一种嵌入式Linux平台的软硬件设计

摘要：介绍了一种嵌入式Linux操作系统--uClinux，给出了一种MCF5272硬件平台的设计，并实现了uClinux在该目标板上的移植，讲述了MCF5272处理器平台硬件设计和uClinux板移植的一般性方法。

关键词：uClinux MCF5272　移植

1 操作系统uClinux

Linux是一种很受欢迎的类UNIX操作系统，它免费并开放源代码，在个人计算机、服务器领域应用广泛。更重要的是，Linux采用模块化设计，实际应用中可以定制，因此Linux也适用于嵌入式领域。uClinux正是Linux的一个嵌入式版本，其内核的二进制映像文件可以做到小于512KB。

uClinux针对无内存管理单元MMU(Memory Management Unit)的处理器设计，支持多任务，具有完备的TCP/IP协议栈并支持多种网络协议。uClinux还支持多种文件系统，如ROMFS、NFS、FAT16/32。实际上，uClinux已经成功应用于路由器、网络摄像机、机顶盒、PDA等诸多领域。

另外，uClinux可移植性很强，用户通过重新配置、编译内核，很方便将其移植到68K、Dragon Ball、ColdFire、Power PC、ARM等多种处理器计算平台。当前uClinux提供2.0和2.4两个内核版本。从内核版本2.2开始，Linux被设计成与IEEE POSIX标准兼容的系统，这意味着大部分已有的UNIX程序，源代码不经修改就可以进行编译并移植到新的目标平台。笔者选择了2.4内核的uClinux作为平台操作系统。

2 硬件平台设计

2.1 处理器

目标平台CPU采用Motorola公司生产的ColdFire嵌入式处理器MCF5272。MCF5272采用ColdFfireV2可变长RISC处理器核和DigitalDNA技术，在66MHz时钟下能够达到63MIPS@Dhrystone2.1的优良处理能力。其内部SIM(System Integrated Module)单元集成了丰富的通用模块，如10/100Mbps快速以太网控制器、USB1.1接口等，并且能够与常用的外围设备(如SDRAM、ISDN收发器)实现无缝连接，从而简化了外围电路设计，降低了产品成本、体积和功耗。

2.2 系统内存

系统内存由三部分组成。MCF5272内部集成了4K字节的SRAM(静态RAM)以及片外扩展的FLASH(闪烁存储器)和SDRAM(同步动态RAM)。FLASH容量为1M×16Bit，AMD29LV系列，片选信号为CS0，用于存放矢量表、uClinux内核映像及ROMFS文件系统。SDRAM采用两片HY系列4M×16Bit的SDRAM，共同组成16M、32位宽的系统主存储器。SDRAM片选信号为CS7。

2.3 通用外设

MCF5272内部集成了UART、USB控制器，只需很少的外围芯片就可以实现两个RS232串口和一个USB Slave接口。MCF5272还内嵌一个FEC(快速以太网控制器)，片外扩展一片LXT971，可方便地实现了一个100/10 Base T的以太网接口。

2.4 调试接口

ColdFire系列处理器支持背景调试模式(BDM)，它提供了对底层硬件的调试手段。在背景调试模式下，通过向CPU发送命令，可以实现对CPU寄存器、系统存储器的访问。使用Motorola推荐的26针插座接到BDM仿真头，实现代码的下载和调试。

3 移植uClinux到目标平台

3.1 uClinux的启动过程

uClinux的启动通常经历三个阶段。首先，它必须完成CPU和存储器的硬件初始化。在系统RAM中建立程序堆栈和数据段(包括DATA和BSS数据段)，建立程序的运行时环境。如果ROMFS是RAM驻留的，也必须对其进行初始化。

最初的初始化完成后，uClinux内核就取得了CPU的控制权，开始操作系统自身的初始化。这包括建立RAM中断矢量表、加载设备驱动程序、内存管理模块等。这一切完成后，uClinux启动一个最初的init线程，进入到第三阶段。这时候内核已经正常运行，外围模块也都就绪，开始执行一些脚本文件(如/etc/rc脚本文件)。这通常是嵌入式开发者最感兴趣的一个切入点。

3.2 编写硬件相关代码

作为源代码公开的免费操作系统，uClinux源代码可以从www.uclinux.org得到。这个源代码也在不断更新。笔者使用的是于2002年5月发布的Greg Ungerer(gerg@snapgear.com)版本。该版本的uClinux包含了对Motorola公司M5272C3和其他几款MCF5272评估板的支持。但与笔者的目标平台相比，硬件资源并不完全相同，且为RAM版本，并不能直接固化到ROM中。于是决定直接在M5272C3的基础上进行修改，以减少工作量。

需要添加三个文件：crt0_rom.S、sysinit.c和rom.ld。crt0_rom.S可以由crt0_ram.S修改得到，它提供一个ROM矢量表以供CPU上电时读取，并初始化CPU寄存器，设置程序堆栈，并最终跳转到uClinux内核。MEM_SIZE也必须修改为实际容量。

……

#define MEM_SIZE 0x01000000 //实际的SDRAM为16M

……

_vectors: //矢量表起始地址

.long 0x0, _start, _fault, _fault,… //初始化1K字节矢量表

……

_start: nop