錯誤校正功能，以及更大的以太網 FIFO，能夠減少傳輸延遲。其外部總線接口(EBI)的時鐘頻率爲133 MHz，用於片外存儲器的高速數據傳送。這些特性使得開發人員可以將WindowsCE和Linux等操作系統移植到基於這塊微處理器的目標系統中。
操作系統也是嵌入式系統的重要組成部分。當今的嵌入式操作系統各種各樣，有VxWorks、QNX、Palm OS，Windows CE、Linux， uClinux，ucos ii等，每種操作系統都有其與衆不同之處，本文移植的嵌入式操作系統爲Linux。廣泛開放源代碼的Linux應用已經被移植到嵌入式的運行環境中，可以任意剪裁和修改後將其移植入自己的硬件平臺上，因此使用Linux開發嵌入式操作系統，可以加快嵌入式系統的開發速度，縮短產品進入市場的時間。
本文的工作主要包括Boot loader實現，Linux內核移植、文件系統的實現三個部分。
搭建交叉開發環境
在移植操作系統之前，首先要在一臺裝有Linux的PC機上搭建好開發環境，例如我們的宿主機爲Ubuntu10.04，爲獲得所有操作權限，以root身份登錄宿主機Linux系統。在 usr/local/目錄下建立arm路徑，下載交叉編譯工具arm-linux-gcc-4.3.2.tgz，將之複製到文件夾/usr/local/arm/下，並將其解壓；最後需要修改環境變量，設置默認交叉編譯工具爲arm-linux-gcc-4.3.2。利用Linux下編輯工具(如vim)打開/root/.bashrc文件，在文件末尾添加如下代碼:
if
[ -d /usr/local/arm ] ;
then PATH=/usr/local/arm/4.3.2/bin:"${PATH}"
fi
到此交叉編譯工具搭建完畢，爲驗證交叉編譯工具是否搭建成功，可以在終端下輸入命令 arm-linux-gcc -v，搭建成功後會在終端下顯示arm-linux-gcc的版本。注意此處必須註銷用戶，重新登錄系統後設置纔會生效。
引導程序
系統上電之後，需要一段程序來進行初始化：關閉看門狗、改變系統時鐘、初始化存儲控制器、將更多的代碼複製到內存中等，這段程序被稱爲Boot loader。簡言之Boot loader就是在系統上電後開始執行，初始化硬件設備、準備好軟件環境、最後調用操作系統內核。Boot loader的實現非常依賴與具體的硬件，在嵌入式系統中硬件配置千差萬別，即使是相同的CPU，外設資源也不盡相同，因此需要根據特定的硬件進行移植。
Boot Loader包含兩種不同的操作模式：啓動加載模式和下載模式。上電後，Boot loader從板子上的某個固態存儲設備上將操作系統加載到RAM中運行，整個過程沒有用戶的介入，一般用於最終產品。下載模式下則在開發過程中使用，開發人員可以使用各種命令，通過串口或網絡等通信手段從宿主機下載文件(比如內核映像，文件系統映像)，將它們直接放入內存或是燒入flash類固態存儲設備中。
爲了在AT91SAM9G20上實現嵌入式操作系統運行，AT91SAM9G20採用了三.級引導方式，其Boot Loader程序由三部分組成，即RomBoot、Bootstrap和U-Boot，三.級引導程序的流程如圖1所示。
第一級引導程序Romboot固化在AT9lSAM9G20內部，上電或復位後先運行這段引導代碼，其作用是將存儲於外部FLASH第二級引導程序Bootstrap加載到CPU內部的SRAM中執行。Bootstrap存儲在外部FLASH的前4KB空間，其功能包括初始化時鐘、SDRAM控制器以及DEBUG串口等硬件資源，並將第三 級引導程序U-Boot從FLASH加載到SDRAM執行。U-Boot將嵌入式Linux操作系統從FLASH引導和加載到SDRAM中，並將CPU的控制權交給Linux。
本次移植使用的U-boot的版本爲1.3.4，限於篇幅，本文不做詳細的介紹。
內核的裁剪編譯
1.準備工作
從Linux官網下載linux內核源碼linux-2.6.30.tar.bz2，並從Atmel官網下載at91sam9g20的補丁文件(2.6.30-at91.patch.gz 和2.6.30-at91-exp.3.tar.gz)。在宿主機Linux開發環境下，建立自己的工作目錄，例如工作目錄爲home/work/，將上述三個文件拷貝至工作目錄下，解壓Linux2.6.30，並將2.6.30-at91.patch.gz和2.6.30-at91-exp.3.tar.gz拷貝至Linux2.6.30根目錄下，同時解壓2.6.30-at91-exp.3.tar.gz。完成此部分工作如下圖2所示。
2.添加補丁文件
進入上述linux-2.6.30根目錄，執行如下兩條命令：
zcat 2.6.30-at91.patch.gz | patch -p1
for p in 2.6.30-at91-exp.3/*; do patch -p1 < $p ; done
執行成功之後，即將從ATMEL官網下載的針對at91sam9g20的補丁文件添加進linux-2.6.30內核中，包括驅動程序，內核配置文件等。
3.U-boot引導Linux內核啓動
a、機器碼的確定
通常，在u-boot和kernel中都會有一個機器碼(即：MACH_TYPE)，只有這兩個機器碼一致時才能引導內核。首先，確定U-boot中的MACH_TYPE，在U-boot的include/asm-arm/mach-types.h文件中針對不同的CPU定義了非常多的MACH_TYPE，可以找到下面這個定義：
#define MACH_TYPE_AT91SAM9G20EK_2MMC 2288
其次，確定kernel中的MACH_TYPE。在Linux2.6.30的arch/arm/tools/mach-types文件中也針對不同的CPU定義了非常多的MACH_TYPE，也可以找到下面這個定義
at91sam9g20ek_2mmc MACH_AT91SAM9G20EK_2MMC AT91SAM9G20EK_2MMC 2288
只有這兩者定義一致，u-boot才能完成對內核的引導，否則就會出現mach的錯誤信息。
b、添加引導地址
位於內核平臺arm目錄kernel下的head.S文件是用匯編代碼完成的，它是內核最先執行的一個文件。這一段彙編代碼的主要作用，是檢查cpu id，architecture number，初始化頁表、cpu、bbs等操作，並跳到start_kernel函數。
找到ENTRY(stext)，添加如下代碼：
ENTRY(stext)
mov r0， #0
mov r1， #0x8f0
ldr r2， =0x20000100
其中r1存放是是architectureID(2288十六進制爲0x8f0)，r2存放 atags 指針。 Linux內核的啓動順序如圖3所示。
4.配置和編譯
首先要配置編譯工具，打開Linux的根目錄下的Makefile文件，找到下面的代碼進行修改：
export KBUILD_BUILDHOST := $(SUBARCH)
ARCH ?= arm
CROSS_COMPILE ?= /usr/local/arm/4.3.2/bin/arm-linux-
制定平臺爲arm平臺，交叉編譯工具爲arm-linux-gcc-4.3.2；保存之後進入linux-2.6.30根目錄，執行以下命令：
#make distclean
#make clean
此步驟刪除一些以前編譯產生的一些中間文件、臨時文件，以避免編譯出錯。最後執行命令
#make at91sam9g20ek_2mmc_defconfig
#make uImage
即根據at91sam9g20配置內核，並編譯生成內核映像文件，其中make uImage是U-boot編譯生成的工具，在uboot的/tools目錄下尋找mkp_w_picpath文件，將其複製到系統/usr/local/bin目錄下，這樣就可以運行make uImage命令。編譯完成之後(大概需要十幾分鍾)，便可以在arch/arm/boot/目錄下發現uImage文件，就是我們需要的內核映像文件，下載至工控板便可以運行。
5.修改和添加驅動程序
以上步驟生成的內核映像文件是按照Atmel官網的配置進行裁剪修改的，由於實際硬件配置的不同，就要針對具體的硬件設備修改相應的驅動程序，在Linux內核中增加驅動程序需要完成以下3項工作：
將編寫的源代碼複製到Linux內核源代碼的相應目錄中。在目錄的Kconfig文件中增加新源代碼對應項目的編譯配置選項。在目錄的Makefile文件中增加對新源代碼的編譯條件。
以添加nandflash驅動程序爲例進行說明。at91sam9g20工控板的存儲芯片芯片採用三星的K9F2G08U0A實現，針對at91sam9g20編寫此芯片驅動，例如驅動文件爲9g20_nandflash.c，將此文件添加至/linux2.6.30/driver/mtd/nand目錄下，並修改Kconfig和Makefile文件。其中Makefile文件添加
obj-$(CONFIG_MTD_NAND_ATMEL) += 9g20_nandflash.o
Kconfig文件中添加如下代碼：
config MTD_NAND_ATMEL
tristate "Support for SAM9G20 NAND Flash"
depends on ARCH_AT91
help
完成之後在linux2.6.30根目錄執行make menuconfig，選擇nandflash驅動程序。如下所示。
Device Drivers --->
<*> Memory Technology Device (MTD) support --->
<*> NAND Device Support --->
<*> Support for SAM9G20 NAND Flash
其中配置內核文件，選中要配置的選項，此時按下“Y”鍵，將此選項編譯進內核，按下“M”鍵，將此選項編譯成內核模塊，按下“N”鍵表示從內核中刪除此選項。
如需要添加分區信息，則在board-sam9g20ek-2slot-mmc.c文件中添加NAND閃存的分區表：
static struct mtd_partition __initdata ek_nand_partition[] = {
{
.name = "BootLoader"，
.offset = 0，
.size = 0x00200000，
}，//0分區
{
.name = "Linux Kernel"，
.offset = 0x00200000，
.size = 0x00200000，
}，//2M
{
.name = "Cramfs"，
.offset = 0x00400000，
.size = 0x00A00000，
}，//10M
{
.name = "FS"，
.offset = 0x00E00000，
.size = 0x0F200000，
}，
};
保存後，重新編譯內核，即可生成帶有nandflash驅動的內核映像文件。
按照上述分區表進行分區，nandflash的資源分佈如圖4所示，我們可以看到引導程序所說明的Bootloader在閃存中的存儲情況，Linux內核以及下文要闡述的文件系統在此工控板上的存儲情況。
文件系統的實現
選擇文件系統，要根據具體應用的需求，一般要考慮可靠性，健壯性和增強的需求。如果是像工控這樣的不需經常更新控制程序的應用來說，選擇CARAMFS這樣的只讀文件系統已經足夠了，而且它還可以帶來的另外一個好處就是CRAMFS的壓縮率高達50%，可以大大節省我們的存儲空間。但是如果是像涉及到數據採集這類需要保存數據的應用來說，只讀的文件系統就很難滿足應用系統的需求，我們可以選擇 JFFS 或者 YAFFS 這樣的可讀寫的文件系統。不過在實際應用中，需要考慮的因素還應該更多。根據不同文件系統的特點，結合本9g20工控板的應用場合，採用了cramfs+jffs2文件系統。
文件系統的製作步驟大致如下：
下載busybox進行編譯，生成Linux系統最常用的命令，這裏可以根據需求選擇常用的系統工具。本文件系統採用busybox-1.14.2，使用交叉編譯工具爲arm-linux-gcc-4.3.2，這裏需要注意的是編譯busybox和編譯linux內核的交叉編譯工具最好使用同一版本的編譯工具。
建立文件系統所需要的文件，如下所示：
mkdir /9g20_rootfs
cd /9g20_rootfs
mkdir bin dev etc home lib mnt proc sbin sys tmp usr var
同時將busybox生成的bin和sbin目錄拷貝至9g20_rootfs目錄下，並將編譯busybox所需的動態連接庫文件，拷貝至9g20_rootfs /lib目錄下。
編寫必須的配置文件下，如etc目錄下的rcS、inittab、fstab等等文件，並注意文件的執行權限。
下載cramfs製作工具cramfs-1.1.tar，編譯後將生成的可執行程序mkcramf拷貝至/usr/bin目錄下，即可執行mkcramfs 9g20_rootfs 9g20.cramfs，生成的9g20.cramfs文件就是所需的文件系統。
添加jffs2分區，在/etc/init.d/rcS文件中添加如下命令：
#mount -t jffs2 /dev/mtdblock3 /home
即將mtdblock3以jffs2文件系統方式掛載爲home目錄，這樣/home目錄是可讀可寫，既解決了cramfs只讀的限制，同時系統文件是隻讀，用戶程序和數據可讀可寫，有利於保護系統文件，又減少了文件系統的體積，特別適用於嵌入式系統。
將生成的內核映像和文件系統映像下載至工控板後，可以看到移植完成後，系統正常啓動，經測試移植後的系統正常穩定運行。
本文小結
本文系統地闡述了以AT91SAM9G20的ARM9處理器爲硬件平臺的嵌入式Linux系統的構建過程，並以nandflash驅動爲例闡述了Linux下驅動程序的編寫步驟，最後給出了文件系統的解決方案。構建嵌入式Linux系統是個複雜的課題，需要對Linux操作系統內核有一定的瞭解，特別是Linux的啓動過程；驅動程序的編寫既要熟悉硬件知識，又要熟悉Linux內核數據結構；而且系統的實時性、安全性、穩定性、精簡化等方面都需要開發人員在設計中進一步考慮。經過系統測試，本文移植的Linux系統運行穩定，AT91SAM9G20的良好性能得以充分應用，爲後續應用程序的開發提供了堅實的基礎。
作者:作者：袁莎莎，蔣健，陳煒
參考文獻
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