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Tiny6410开发板Linux系统自学笔记

2013-05-01  adkada
一、嵌入式Linux系统 自学计划:
0、学习嵌入式Linux系统启动、加载的工作原理。
1、搭建针对目标CPU的Linux编译环境。
2、移植、编译针对目标CPU单板的Bootloader。
3、移植、编译针对目标CPU单板的Linux内核。
4、制作用于Linux内核启动的根文件系统。
4、定制、开发针对目标CPU单板的硬件驱动程序。
5、开发基于嵌入式Linux平台的应用程序。
 
二、参考文档:
《ARM学习报告1~3》
《嵌入式Linux入门笔记》
《嵌入式Linux性能详解》
《Tiny6410 Linux开发指南》

6410 BootLoader启动过程分析:
S3C6410支持从SD卡或Nand FLASH直接启动,但是实际上板子上电后,会首先执行芯片内部iRom中的代码,iROM中的代码会根据GPN[15:13]的管脚来判断从哪个存储设备中读取4KB的启动代码,并放入SteppingStone中运行,这段代码被称为Bootloader1(BL1)。【因为SteppingStone 是SRAM,所以不需要初始化就可以使用】
所以,整个启动过程可以分成BL0, BL1, BL2 三个阶段, 其中BL0是固化在s3c6410内部的iROM中的,
1、BL0处理流程如下图所示

2、BL1的处理流程
对于SD卡, BL1代码位于(totalSector - 18) 的扇区
对于SDHC卡,BL1代码位于(totalSector-1042)的扇区
对于NANDFLASH,BL1代码位于最前面的4K空间
因为最终的系统需要运行在DDR内存中,所以,BL1首先需要执行DDR的初试化,然后再将GPN[15:13]管脚指定的存储设备中bootloader代码(BL1+BL2)拷贝到DDR中,然后重定位到编译器编译时指定的位置,然后跳转。

3、此时,DDR中的BL2就是完成一些复杂的初始化,以及很多辅助调试功能,比如网络命令,usb命令,nand命令等等,最后执行你的bootcmd,将内核加载到指定位置,将bootargs放到指定位置,传递给内核mach_type,bootargs的存放地址,然后跳转到内核执行,到这里bootloader就完成使命然后消失了。以说我们可以认为BLx是bootloader的几个阶段,其实如果只是基本功能的话,完全可以将代码压缩到8K以内,那么就不需要重定位,编译的时候直接从0地址开始就行了。
 
五、BL2将Linux内核加载到RAM的原理分析
BL1的主要工作包括:
1、硬件设备初始化
2、加载U-Boot第二阶段代码到RAM空间
3、设置好栈
4、跳转到第二阶段代码入口
 
BL2的主要工作包括:
1、初始化本阶段使用的硬件设备
2、检测系统内存映射
3、将内核从Flash读取到RAM中
4、为内核设置启动参数
5、调用内核
 
1、BL1结束之后,BL2执行之前,系统内存的使用情况 
图2 bootloader 的 stage2 可执行映象刚被拷贝到 RAM 空间时的系统内存布局
 
2、嵌入式LInux设备NAND FLASH上典型的空间分配情况:
 
如上图所示,Boot Loader文件内核启动参数内核文件根文件系统的镜像文件, 这四个文件从FLASH的低地址开始依次保存。
6410大致启动过程是:芯片上电找到NAND FLASH起始地址上保存的Boot Loader并运行,Boot Loader读取内核启动参数,再将内核
文件和根文件系统的镜像文件加载到RAM中运行。
所以,我们后面的学习目标就是如何为特定的CPU和目标单板生成 上述四个系统文件,以及它们的系统工作原理。
三、6410系统内存分配:
ARM CPU采用统一存储空间映射,将各种存储设备:寄存器,ROM,RAM,Flash都映射到这一地址空间。
S3C6410的物理内存分成Memory和Pheriperal两部分,地址范围分别为0x0~0x6fffffff 和 0x7000_00000~x7fffffff。
Memory,又叫主内存,分为4大区域,分别是启动镜像区、内部内存区、静态内存区、动态内存区
0x0000_0000~0x07FF_FFFF 128MB 启动镜像区
0x0800_0000~0x0BFF_FFFF   64MB 内部内存区ROM
0x0C00_0000~0x0FFF_FFFF   64MB 内部内存区RAM 【Stepping Stone(8KB)】
启动镜像区物理地址为0x00000000~0x07ffffff,共128MB。这个区域的作用正如它的名字所述,是用来启动系统的。
但是这个范围内并没有实际的存储介质与之对应,只能在通过OM[4:0]选择具体的启动介质后再把相应介质的物理
地址映射到这个启动区,比如说选择了IROM 启动方式后,就把IROM所占的地址空间映射为0x00000000开始的空间。

内部内存区物理地址为0x08000000~0x0fffffff,共128MB。这个区域对应着内部的内存地址,内部的ROM和SRAM都
是分布在这个区间。其中,0x08000000~0x0bffffff对应着内部ROM,当然实际上内部的ROM也并没有64MB这么多,
只有32KB是有实际存储介质的,这32KB是一个只读区,放的是IROM方式下的启动代码,选择IROM启动的时候首先
运行的代码就是这一部分,称为BL0,这部分代码由厂家固化。0x0c000000~0x0fffffff对应内部SRAM,实际可用
的SRAM按照三星的手册是4KB,其实这就是用于nand flash启动的Steppingstone。

// 静态存储区 0x1000_0000~0x3FFF_FFFF 3*128MB
0x1000_0000~0x17FF_FFFF  128MB
0x1800_0000~0x1FFF_FFFF  128MB DM9000AEP
0x2000_0000~0x27FF_FFFF  128MB
0x2800_0000~0x2FFF_FFFF  128MB
0x3000_0000~0x37FF_FFFF  128MB
0x3800_0000~0x3FFF_FFFF  128MB
静态内存区物理地址为0x10000000~0x3fffffff,共3*128MB。这个区域用于访问挂在外部总线上的设备,比如说
SRAM、NOR flash、oneNand等。当映射到这些器件的时候这些bank的地址也不能再使用了,访问这些非线性存储
器还是得通过Pheriperal空间的AHB总线进行,和S3C2410中的访问方式是一样的。

// 动态存储区 0x4000_0000~0x6FFF_FFFF 3*256MB
0x4000_0000~0x47FF_FFFF  128MB
0x4800_0000~0x4FFF_FFFF  128MB
0x5000_0000~0x5FFF_FFFF  256MB  DDR RAM
0x6000_0000~0x6FFF_FFFF  256MB  DDR RAM
动态内存区物理地址为0x40000000~0x6fffffff,共3*256MB。其中第一个256MB为保留区,实际使用的动态内存区
为 0x50000000~0x6fffffff,又分为2个区间,分别占256MB,可以通过DMC的Xm1CS[1:0]来进行着2个区间的选择。
这个内存区主要是扩展DRAM,最大可以扩展512MB的DRAM。

// 外设地址空间
0x7000_0000~0x7xxx_xxxx


 
六、搭建针对目标CPU的Linux编译环境
1、建立Linux 开发环境,首先安装Linux系统,为了新手学习简单,建议用vmware虚拟机安装Linux系统,实际商业开发过程,这种方式可能不够严谨。
2、安装Linux交叉编译工具链:
我们使用的是arm-linux-gcc-4.5.1,它默认采用armv6指令集,支持硬浮点运算,下面是安装它的详细步骤。
Step1:将arm-linux-gcc-4.5.1-v6-vfp-20101103.tgz 复制到Linux系统的某个目录下如tmp/,
然后进入到该目录,执行解压命令:
#cd /tmp
#tar xvzf arm-linux-gcc-4.5.1-v6-vfp-20101103.tgz –C /
注意:C 后面有个空格,并且C 是大写的,它是英文单词“Change”的第一个字母,在此是改变目录的意思。/表示解压到根目录,这里执行该命令,
将把 arm-linux-gcc 安装到/opt/FriendlyARM/toolschain/4.5.1 目录。
【Linux系统压缩文件的格式说明】
*.Z            compress 程序的压缩档案;
*.gz          gzip 程序压缩的档案;
*.bz2        bzip2 程序压缩的档案;
*.tar          tar 程序打包的数据,并没有压缩过;
*.tar.gz     tar 程序打包的档案,其中并且经过 gzip 癿压缩
*.tar.bz2  tar 程序打包的档案,其中并且经过 bzip2 癿压缩
【tar命令的参数说明】:
-c :建立打包档案,可搭配
-v :察看过程中被打包的文件名
-t :察看打包档案癿内容吨有哪些的文件名
-x :解打包或解压缩,可以搭配 -C (大写) 在特定目录解开 特别留意的是, -c, -t, -x 不可同时出现。
-j :透过 bzip2 的支持进行压缩/解压缩:此时档名最好为 *.tar.bz2
-z :透过 gzip 癿支持迚行压缩/解压缩:此时档名最好为 *.tar.gz
-v :在压缩/解压缩的过程中,将正在处理的文件名显示出来
-f filename:-f 后面要立刻接要被处理的文件名
-C 目录 :这个选顷用在解压缩,若要在特定目录解压缩,可以使用这个选顷。
Step2:把编译器路径加入系统环境变量,运行命令。
#gedit /root/.bashrc
编辑/root/.bashrc 文件,注意“bashrc”前面有一个“.”,修改最后一行为
export PATH=$PATH: /opt/FriendlyARM/toolschain/4.5.1/bin
注意路径一定要写对,否则将不会有效。重新登录系统(不必重启机器,开始->logout 即可),使以上设置生效,在命令行输入arm-linux-gcc –v,会出现如下信息,这说明交叉编译环境已经成功安装。 
 
【反编译工具:arm-linux-objdump】
【ELF文件查看工具:arm-linux-readelf 】
  
七、Bootloader文件的原理、移植和编译
1、uboot代码移植
首先执行如下命令,分别创建工作目录/opt/FriendlyARM/mini6410/linux和临时目录,并把光盘中linux 目录中的所有文件都复制到/tmp/linux 目录中,
#mkdir –p /opt/FriendlyARM/mini6410/linux
#mkdir /tmp/linux
然后在工作目录/opt/FriendlyARM/mini6410/linux 中执行解压安装U-boot 源代码
#tar xvzf /tmp/linux/ u-boot-mini6410-20101106.tar.gz
将u-boot代码加压到opt/FriendlyARM/mini6410/linux/u-boot-mini6410目录下。
 
uboot代码目录结构:
板级移植需要修改的板级配置文件:
 
2、uboot代码编译
在 opt/FriendlyARM/mini6410/linux/u-boot-mini6410目录下找到makefile文件,打开文件可以看到几个相关的编译选项,如下:
mini6410_nand_config-ram128 // 为系统内存128M,从NANDFLASH启动的设备生成编译配置文件
mini6410_sd_config-ram128     // 为系统内存128M,从SD卡启动的设备生成编译配置文件
mini6410_nand_config-ram256 // 为系统内存256M,从NANDFLASH启动的设备生成编译配置文件
mini6410_sd_config-ram256     // 为系统内存256M,从SD卡启动的设备生成编译配置文件
 
进入uboot源代码根目录:cd /opt/FriendlyARM/mini6410/linux/u-boot-mini6410
生成配置文件:make mini6410_nand_config-ram256
开始编译:make
最终生成u-boot.bin文件,用于下载到FLASH上。为了便于区分,可以将u-boot.bin文件改名为u-boot_nand-ram256.bin。 
另外,我们也可以选择编译用于SD卡启动的uboot文件。

要把新编译生成的u-boot.bin下载到开发板的FLASH上,需要先用SD卡上的uboot启动6410开发板,SD卡启动在串口下显示如下用户菜单: 
[f]:输入f,格式化FLASH,如上图所示,
[v]:输入v,将uboot.bin文件下载到FLSAH上,如下图所示:
注意,下载uboot时需要使用dnw.exe工具,且只有先输入v以后,dnw.exe工具上的状态才会显示[USB:ok]
 
 将uboot下载到FLASH以后,切换启动开关后,单板重新上电,启动FLASH上的uboot,如下图所示: 
上面菜单中的选项,首先要了解[k],下载linux内核镜像文件,下载内核文件之前,我们需要先编译得到linux内核文件。
 
八、Linux内核文件的原理、移植和编译
1、Liinux内核代码移植
进入工作目录/opt/FriendlyARM/mini6410/linux 执行,如下命令,生成生成linux-2.6.38 目录,如下图所示
#tar xvzf /tmp/linux/ linux-2.6.38-20110325.tar.gz 
 
2、Linux内核代码编译,首先进入linux-2.6.38 目录,
 
【1】清除原有的配置文件和中间文件
#make distclean
 
【2】配置内核,生成新的配置文件 .config
#make menuconfig ARCH=arm
Tiny6410开发板已经为我们准备好了相关的配置文件,所以这一步可以省略。Tiny6410原配的是4.3寸的触摸屏,所以使用config_mini6410_n43作为内核编译的配置文件。
 
【3】编译内核
#make uImage ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-
输入#make zImage,开始编译内核,在arch/arm/boot 目录下生成linux 内核映象文件zImage。
 
将编译得到的内核镜像文件zImage通过uboot下载到FLASH上运行,
内核在启动期间进行的最后操作之一就是安装根文件系统,并读取根文件系统中的配置文件,所以接下来我们要学习根文件系统。

 九、制作用于Linux内核启动的根文件系统
1、根文件系统的作用和工作原理
    首先,根文件系统是Linux(或者说是UNIX类)操作系统运行时所需要的特有文件系统。根文件系统不仅具有普通文件系统的存储数据文件的功能,还被操作系统用来存储运行时所需要的一些特殊文件。这些特殊文件包括:busybox (提供 shell 命令集)、配置文件(通常位于/etc目录下用来初始化和布局你的文件系统)、设备文件(位于/dev目录下)、必要的库文件。设备文件实际上保存着对应设备的一些相关参数,操作系统通过使用它们来与应用程序进行接口,并与设备进行交互。因此根文件系统是Linux运行时所必须的。
    另外,为了让内核文件的大小合适,不可能把所有的功能都编译到内核文件中,所以有些内核需要的功能是以内核模块的形式存在的(例如一些驱动程序)。为了使内核文件在运行的时候可以找到并加载这些内核模块, 就需要将内核模块保存在根文件系统中。其实根文件系统就是一个普通的文件,它的制作过程是:
(1)按照Linux内核要求,制作根文件系统的所需要的根目录和子目录,
(2)将内核运行需要的文件编译并保存到正确的目录,
(3)使用专门的工具将整个目录转换成合适的镜像文件,这个文件可以直接烧写到存储设备上去。
 
2、手动创建根文件系统目录和文件:这个工作和系统的存储介质无关
#mkdir rootfs
#cd rootfs
#mkdir bin dev etc lib proc sbin sys usr mnt tmp var
#mkdir usr/bin usr/lib usr/sbin lib/modules
(2)创建设备文件(如果不创建这两个设备文件,在文件系统启动时会出现错误信息,不能初始化控制台。
#cd dev/
#mknod -m 666 console c 5 1
#mknod -m 666 null c 1 3
#cd.. 
 
(3)安装/etc目录
/etc目录下是一些配置文件etc/inittab  etc/profile  etc/fstab etc/init.d/rcs和具体硬件无关,各种机器上的这些配置文件大同小异可以复用。
因为这些配置文件和系统启动相关,所以在学习配置文件之前,先简单了解一下系统的启动过程:
在linux内核启动到start_kernel()函数的最后,通过调用init()函数,创建第一个核心线程,核心线程主要进行一些外设初始化工作,包括调用do_basic_setup()完成外设及其驱动程序的加载和初始化,完成文件系统初始化和root文件系统的安装。当do_basic_setup()函数返回init(),init()又打开了/dev/console设备,重定向三个标准的输入输出文件stdin、stdout和stderr到控制台,最后,搜索文件系统中的init程序(sbin目录下的init文件,其实也是busybox文件)或者由init=命令行参数指定的程序,并使用 execve()系统调用加载执行init程序。此时Linux完成内核启动,开始运行init程序,init程序需要读取配置文件/etc/inittab。所以inittab是系统执行的第一个配置文件。当 Busybox 的初始化程序执行时,首先试图在/etc 下查找启动文件inittab,如果找到则按照inittab 文件定义的顺序执行;如果找不到inittab,则默认执行/etc/init.d/rcS 脚本,之后启动相应的 shell。在 Busybox 的inittab 文件中,通常定义系统初始化时执行的也是/etc/init.d/rcS 脚本。也就是说,无论inittab 文件的存在与否,Busybox 初始化时,都会先执行rcS 脚本。
所以,接下来我们需要学习的是:
1、inittab文件结构
2、rcS脚本语法
 

inittab文件中每个登记项的结构都是一样的,分别以冒号“:”分隔的4个字段。具体如下: 
identifier :  run_level  :  action  :  process 
其中,各字段以及与其相关的说明如下: 
identifier:登记项标识符,最多为4个字符。用于惟一地标识/etc/inittab文件中的每一个登记项 
run_level:系统运行级,即执行登记项的init级别。用于指定相应的登记项适用于哪一个运行级,即在哪一个运行级中被处理。如果该字段为空,那么相应的登记项将适用于所有的运行级。在该字段中,可以同时指定一个或多个运行级,其中各运行级分别以数字0.1.2.3.4.5.6或字母a、b、c表示,且无需对其进行分隔。
action:动作关键字。用于指定init进程对相应进程(在“process”字段定义)所实施的动作。具体动作包括: 
               1、boot:
               2、bootwait:
               3、initdefault:
               4、off:
               5、once:
               6、ondemand:
               7、powerfail 
               8、powerwait 
               9、respawn 
              10、sysinit  
              11、wait:
process:所要执行的shell命令。任何合法的shell语法均适用于该字段。

嵌入式Linux系统的inittab文件没有运行级别的概念,所以大致的内容如下:
::sysinit:/etc/init.d/rcS                  ## 指定系统启动后首先执行的文件
::respawn:-/bin/login -f root       ## 自动作为root账户登录
::askfirst:-/bin/sh                           ## 类似respawn,它将会促使init在控制台上显示“Please press Enter to active this console”的信息,并在重新启动之前等待用户按下enter
::ctrlaltdel:/sbin/reboot                ## 设置ctrl+alt+del键对应的动作(重启文件系统)
::shutdown:/bin/umount -a -r     ## 设置关机时对应的动作(卸载所有文件系统)
::restart:/sbin/init                           ## 设置系统重启时对应的动作(运行的init程序)

创建etc/init.d/rcS文件:rcS文件是一个脚本文件,借助这个脚本可以设置各种程序开机后自动运行,也可进行其他系统设置,类似于Windows系统中的自动批处理文件。
#!/bin/sh     ## 符号#!用来告诉系统它后面的参数是用来执行该文件的程序
PATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin  ## 首先设置了PATH环境变量,只是为了后续命令使用方便
runlevel=S  
prevlevel=N  
umask 022  
  
export PATH runlevel prevlevel  
  
/bin/hostname zinix 
/bin/mount -n -t usbfs none /proc/bus/usb

echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug
/sbin/mdev -s
/bin/hotplug
# mounting file system specified in /etc/fstab
mkdir -p /dev/pts
mkdir -p /dev/shm
注意最后还要改变它的属性使它能够执行
 

 
 

创建etc/fstab文件:fstab文件描述系统中各种文件系统的信息,应用程序读取这个文件,然后根据其内容进行自动挂载的工作
device   mount-point    type    options   dump   fsck order
文件中各字段的意义如下:
1)device:要挂接的设备,如/dev/mtdblockl;
2)mount-point:挂接点;
3)type:文件系统类型;
4)options:挂接参数,以逗号隔开;
5)dump和fsck order:用来决定控制dump、fsck程序的行为。

创建用户和组文件:
在etc目录下增加passwd和group两个文件。首先增加passwd文件,passwd一共由7个字段组成,6个冒号将其隔开。其含义分别为:
1)用户名;
2)是否有加密口令,x表示有,不填表示无,采用MD5、DES加密;
3)用户ID;
4)组ID;
5)注释字段;
6)登录目录;
7)所使用的shell程序。
passwd的内容为root:x:0:0:root:/root:/bin/sh
只有增加了passwd文件,启动以后命令行才会显示[root@zinix /]# ,否则只会显示[@zinix /]# 

group共由4个字段组成,3个冒号将其隔开。含义分别为:
1)组名;
2)是否有加密口令,同passwd;
3)组ID;
4)指向各用户名指针的数组。
/home/work/rootby/etc/group内容如下:
root:x:0:

安装glibc库 

 在开发板上需要加载器和动态库,执行如下几个命令:

 $mkdir-p/home/work/rootby/lib 

 $cd/home/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/arm-linux/lib 

 $cp*.SO*/home/work/rootby/lib-d


(4)编译内核模块

#make modules ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-
(5)安装内核模块
#make modules_install ARCH=arm INSTALL_MOD_PATH=/XXX/rootfs
 
3、使用BusyBox制作根文件系统
BusyBox的作用与原理:根文件系统的目录下面除了放置内核运行需要的内核模块文件以外,还需要放置提供给用户使用的系统命令,例如:ls、cat之类。这些命令如果重头开发就太没意思了,所以有人搞了个busybox,这玩意编译完以后其实也就是一个应用程序,但是它实现了Linux系统大部分的命令(它的编译也需要使用make menuconifg命令生成指导编译的配置文件),将编译得到的busybox文件放置到根文件系统特定的目录,然后再建立一些软连接,这样面向用户的Linux系统命令就移植完成了。
bsuybox的编译视频:

打开busybox自带的FTP服务器:
方案1:在bin目录下创建软链接:ln -s busybox tcpsvd
              这个tcpsvd就可以启动ftp服务器。然后输入命令:#tcpsvd 0 21 ftpd -w / &
      // 上面的0表示对所有ip地址都进行侦听
      // 21指定ftp服务器的默认端口
      // ftpd -w这里的参数-w表示client可以对目录执行写操作
      // 可以使用-t和-T参数设置client在没有任何操作的最大时间之后ftpd主动断开client连接
      // 默认-t为2分钟=2 * 60,-T为1小时=1 * 60 * 60
             // / ftp服务器开发的目录
      // 表示启用一个新的进程运行FTP服务器,否则当前shell被阻塞,直到下发Ctrl+c
设置以后,在IE浏览器输入:ftp://192.168.1.230/,可以访问单板上的 / 目录。

方案2:设置inetd.conf,并运行inetd。不知什么原因,暂时没搞定这个方案。

4、使用Initramfs制作根文件系统
【1】首先要通过make menuconfig ARCH=arm 配置Linux内核,
  General Setup -> Initial RAM filesystem and RAM disk
【2】再选择创建好的根文件系统目录所在的路径:xxx/rootfs
【3】在根文件系统目录建立一个软连接:ln -s ./bin/busybox init
【4】重新编译内核:make uImage ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-
【5】将编译好的内核文件下载到设备上运行即可(配置了Initramfs,编译得到的内核文件uImage比正常情况下大,因为内核文件已经包含了根文件系统)
 
5、使用NFS文件系统
在调试阶段,需要频繁的修改应用程序,每次都把编译好的文件下载到FLASH上进行调试并不是一个好主意(FLASH有寿命且下载时间也比较长),而使用NFS(网络文件系统)是一个好方法。所以接下来我们要重点介绍uboot启动菜单中的选项[s]。
通过[s]命令可以设置网络启动参数:
nfsroot 是连接6410开发板的Linux主机的IP 地址,如果你使用了虚拟机,该地址是虚拟机中Fedora9 的IP 地址,也就是直接提供NFS 服务的Linux 系统IP 地址。
这里我机器使用的IP地址是192.168.1.200。
“ip=”后面:
第一项(192.168.1.230)是目标板的临时IP(注意不要和局域网内其他IP 冲突);
第二项(192.168.1.200)是开发主机的IP;
第三项(192.168.1.200)是目标板上网关(GW)的设置;
第四项(255.255.255.0)是子网掩码;
第五项是开发主机的名字(一般无关紧要,可随便填写)
eth0 是网卡设备的名称
 
介绍完[s]之后,再输入[q],进入uboot的shell界面,如下图所示,输入help,可以查看shell下的所有命令。 
 
例如,输入bdinfo命令,可以查看单板信息: 
 
输入printenv命令可以查询系统内部的环境变量,包括启动参数 
 

 

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