基于8086單芯片計(jì)算機(jī)的嵌入式Linux操作系統(tǒng)移植

楊延慶

（西安醫(yī)學(xué)院 信息技術(shù)處，陜西 西安710021）

0 引 言

計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使得計(jì)算機(jī)硬件的性能不斷提高，計(jì)算機(jī)由原來的大體積、單一的性能逐漸變得體積越來越小，集成度越來越高，性能越來越強(qiáng).硬件復(fù)雜程度的增加對軟件的設(shè)計(jì)也提出了新的要求.計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)成本上升、周期增大，嵌入式系統(tǒng)性能越來越高，在應(yīng)用中充分發(fā)揮了硬件性能的同時降低開發(fā)成本和開發(fā)難度.

解決硬件與軟件矛盾的做法是引入嵌入式操作系統(tǒng).嵌入式操作系統(tǒng)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動程序、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面及標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等［1－2］.嵌入式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)開發(fā)活動，通過裝卸某些模塊來達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能［3－5］.由于微內(nèi)核與機(jī)器特征相關(guān)的代碼隔離在微內(nèi)核的底層，因此在移植過程中只需修改內(nèi)核中的代碼，嵌入式操作系統(tǒng)就可移植到不同的硬件平臺.本文在構(gòu)建基于8086CPU的單芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上研究將Linux操作系統(tǒng)移植到目標(biāo)平臺.

1 8086單芯片平臺

1.1 8086單芯片計(jì)算機(jī)平臺

單芯片計(jì)算機(jī)是將傳統(tǒng)PC的CPU、內(nèi)存、顯卡等集成到單個芯片中.單芯片計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)PC相比具有體積小、質(zhì)量好、能耗底等優(yōu)點(diǎn)，同時系統(tǒng)的性能也有了很大的改善.促進(jìn)計(jì)算機(jī)的迅速普及.

單芯片計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)是一個基于某一型號CPU及其外圍I／O接口的SoC設(shè)計(jì)過程.本文選擇標(biāo)準(zhǔn)的Intel 8086CPU.

8086CPU芯片有最小模式與最大模式兩種工作模式.所謂最小模式，是指系統(tǒng)中只有一個8086微處理器，在這種情況下，所有的總線控制信號，都直接由8086CPU產(chǎn)生，系統(tǒng)的總線控制邏輯電路被減到最少，該模式適用于規(guī)模較小的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng).本文提及的8086CPU單芯片計(jì)算機(jī)采用最小工作模式進(jìn)行設(shè)計(jì).8086CPU單芯片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成.

圖1 8086單芯片計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The 8086single chip computer hardware system structure

（1）硬件系統(tǒng)：硬件系統(tǒng)包括CPU子系統(tǒng)、接口部件子系統(tǒng)和存儲器子系統(tǒng).CPU子系統(tǒng)包括8086CPU、數(shù)據(jù)收發(fā)控制器、地址鎖存器和存儲器譯碼電路等.接口部件子系統(tǒng)都掛載在Wishbone總線上，包括如下接口模塊：8254定時器／計(jì)數(shù)器、8255通用I／O接口、VGA顯示接口等.存儲器子系統(tǒng)包括RAM與ROM.搭建的8086單芯片計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)如圖1所示.

（2）軟件系統(tǒng)包括操作系統(tǒng)和在此平臺上的應(yīng)用軟件.Linux操作系統(tǒng)就是在上述硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行移植的軟件系統(tǒng).通過對開源的Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行裁剪來滿足用戶的需求.應(yīng)用軟件指的是在操作系統(tǒng)移植成功以后，為滿足用戶的一些需求在8086單芯片計(jì)算機(jī)上安裝的一些應(yīng)用軟件及進(jìn)行的一系列的操作.

1.2 開發(fā)平臺

嵌人式系統(tǒng)開發(fā)采用的是宿主機(jī)－目標(biāo)機(jī)模式，宿主機(jī)是PC機(jī)，宿主機(jī)上裝有操作系統(tǒng) Windows XP，在Windows XP系統(tǒng)中裝有虛擬機(jī)vmware并在vmware上裝RedHatLinux5企業(yè)版；目標(biāo)機(jī)采用Intel公司的推出的16位標(biāo)準(zhǔn)的Intel8086微處理器，有29 000只晶體管，速度可分為5MHz，8MHz，10MHz，16位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，16位雙向數(shù)據(jù)信號線，20位地址信號線，可尋址1M字節(jié)存儲單元，可利用第16位的地址總線來進(jìn)行I／O端口尋址，可尋址64K個I／O端口，單一的5V電源.嵌入式Linux的載入通?？梢酝ㄟ^在宿主機(jī)上運(yùn)行專門的Flash燒寫工具來實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行該軟件后，宿主機(jī)能直接訪問目標(biāo)板上的Flash器件.

本文所提到的8086單芯片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就是將Intel8086微處理器及其外圍設(shè)備運(yùn)用硬件描述語言VHDL"軟化"，實(shí)現(xiàn)8086微處理器的硬件功能.并在Xilinx公司推出的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板Virtex－ⅡPRO上實(shí)現(xiàn)了功能演示.

2 Linux移植分析

2.1 建立Linux交叉編譯環(huán)境

Linux內(nèi)核移植前首先建立交叉編譯器編譯內(nèi)核文件及應(yīng)用程序［6－8］，這是一個比較復(fù)雜的過程同時也是相當(dāng)重要的過程.所謂交叉編譯就是在宿主機(jī)上進(jìn)行編譯［9］，生成目標(biāo)機(jī)Intel8086處理器可執(zhí)行的二進(jìn)制位流文件.到網(wǎng)上下載交叉編譯工具鏈Crosstool－ng－1.5.3.因?yàn)镃rosstool－ng能建立一個新的工具鏈以支持對最新kernel的編譯，然后在文件crosstool－ng－1.5.3中選擇適合目標(biāo)板的gcc編譯器和函數(shù)庫glibc，選擇下面的行：

2.2 Linux內(nèi)核、配置和編譯

在已經(jīng)安裝好的交叉編譯工具Crosstool－ng的基礎(chǔ)上對內(nèi)核進(jìn)行編譯，編譯內(nèi)核整體上分為3個步驟：1、配置內(nèi)核（就是確定哪些功能要保留在編譯好的內(nèi)核中，哪些功能要從內(nèi)核中刪除），生成一個編譯配置文件.config.2、編譯內(nèi)核.3、安裝內(nèi)核.具體步驟如下：

圖2 內(nèi)核配置圖形化界面Fig.2 Kernel configuration graphical interface

該處也可以用make zImage，但必須確保所編譯的新內(nèi)核在640K之下.新內(nèi)核編譯成功之后，這些指令會在／usr／src／linux／arch／X86／boot／下生成bzImage.elf內(nèi)核文件.

2.3 制作根文件系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)的使用還需要根文件系統(tǒng)的支持，它是Linux系統(tǒng)的根本所在，啟動時必須加載以支持系統(tǒng)的運(yùn)行.一般包括以下目錄內(nèi)容：／bin（包含了應(yīng)用程序）；／boot（包含了內(nèi)核和啟動文件）；／dev（設(shè)備文件目錄）；／proc（proc文件系統(tǒng)目錄）；／etc（系統(tǒng)配置文件的目錄）；／sbin（系統(tǒng)程序的目錄）；／lib（共享函數(shù)庫的目錄）；／mnt（裝載其它磁盤節(jié)點(diǎn)的目錄）；／usr（附加應(yīng)用程序的目錄），同時還要提供一些實(shí)用的基本工具，像ls、chmod、cd等.

有兩種基本的根文件系統(tǒng)制作方法，將system.ace文件放在壓縮flash卡進(jìn)行有盤引導(dǎo)的本地文件系統(tǒng)LFS（local file system）；通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的無盤引導(dǎo)即網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)NFS（network file system）.本文使用第一種方法，采用BusyBox制作一個去構(gòu)件根文件系統(tǒng)，BusyBox具有shell的功能，它能提供系統(tǒng)所需要的大部分工具，包括編輯工具、網(wǎng)絡(luò)工具、模塊加載工具、壓縮解壓縮工具、查找工具、帳號密碼管理工具和進(jìn)程相關(guān)工具等.其體積很小，這就使得我們能將根文件系統(tǒng)以及Linux內(nèi)核存放在64KB的flash卡上.

下載并編譯BusyBox，Klingauf［7］詳細(xì)地介紹如何使用BusyBox制作根文件系統(tǒng)，按照其步驟只要修改mkrootfs.sh腳本的幾個地方就可生成根文件系統(tǒng)，因此節(jié)省了許多時間.修改如下：

還要改變兩個文件權(quán)限，如下：

2.4 CF卡分區(qū)引導(dǎo)

將根文件系統(tǒng)拷貝到CF卡上.步驟如下：

（1）在Linux的／etc／fstab中輸入：

文件／etc／fstab下存放的是系統(tǒng)文件相關(guān)信息.如果該文件設(shè)置正確，則能夠通過"mount／directoryname"命令加載文件系統(tǒng)，不同的文件系統(tǒng)對應(yīng)不同的行.“noauto”意思是當(dāng)使用“mount－a”命令時文件系統(tǒng)不加載，“user”指的是允許一般用戶掛載文件系統(tǒng)，兩個零表示文件系統(tǒng)不需要轉(zhuǎn)儲、不需要啟動時被掃描.

運(yùn)行命令：

表示對設(shè)備進(jìn)行邏輯上的分區(qū)，將CF卡分成3個區(qū)，第一個區(qū)格式為FAT16，大小保證能夠放下system.ace文件就可以，第二個區(qū)為Linux Swap交換分區(qū)，第三個區(qū)用來存放根文件系統(tǒng).

（2）在網(wǎng)站上下載mkdosfs工具，在windows操作系統(tǒng)下格式化CF卡上第一個區(qū)，然后運(yùn)行命令：

將system.ace拷貝第一個分區(qū)上準(zhǔn)備引導(dǎo).

（3）在Linux操作系統(tǒng)下格式化第二個分區(qū)，運(yùn)行命令：

一切準(zhǔn)備就緒，將bzImage.elf和文件系統(tǒng)system.ace文件拷貝到CF卡中第一個分區(qū)，本地引導(dǎo)Linux，載入運(yùn)行，在開發(fā)板上看到Linux的提示符后，移植就成功了.

3 結(jié) 論

（1）結(jié)合嵌入式Linux操作系統(tǒng)和8086單芯片計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)，解決了Linux操作系統(tǒng)移植的關(guān)鍵技術(shù)，移植過程對于其他類型微處理器上Linux的移植具有參考價值.

（2）移植為構(gòu)建完整的8086單芯片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供了系統(tǒng)軟件，為應(yīng)用軟件的運(yùn)行提供了操作系統(tǒng)平臺.

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