Linux嵌入式系统的基础知识与如何利用ARM9平台进行搭建

嵌入式linux是将日益流行的Linux操作系统进行裁剪修改，使之能在嵌入式计算机系统上运行的一种操作系统。

1. 核心概念

嵌入式Linux：针对资源受限的硬件平台（如ARM9）裁剪优化的Linux系统，具备内核小、启动快、可定制性强等特点。
典型应用：工业控制、物联网设备、医疗仪器、消费电子（如路由器、POS机）。
核心组件：
- Bootloader（如U-Boot）：初始化硬件，加载内核。
- Linux内核：驱动硬件、管理资源。
- 根文件系统（Rootfs）：包含系统库、配置文件及应用程序（如BusyBox）。
- 交叉编译工具链：在x86主机上编译ARM平台代码。

2. 关键特性

模块化内核：通过make menuconfig裁剪不必要的驱动和功能（如移除GUI）。
实时性扩展：可选补丁（如PREEMPT_RT）提升实时响应能力。
低资源占用：内核可压缩至数百KB，Rootfs可小至几MB。
定制文件系统：支持只读（SquashFS）、可读写（JFFS2/UBIFS）或网络挂载（NFS）。

基于ARM9平台的搭建步骤（以S3C2440开发板为例）

1. 准备工具

硬件：ARM9开发板（如S3C2440）、串口调试线、JTAG烧录器。
软件：
- 交叉编译器（如arm-linux-gnueabi-gcc）
- U-Boot源码、Linux内核源码（建议4.x版本）
- BusyBox（构建根文件系统）
- 烧录工具（如OpenOCD）

2. 构建流程

(1) 配置交叉编译环境

   sudo apt install gcc-arm-linux-gnueabi   # Ubuntu安装工具链
   export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-  # 设置环境变量

(2) 编译Bootloader（U-Boot）

   git clone https://github.com/u-boot/u-boot
   cd u-boot
   make s3c2440_defconfig     # 选择板级配置
   make                       # 生成u-boot.bin

烧录：通过JTAG将u-boot.bin写入开发板NOR Flash起始地址。

(3) 配置Linux内核

   git clone https://github.com/torvalds/linux
   cd linux
   make ARCH=arm s3c2410_defconfig             # S3C2440使用S3C2410配置
   make ARCH=arm menuconfig                    # 图形化裁剪内核
   make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- -j4  # 编译内核

关键配置项：
- CPU类型：Samsung S3C2440
- 串口驱动：Kernel low-level debugging → Samsung S3C UART
- 文件系统支持：Ext2/3/4, JFFS2, NFS

(4) 构建根文件系统

   # 编译BusyBox
   git clone https://busybox.net/downloads/busybox.git
   make defconfig
   make menuconfig   # 静态链接设置：Settings → Build static binary
   make install      # 生成_install目录

   # 创建基本目录结构
   mkdir rootfs && cd rootfs
   cp -r ../busybox/_install/* .
   mkdir proc sys dev etc lib

   # 添加必要文件
   sudo mknod dev/console c 5 1   # 创建设备节点
   sudo mknod dev/null c 1 3
   echo "::respawn:/sbin/getty -L ttyS0 115200 vt100" > etc/inittab  # 串口登录配置

(5) 整合系统镜像

内核镜像：arch/arm/boot/zImage

文件系统镜像：

 # 生成JFFS2镜像（适用于NAND Flash）
 mkfs.jffs2 -d rootfs -o rootfs.jffs2 -e 0x4000 --pad=0x800000

烧录：

通过U-Boot的TFTP或USB将zImage和rootfs.jffs2上传到内存。

使用U-Boot命令写入Flash：

# 烧写内核到NAND地址0x100000
nand erase 0x100000 0x500000
nand write.jffs2 0x30008000 0x100000 $(filesize)

# 烧写文件系统到0x600000
nand erase 0x600000 0x800000
nand write.jffs2 0x30800000 0x600000 $(filesize)

3. 启动配置

U-Boot环境变量：

 setenv bootcmd nand read.jffs2 0x30008000 0x100000 0x500000\; bootm 0x30008000
 setenv bootargs console=ttyS0,115200 root=/dev/mtdblock2 rootfstype=jffs2
 saveenv

系统启动：复位开发板，U-Boot自动加载内核并挂载根文件系统。

调试技巧

串口调试：使用minicom或screen连接开发板串口（波特率115200）。
网络调试：
- U-Boot启用tftpboot上传文件。
- 内核配置NFS挂载Rootfs：root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.100:/nfsroot ip=dhcp。
内核崩溃分析：启用CONFIG_DEBUG_KERNEL，通过dmesg查看日志。