基于8086單芯片計算機的嵌入式Linux操作系統移植

楊延慶

（西安醫學院 信息技術處，陜西 西安710021）

0 引 言

計算機技術的飛速發展使得計算機硬件的性能不斷提高，計算機由原來的大體積、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.硬件復雜程度的增加對軟件的設計也提出了新的要求.計算機軟件的開發成本上升、周期增大，嵌入式系統性能越來越高，在應用中充分發揮了硬件性能的同時降低開發成本和開發難度.

解決硬件與軟件矛盾的做法是引入嵌入式操作系統.嵌入式操作系統是一種用途廣泛的系統軟件，通常包括與硬件相關的底層驅動程序、系統內核、設備驅動接口、通信協議、圖形界面及標準化瀏覽器等［1－2］.嵌入式操作系統負責嵌入式系統的全部軟、硬件資源的分配、任務調度，控制、協調開發活動，通過裝卸某些模塊來達到系統所要求的功能［3－5］.由于微內核與機器特征相關的代碼隔離在微內核的底層，因此在移植過程中只需修改內核中的代碼，嵌入式操作系統就可移植到不同的硬件平臺.本文在構建基于8086CPU的單芯片系統設計的基礎上研究將Linux操作系統移植到目標平臺.

1 8086單芯片平臺

1.1 8086單芯片計算機平臺

單芯片計算機是將傳統PC的CPU、內存、顯卡等集成到單個芯片中.單芯片計算機與傳統PC相比具有體積小、質量好、能耗底等優點，同時系統的性能也有了很大的改善.促進計算機的迅速普及.

單芯片計算機的設計是一個基于某一型號CPU及其外圍I／O接口的SoC設計過程.本文選擇標準的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產生，系統的總線控制邏輯電路被減到最少，該模式適用于規模較小的微機應用系統.本文提及的8086CPU單芯片計算機采用最小工作模式進行設計.8086CPU單芯片計算機系統由硬件系統和軟件系統兩部分組成.

圖1 8086單芯片計算機硬件系統結構Fig.1 The 8086single chip computer hardware system structure

（1）硬件系統：硬件系統包括CPU子系統、接口部件子系統和存儲器子系統.CPU子系統包括8086CPU、數據收發控制器、地址鎖存器和存儲器譯碼電路等.接口部件子系統都掛載在Wishbone總線上，包括如下接口模塊：8254定時器／計數器、8255通用I／O接口、VGA顯示接口等.存儲器子系統包括RAM與ROM.搭建的8086單芯片計算機硬件系統如圖1所示.

（2）軟件系統包括操作系統和在此平臺上的應用軟件.Linux操作系統就是在上述硬件系統的基礎上進行移植的軟件系統.通過對開源的Linux操作系統內核進行裁剪來滿足用戶的需求.應用軟件指的是在操作系統移植成功以后，為滿足用戶的一些需求在8086單芯片計算機上安裝的一些應用軟件及進行的一系列的操作.

1.2 開發平臺

嵌人式系統開發采用的是宿主機－目標機模式，宿主機是PC機，宿主機上裝有操作系統 Windows XP，在Windows XP系統中裝有虛擬機vmware并在vmware上裝RedHatLinux5企業版；目標機采用Intel公司的推出的16位標準的Intel8086微處理器，有29 000只晶體管，速度可分為5MHz，8MHz，10MHz，16位的內部結構，16位雙向數據信號線，20位地址信號線，可尋址1M字節存儲單元，可利用第16位的地址總線來進行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^在宿主機上運行專門的Flash燒寫工具來實現，運行該軟件后，宿主機能直接訪問目標板上的Flash器件.

本文所提到的8086單芯片計算機系統就是將Intel8086微處理器及其外圍設備運用硬件描述語言VHDL"軟化"，實現8086微處理器的硬件功能.并在Xilinx公司推出的嵌入式系統開發板Virtex－ⅡPRO上實現了功能演示.

2 Linux移植分析

2.1 建立Linux交叉編譯環境

Linux內核移植前首先建立交叉編譯器編譯內核文件及應用程序［6－8］，這是一個比較復雜的過程同時也是相當重要的過程.所謂交叉編譯就是在宿主機上進行編譯［9］，生成目標機Intel8086處理器可執行的二進制位流文件.到網上下載交叉編譯工具鏈Crosstool－ng－1.5.3.因為Crosstool－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中選擇適合目標板的gcc編譯器和函數庫glibc，選擇下面的行：

2.2 Linux內核、配置和編譯

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

圖2 內核配置圖形化界面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核在640K之下.新內核編譯成功之后，這些指令會在／usr／src／linux／arch／X86／boot／下生成bzImage.elf內核文件.

2.3 制作根文件系統

嵌入式系統的使用還需要根文件系統的支持，它是Linux系統的根本所在，啟動時必須加載以支持系統的運行.一般包括以下目錄內容：／bin（包含了應用程序）；／boot（包含了內核和啟動文件）；／dev（設備文件目錄）；／proc（proc文件系統目錄）；／etc（系統配置文件的目錄）；／sbin（系統程序的目錄）；／lib（共享函數庫的目錄）；／mnt（裝載其它磁盤節點的目錄）；／usr（附加應用程序的目錄），同時還要提供一些實用的基本工具，像ls、chmod、cd等.

有兩種基本的根文件系統制作方法，將system.ace文件放在壓縮flash卡進行有盤引導的本地文件系統LFS（local file system）；通過網絡進行的無盤引導即網絡文件系統NFS（network file system）.本文使用第一種方法，采用BusyBox制作一個去構件根文件系統，BusyBox具有shell的功能，它能提供系統所需要的大部分工具，包括編輯工具、網絡工具、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程相關工具等.其體積很小，這就使得我們能將根文件系統以及Linux內核存放在64KB的flash卡上.

下載并編譯BusyBox，Klingauf［7］詳細地介紹如何使用BusyBox制作根文件系統，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，因此節省了許多時間.修改如下：

還要改變兩個文件權限，如下：

2.4 CF卡分區引導

將根文件系統拷貝到CF卡上.步驟如下：

（1）在Linux的／etc／fstab中輸入：

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

運行命令：

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

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

將system.ace拷貝第一個分區上準備引導.

（3）在Linux操作系統下格式化第二個分區，運行命令：

一切準備就緒，將bzImage.elf和文件系統system.ace文件拷貝到CF卡中第一個分區，本地引導Linux，載入運行，在開發板上看到Linux的提示符后，移植就成功了.

3 結 論

（1）結合嵌入式Linux操作系統和8086單芯片計算機的特點，解決了Linux操作系統移植的關鍵技術，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）移植為構建完整的8086單芯片計算機系統提供了系統軟件，為應用軟件的運行提供了操作系統平臺.

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