ARM+Linux学习总结（1）——入门知识

1.入门知识

1.1硬件构成

嵌入式系统硬件主控板主要由这些硬件构成：

①ARM架构为硬核的处理器，如TI/FreeScale等芯片厂商制造的处理器。

②存储芯片：包括内存RAM和闪存FLASH。内存RAM中是在上电时存储程序运行的指令和数据的，掉电后数据消失，常用的是DDR2或DDR3芯片，低级一点的可以用SRAM芯片；闪存FLASH存储的是烧录或拷贝的各种文件（包括指令和数据），上电后FLASH的文件会拷贝至RAM运行，掉电后FLASH中的数据不会消失，常用的是NOR FLASH和NAND FLASH。

③外设：主要是电源模块、GPIO扩展口、ADC、RTC、TFT屏接口、JTAG烧录口、通信接口（UART/USB/I2C/CAN/网口等）。这些外设需要专门的驱动程序支持才能使用。

1.2 Bootloader

bootloader是一个引导程序，它最主要的功能是加载内核，所谓加载内核就是让内核代码常驻内存，并且得到执行。

每一种CPU都有自己的启动方式，具体如下（网上看到的）：

①CPU上电后从某个确定的内存地址开始取指令运行，这样的指令往往是已经固化的，因为RAM刚上电时，里面的内容是没有意义的，很多单片机是这样方式。这种BOOT方式可以认为是固化模式，其实就是没有所谓的BOOT过程。

②CPU上电后从ROM读代码到RAM，然后跳到RAM里开始执行。这种方式的CPU一般会拷贝固定长度的二进制代码到RAM，因为它不知道有效代码有多长，只有一个固定的长度拷贝完成后，CPU才知道拷贝工作完成，以便从RAM执行。这就是拷贝固定长度二进制代码的BOOT过程。

③对方式②进行了改进，方式②只能拷贝固定长度的代码到RAM运行，为了拷贝更多的代码到RAM运行，首先进入RAM的代码不是一个功能固件，而是另一个功能代码的加载器(loader)，这就是Bootloader。

1.2.1 ARM的Bootloader

ARM会拷贝4K长度的代码运行。显然arm不是为4K的固件设计的。拷贝代码到RAM并不需要很多指令，因为ARM对RAM的管理需要一个MMU控制器（可以让CPU访问更多的RAM或许）而这个控制器需要配置相关寄存器，所以代码可能要多一点，另外可能还有许多别的功能，所以代码可能会更多。当然都不超过4K时都没问题，但往往还是要过4K的。所以真正arm-linux的bootloader一般有两步骤：

①拷贝4K代码到RAM，开始执行。 ② 拷贝另一段代码到RAM并初始化一些必须的硬件设置，开始执行 。

1.2.2 U-Boot

u-boot是一种很流行的bootloader，除了加载内核，它还提供了许多其他功能。基本上u-boot是一个精简的linux，源代码布局和Linux相似，它提供人机交换接口，一般现在linux开发都采用串口方式使用u-boot。

关于u-boot的说明有很多，我简单说明一下：

①u-boot可以被打断，通过串口向u-boot输入命令后，u-boot中断，可以执行各种命令，这些命令有专门的手册可以查询。串口其实就是u-boot的一个远程终端。

②u-boot可以设置网络，通过TFTP服务，u-boot可以下载代码到RAM然后执行，也可以烧写到flash。

③u-boot之所以有这么多功能是因为里面集成了许多驱动，如果要让u-boot有更多的功能可以在u-boot源代码里添加，如果要用硬件就需要添加驱动。

④ 嵌入式系统硬件千差万别，使用U-Boot时需要修改（也就是移植），修改后需要重新编译。

1.3 Linux内核

内核就是Linux操作系统的核心，也就是一组程序，负责驱动硬件、分配管理硬件资源和管理活动（进程、中断）。内核直接作用于硬件，控制硬件的数字逻辑运算。如果让用户直接访问操作硬件的话，对于复杂电路来说，这是非常困难甚至是不可能的；而内核通过硬件抽象（HAL/BSP）的方法屏蔽了用户直接操作硬件的复杂性和多样性。内核向应用程序（用户程序）提供了统一和简洁的接口，应用程序只需调用这个接口就可以完成相应操作。用下图形象表示：

1.3.1内核组成

Linux 内核由进程管理、内存管理、文件系统、网络协议、进程间通信、 设备驱动等模块组成。如下图所示：

各个组成部分的详细讲解可以去搜索相关资料。

1.3.2 内核的交叉编译

所谓的交叉编译，就是在宿主机（PC机，Windows/Linux系统）平台上使用某种特定的交叉编译器，为某种与宿主机不同平台的目标系统编译程序，得到的程序在目标系统（ARM开发板，Linux系统）上运行而非在宿主机本地运行。这里的平台包含两层含义：一是核心处理器的架构，二是所运行的系统。这样，交叉编译有 3 种情形：
①目标系统与宿主机处理器相同，运行不同的系统；
②目标系统与宿主机处理器不同，运行相同的系统；
③目标系统与宿主机处理器不同，运行不同的系统。

交叉编译器命名方式一般遵循“处理器-系统-gcc”这样的规则，一般通过名称便可以知道交叉编译器的功能。交叉编译器在Linux操作系统中的下载及安装过程：

①网站上下载编译器，比如arm-linux-gcc 3.4.1；

②解压安装：sudo tar vxjf arm-linux-gcc 3.4.1.bz2；

③命令行编译需要设置环境变量：sudo gedit /etc/bash.bashrc； 在文件最后添加：export PATH=$PATH:/usr/local/arm/3.4.1/bin 重新登录。

④arm-linux-gcc –v 查看版本便知道交叉编译器是否安装成功 。

1.3.3内核裁剪（内核移植）

内核移植涉及到硬件驱动修改裁剪和内核配置Kconfig。这是一个很复杂的过程，需要专门的文章详细介绍。

1.4 烧写

烧写内核有多种方式：USB烧写、TF卡烧写、镜像文件烧写等。

这些烧写都要借助一定的软硬件工具来进行。以镜像文件烧写为例：

①内核镜像是被bootloader加载的，比如u-boot可以把内核镜像加载到RAM并执行。制作u-boot可加载的镜像需要使用mkimage工具。 安装：sudo cp ~/tools/mkimage /usr/bin；编译：make uImage；

注意：如果mkimage权限不对make uImage是会出错的，可以设置一下权限 sudo chmod 777 /usr/bin/mkimage 如果一切成功那么在linux-xxxx/arch/arm/boot下就有uImage文件了。

②U-Boot烧写过程： a) 中断u-boot ；b) 需要一个tftp服务器，比如Windows XP下可以安装tftpwin ；c) 调用u-boot命令启动下载烧写。（网上看到的，不一定准确）