嵌入式实验三

嵌入式系统软件开发实验三组员：软件94班牛添识09161072软件94班谭坛09208014实验名称：嵌入式平台操作系统编译与驱动开发实验目的：了解Android系统的架构了解嵌入式系统的物理存储结构以及启动过程了解U-boot更新与启动运行了解Linux内核的驱动开发实验原理：ANDROID系统构成EMBV210开发平台Android映像固化在Nand Flash中，具体存储分配图如下：EMBV210平台上电后，CPU首先执行bootloader程序，Linux Kernel由bootloader加载U-boot：Bootloader代码是芯片复位后进入操作系统之前执行的一段代码，主要用于完成由硬件启动到操作系统启动的过渡，从而为操作系统提供基本的运行环境，如初始化CPU、堆栈、存储器系统等。

Bootloader代码与CPU芯片的内核结构、具体型号、应用系统的配置及使用的操作系统等因素有关，其功能类似于PC机的BIOS程序。

由于Bootloader和CPU及电路板的配置情况有关，因此不可能有通用的bootloader，开发时需要用户根据具体情况进行移植。

嵌入式Linux系统中常用的bootloader有armboot、redboot、blob、u-boot等，其中u-boot是当前比较流行，功能比较强大的bootloader，可以支持多种体系结构，但相对也比较复杂。

Bootloader的实现依赖于CPU的体系结构，大多数bootloader都分为stage1和stage2两大部分，U-boot也不例外。

依赖于cpu体系结构的代码（如设备初始化代码等）通常都放在stage1且可以用汇编语言来实现，而stage2则通常用C语言来实现，这样可以实现复杂的功能，而且有更好的可读性和移植性，这样可以实现复杂的功能，而且有更好的可读性和移植性。

stage1u-boot的stage1代码通常放在start.s文件中，它用汇编语言写成，其主要代码部分如下：（1）定义入口。

由于一个可执行的IMage必须有一个入口点，并且只能有一个全局入口，通常这个入口放在ROM(flash)的0x0地址，因此，必须通知编译器以使其知道这个入口，该工作可通过修改连接器脚本来完成。

（2）设置异常向量(Exception Vector)。

（3）设置CPU的速度、时钟频率及中断控制寄存器。

（4）初始化内存控制器。

（5）将ROM中的程序复制到RAM中。

（6）初始化堆栈。

（7）转到RAM中执行，该工作可使用指令Ldr PC来完成。

stage2Lib ARM/board.c中的start armboot是C语言开始的函数，也是整个启动代码中C语言的主函数，同时还是整个u-boot(armboot)的主函数，该函数主要完成如下操作：（1）调用一系列的初始化函数。

（2）初始化Flash设备。

（3）初始化系统内存分配函数。

（4）如果目标系统拥有NAND设备，则初始化NAND设备。

（5）如果目标系统有显示设备，则初始化该类设备。

（6）初始化相关网络设备，填写IP、MAC地址等。

（7）进入命令循环（即整个boot的工作循环），接受用户从串口输入的命令，然后进行相应的工作。

U-Boot的工作模式有启动加载模式和下载模式。

启动加载模式是Bootloader的正常工作模式，嵌入式产品发布时，Bootloader必须工作在这种模式下，Bootloader将嵌入式操作系统从FLASH中加载到SDRAM中运行，整个过程是自动的。

下载模式就是Bootloader通过某些通信手段将内核映像或根文件系统映像等从PC机中下载到目标板的FLASH中。

用户可以利用Bootloader提供的一些命令接口来完成自己想要的操作。

Linux kernelLinux kernel其基础为linux平台，linux为C语言编写的内核，基于此内核又衍生出了具体的Red hat linux 、open suse linux等具体的操作系统，一套基于Linux内核的完整操作系统叫作Linux操作系统，或是GNU/Linux。

由于Linux使用C编写而成，因此可以直接对计算机的底层硬件进行操作。

Linux具有良好的可移植性，而且以linux为内核的GUI+CLI操作系统具有良好的安全性，因此很多的网络公司大多采用以linux操作内核的网络终端操作系统。

相对于windows server系列linux的网络终端操作起来效率较高，相比于linux的前身Unix，Linux操作系统不仅优化了操作界面，和操作的简易性，更是提高效率一个优秀的操作系统内核。

文件系统：文件系统是对一个存储设备上的数据和元数据进行组织的机制。

这种机制有利于用户和操作系统的交互。

在一篇oracle的技术文章中看到这样一句话“尽管内核是Linux的核心，但文件却是用户与操作系统交互所采用的主要工具。

这对Linux来说尤其如此，这是因为在UNIX传统中，它使用文件I/O机制管理硬件设备和数据文件”，这句话我是这样理解的，Linux没有文件系统的话，用户和操作系统的交互也就断开了，例如我们使用最多的交互shell，包括其它的一些用户程序，都没有办法运行。

在这里可以看到文件系统相对于Linux操作系统的重要性。

下面是Linux文件系统组件的体系结构。

用户空间包含一些应用程序（例如，文件系统的使用者）和GNU C库（glibc），它们为文件系统调用（打开、读取、写和关闭）提供用户接口。

系统调用接口的作用就像是交换器，它将系统调用从用户空间发送到内核空间中的适当端点。

VFS是底层文件系统的主要接口。

这个组件导出一组接口，然后将它们抽象到各个文件系统，各个文件系统的行为可能差异很大。

有两个针对文件系统对象的缓存（inode和dentry）。

它们缓存最近使用过的文件系统对象。

每个文件系统实现（比如ext2、JFS等等）导出一组通用接口，供VFS使用。

缓冲区缓存会缓存文件系统和相关块设备之间的请求。

例如，对底层设备驱动程序的读写请求会通过缓冲区缓存来传递。

这就允许在其中缓存请求，减少访问物理设备的次数，加快访问速度。

以最近使用（LRU）列表的形式管理缓冲区缓存。

注意，可以使用sync命令将缓冲区缓存中的请求发送到存储媒体（迫使所有未写的数据发送到设备驱动程序，进而发送到存储设备）。

当我们在Windows下，提到文件系统时，你的第一反应是想到的是什么？是不是Windows下的一些Fat32、NTFS等的文件系统的类型。

而在Linux中，你可能会想到Ext2、Ext3，但你还必须要有一个根文件系统的概念。

根文件系统首先是一种文件系统，该文件系统不仅具有普通文件系统的存储数据文件的功能，但是相对于普通的文件系统，它的特殊之处在于，它是内核启动时所mount的第一个文件系统，内核代码的映像文件保存在根文件系统中，系统引导启动程序会在根文件系统挂载之后从中把一些初始化脚本（如rcS,inittab）和服务加载到内存中去运行。

我们要明白文件系统和内核是完全独立的两个部分。

在嵌入式中移植的内核下载到开发板上，是没有办法真正的启动Linux操作系统的，会出现无法加载文件系统的错误。

那么根文件系统在系统启动中到底是什么时候挂载的呢？先将/dev/ram0挂载，而后执行/linuxrc，等其执行完后，切换根目录，再挂载具体的根文件系统，根文件系统执行完之后，也就是到了Start_kernel()函数的最后，执行init的进程，也就第一个用户进程。

对系统进行各种初始化的操作。

如果要能明白这里的过程的话，可要好好的看看Linux内核源码了。

根文件系统之所以在前面加一个“根”，说明它是加载其它文件系统的“根”，既然是根的话，那么如果没有这个根，其它的文件系统也就没有办法进行加载的。

它包含系统引导和使其他文件系统得以mount所必要的文件。

根文件系统包括Linux启动时所必须的目录和关键性的文件，例如Linux启动时都需要有init目录下的相关文件，在Linux挂载分区时Linux一定会找/etc/fstab这个挂载文件等，根文件系统中还包括了许多的应用程序bin 目录等，任何包括这些Linux系统启动所必须的文件都可以成为根文件系统。

Linux启动时，第一个必须挂载的是根文件系统；若系统不能从指定设备上挂载根文件系统，则系统会出错而退出启动。

成功之后可以自动或手动挂载其他的文件系统。

因此，一个系统中可以同时存在不同的文件系统。

在Linux中将一个文件系统与一个存储设备关联起来的过程称为挂装（mount）。

使用mount命令将一个文件系统附着到当前文件系统层次结构中（根）。

在执行挂装时，要提供文件系统类型、文件系统和一个挂装点。

根文件系统被挂载到根目录下“/”上后，在根目录下就有根文件系统的各个目录，文件：/bin /sbin /mnt等，再将其他分区挂接到/mnt目录上，/mnt 目录下就有这个分区的各个目录文件。

设备驱动：Linux设备驱动与底层硬件直接打交道，按照硬件设备的具体工作方式，读写设备的寄存器，完成设备的轮询、中断处理、DMA通信，进行物理内存向虚拟内存的映射等，最终让通信设备能收发数据，让显示设备能显示文字和画面，让存储设备能记录文件和数据。

系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口，设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。

设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。

用户进程利用系统调用在对设备文件进行诸如read/write操作时，系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序，然后读取这个数据结构相应的函数指针，接着把控制权交给该函数。

设备驱动程序的特点：⑴核心代码：设备驱动程序是核心的一部分，像核心中其他的代码一样，出错将导致系统的严重损伤。

一个编写不当的设备驱动程序甚至能够使系统崩溃导致文件系统的破坏和数据的丢失；⑵标准接口：设备驱动程序必须为Linux核心或者其从属的子系统提供一个标准的接口(比如open(),read()等等)。

⑶核心机制：设备驱动程序可以使用标准的核心服务比如内存分配、中断发送和等待对列等；⑷动态可加载：多数的Linux设备驱动程序可以在核心模块发出加载请求时进行加载，同时在不使用设备时进行卸载，这样核心可以有效地利用系统的资源。

⑸可配置：Linux设备驱动属于核心的一部分，用户可以根据自己的需要进行配置来选择适合自己的驱动。

设备驱动的分类：Linux下设备驱动分为三类：字符设备驱动、块设备驱动、网络设备驱动。

LED硬件原理图Linux下的设备驱动程序即是对具体硬件进行操作的程序，是操作系统内核和机器硬件之间的接口。