基于MPC8250的嵌入式Linux系统开发
引 言
我们开发了某型飞机外场维护系统的一个网络终端通讯平台，其硬件核心采用Motorola公司的嵌入式PowerPC处理器MPC8250，软件方面采用嵌入式linux作为操作系统，实现了飞机外场维护与飞机故障诊断系统的安全、快速通信。这个系统平台具有体积小、功耗低、性能高等特点。
MPC8250构架与系统硬件平台简介
PowerPC是Linux较早开始支持的处理器之一。PowerPC处理器芯片MPC8250基于PowerQUICC(Quad Integrated CommunicationsController)II 结构，是面向高性能、低功耗、小体积的通信设备而开发的处理器。其内部集成了一个高性能嵌入式G2 内核、一个灵活的系统集成单元SIU和许多控制领域的常用外围通信组件(组成通信处理模块CPM，CommunicationsProcessor Module)，可用于许多方面，尤其是在通讯和网络系统方面。G2内核频率在150-200MHz之间，CPM、PCI最高频率为133MHz，外部频率为66MHz，可同时处理高达
128个全双工时分复用逻辑通道。
根据目标系统的不同，系统硬件平台可以引出所需的MPC8250的外部通讯接口。我们的系统提供了8M的flash用于存放内核镜像文件、文件系统、应用程序和备份数据，64MSDRAM用作内存，521KB 的flash用于存放启动代码，此外还有RS232串口、10/100M以太网口以及JTAG支持等。
基于MPC8250的嵌入式linux系统开发
编译环境的定制
通常主机与目标板的CPU都不相同，需要进行交叉编译。能够进行交叉编译的工具很多，一般使用GNU C，它包括gcc、g++编译器，glibc、newlib 等C库，binutils 以及其他一系列开发工具。不同的开发平台需要不同的交叉编译工具。这里我们选择德国denx软件中心提供的一套用于PowerPC嵌入式linux移植的开发编译环境ELDK3.0(Embedded LinuxDevelopmentKit)。
在主机上安装完毕后，修改bash_profile配置文件的路径和交叉编译环境，具体如下：
PATH=$PATH：$HOME /bin：/opt/afeu/usr/bin：/opt/afeu/bin：/usr/bin
CROSS_COMPILE=ppc_82xx
EXPORT PATH CROSS_COMPILE
目标系统资源分配
嵌入式linux系统一般没有硬盘设备，存储空间十分有限。这就要求在Linux移植之前，需要对系统硬件地址精心分配，充分合理地利用。根据前面介绍的系统硬件平台，这里给出目标设备的地址分配，如表1所示。
调试环境的建立
在嵌入式系统中一般没有显示器等输出设备，不利于在目标系统上进行调试。为了调试目标系统，我们通过JTAG仿真器BDI2000来跟踪调试目标机上的代码。其调试环境如图1所示。
其中网卡1＃和目标机直接相连，用来下载内核镜像，NFS文件共享等。网卡2＃连接到BDI2000上，再通过JTAG口连接到目标机上。串口用于命令传输、接收返回信息等。
Linux系统引导模块U-Boot
U-BOOT是denx软件中心依照GPL(General PubliCLicense)发布的系统引导模块，支持多种处理器，如ARM系列、PowerPC系列、MIPS 系列、X86系列等。编译U-BOOT-1.1.0后生成可执行文件，然后根据自己的目标系统修改编辑U-BOOT包下的文件，进行移植(这里需要说明的是，由于找不到MPC8250的支持包，而它和TQM8260内核相差不大，所以下面采用8260ads 的支持包，同样兼容)如：
修改目标系统配置文件./include/configs/MPC8260ADS.h中的寄存器值、SDRAM 控制器参数、串口参数等；
修改目标板定义文件./board/mpc8260ads/mpc8260ads.C中的I/O 端口定义；
修改BCSR 等；
U-Boot在引导Linux内核启动时，向内核传递了一个命令行，内核根据这个命令行的参数来对系统进行相应设置。在linux内核启动时，必须要挂载一个根文件系统。根文件系统可以通过网络文件系统NFS 和本地文件系统LFS两种方式提供。
(1)通过NFS引导Linux系统
通过NFS 引导Linux，其bootargs设置如下：
(2)通过LFS引导linux系统
通过LFS引导linux，可将bootargs设置如下：
setenv bootargs root="/dev/mtdblock1" rw
ip=24.86.246.216： 24.86.246.100： 24.86.246.100： 255.255. 255.0：afeu： eth1： off
内核裁减与移植
(1)Linux内核裁减：嵌入式系统存储单元十分有限，精简内核显得尤为重要。内核裁减主要是去掉无用模块，增加所需模块，使之更符合目标系统。这主要包括平台类型(platformsupport)的选择，我们选择TQM8260；Memory Technology Device(MTD)选择内核对MTD和Flash的支持；Networking options选择内核对网络的支持；file systems 选择内核对文件系统的支持；MPC8260CPMoptions用于配置目标系统的一些通信设备。
裁减完内核后需要对其重新进行编译，方法与通用linux编译基本无异，限于篇幅，不再赘述。
(2)Linux内核移植：内核移植源码主要分部在Linux/include/arch/ppC下。根据目标系统，对与_res 变量相关的参数进行调试跟踪修改，其修改的关键代码如下：
对于arch/ppc/8260_io/commproc.c，改宏定义为：#defineBRG_INT_CLK(16 * 1000000)；
在arch/ppc/8260_io/uart.C中设置波特率：bd->bi_baudrate=9600；
在arch/ppc/kernel/m8260_setup.C中设置总线频率：bininfo->bi_busfreq=66；
设置arch/ppc/kernel/m8260_setup.C中的系统重启地址为：
startaddr=0xeff00100；
此外，还需要修改MTD 设置，主要是修改drivers/mtd/maps/tqm8260.c文件中的分区定义(和目标系统地址分配有关)和目标系统的Flash 的配置，使其满足自己系统的要求。关于8M Flash的分区会在文件系统中叙述。
修改完内核源码，反复调试无误后，镜像内核文件，并使用U-Boot通过tftp将内核镜像文件下载到目标板上。重新引导后，目标板linux即可成功启动。
文件系统
(1)文件系统的分类：根据物理位置文件系统一般可分为网络文件系统NFS和本地文件系统LFS。NFS 对于目标系统
的要求一般不大，只需要提供网络接口传送文件；而LFS 对目标系统却要求苛刻，一般需要大容量的flash。在嵌入式系统中，NFS主要用来对LFS 进行调整，即先在主机上将文件系统做好，通过NFS 挂载，调试用户系统。通过NFS 和LFS两种方式引导linux系统的方法前面已有介绍，这里不再赘述。
Linux支持的文件系统格式主要有CRAMFS(CompressedROMFile System)和JFFS(Journalling Flash File System)。其中前者是只读的，在启动时装载较快，可用来存储动态连接库、应用程序、初始化脚本等；后者可进行读写操作，其第2个版本即JFFS2，还较好地解决了诸如Flash 的空间、使用寿命和垃圾回收问题。
(2)Flash分区：基于对CRAMFS和JFFS两种文件系统的上述分析，可以将flash划分为只读区和可读写区，这既有利于linux系统的正常启动，又利于文件的数据保护。其分区如表2所示。
EDLK3.0提供的文件系统较大，而且很多对目标系统都没有用，需要对其进一步进行裁减。裁减之后需要完善文件系统，以最大可能地符合目标系统。最后需要将裁减完善后的文件系统挂载为根文件系统。
结 论
基于PowerPC处理器MPC8250嵌入式linux系统充分发挥了linux对网络和MPC8250等设备的强大支持功能。与传统的人工查阅故障诊断手册相比，该系统可与飞机故障诊断系统进行实时通讯，有利于故障的快速查询、维修方案的快速选定。
我们开发了某型飞机外场维护系统的一个网络终端通讯平台，其硬件核心采用Motorola公司的嵌入式PowerPC处理器MPC8250，软件方面采用嵌入式linux作为操作系统，实现了飞机外场维护与飞机故障诊断系统的安全、快速通信。这个系统平台具有体积小、功耗低、性能高等特点。
MPC8250构架与系统硬件平台简介
PowerPC是Linux较早开始支持的处理器之一。PowerPC处理器芯片MPC8250基于PowerQUICC(Quad Integrated CommunicationsController)II 结构，是面向高性能、低功耗、小体积的通信设备而开发的处理器。其内部集成了一个高性能嵌入式G2 内核、一个灵活的系统集成单元SIU和许多控制领域的常用外围通信组件(组成通信处理模块CPM，CommunicationsProcessor Module)，可用于许多方面，尤其是在通讯和网络系统方面。G2内核频率在150-200MHz之间，CPM、PCI最高频率为133MHz，外部频率为66MHz，可同时处理高达
128个全双工时分复用逻辑通道。
根据目标系统的不同，系统硬件平台可以引出所需的MPC8250的外部通讯接口。我们的系统提供了8M的flash用于存放内核镜像文件、文件系统、应用程序和备份数据，64MSDRAM用作内存，521KB 的flash用于存放启动代码，此外还有RS232串口、10/100M以太网口以及JTAG支持等。
基于MPC8250的嵌入式linux系统开发
编译环境的定制
通常主机与目标板的CPU都不相同，需要进行交叉编译。能够进行交叉编译的工具很多，一般使用GNU C，它包括gcc、g++编译器，glibc、newlib 等C库，binutils 以及其他一系列开发工具。不同的开发平台需要不同的交叉编译工具。这里我们选择德国denx软件中心提供的一套用于PowerPC嵌入式linux移植的开发编译环境ELDK3.0(Embedded LinuxDevelopmentKit)。
在主机上安装完毕后，修改bash_profile配置文件的路径和交叉编译环境，具体如下：
PATH=$PATH：$HOME /bin：/opt/afeu/usr/bin：/opt/afeu/bin：/usr/bin
CROSS_COMPILE=ppc_82xx
EXPORT PATH CROSS_COMPILE
目标系统资源分配
嵌入式linux系统一般没有硬盘设备，存储空间十分有限。这就要求在Linux移植之前，需要对系统硬件地址精心分配，充分合理地利用。根据前面介绍的系统硬件平台，这里给出目标设备的地址分配，如表1所示。
表1 目标设备的地址分配
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调试环境的建立
在嵌入式系统中一般没有显示器等输出设备，不利于在目标系统上进行调试。为了调试目标系统，我们通过JTAG仿真器BDI2000来跟踪调试目标机上的代码。其调试环境如图1所示。
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图1 系统调试环境
其中网卡1＃和目标机直接相连，用来下载内核镜像，NFS文件共享等。网卡2＃连接到BDI2000上，再通过JTAG口连接到目标机上。串口用于命令传输、接收返回信息等。
Linux系统引导模块U-Boot
U-BOOT是denx软件中心依照GPL(General PubliCLicense)发布的系统引导模块，支持多种处理器，如ARM系列、PowerPC系列、MIPS 系列、X86系列等。编译U-BOOT-1.1.0后生成可执行文件，然后根据自己的目标系统修改编辑U-BOOT包下的文件，进行移植(这里需要说明的是，由于找不到MPC8250的支持包，而它和TQM8260内核相差不大，所以下面采用8260ads 的支持包，同样兼容)如：
修改目标系统配置文件./include/configs/MPC8260ADS.h中的寄存器值、SDRAM 控制器参数、串口参数等；
修改目标板定义文件./board/mpc8260ads/mpc8260ads.C中的I/O 端口定义；
修改BCSR 等；
U-Boot在引导Linux内核启动时，向内核传递了一个命令行，内核根据这个命令行的参数来对系统进行相应设置。在linux内核启动时，必须要挂载一个根文件系统。根文件系统可以通过网络文件系统NFS 和本地文件系统LFS两种方式提供。
(1)通过NFS引导Linux系统
通过NFS 引导Linux，其bootargs设置如下：
(2)通过LFS引导linux系统
通过LFS引导linux，可将bootargs设置如下：
setenv bootargs root="/dev/mtdblock1" rw
ip=24.86.246.216： 24.86.246.100： 24.86.246.100： 255.255. 255.0：afeu： eth1： off
内核裁减与移植
(1)Linux内核裁减：嵌入式系统存储单元十分有限，精简内核显得尤为重要。内核裁减主要是去掉无用模块，增加所需模块，使之更符合目标系统。这主要包括平台类型(platformsupport)的选择，我们选择TQM8260；Memory Technology Device(MTD)选择内核对MTD和Flash的支持；Networking options选择内核对网络的支持；file systems 选择内核对文件系统的支持；MPC8260CPMoptions用于配置目标系统的一些通信设备。
裁减完内核后需要对其重新进行编译，方法与通用linux编译基本无异，限于篇幅，不再赘述。
(2)Linux内核移植：内核移植源码主要分部在Linux/include/arch/ppC下。根据目标系统，对与_res 变量相关的参数进行调试跟踪修改，其修改的关键代码如下：
对于arch/ppc/8260_io/commproc.c，改宏定义为：#defineBRG_INT_CLK(16 * 1000000)；
在arch/ppc/8260_io/uart.C中设置波特率：bd->bi_baudrate=9600；
在arch/ppc/kernel/m8260_setup.C中设置总线频率：bininfo->bi_busfreq=66；
设置arch/ppc/kernel/m8260_setup.C中的系统重启地址为：
startaddr=0xeff00100；
此外，还需要修改MTD 设置，主要是修改drivers/mtd/maps/tqm8260.c文件中的分区定义(和目标系统地址分配有关)和目标系统的Flash 的配置，使其满足自己系统的要求。关于8M Flash的分区会在文件系统中叙述。
修改完内核源码，反复调试无误后，镜像内核文件，并使用U-Boot通过tftp将内核镜像文件下载到目标板上。重新引导后，目标板linux即可成功启动。
文件系统
(1)文件系统的分类：根据物理位置文件系统一般可分为网络文件系统NFS和本地文件系统LFS。NFS 对于目标系统
的要求一般不大，只需要提供网络接口传送文件；而LFS 对目标系统却要求苛刻，一般需要大容量的flash。在嵌入式系统中，NFS主要用来对LFS 进行调整，即先在主机上将文件系统做好，通过NFS 挂载，调试用户系统。通过NFS 和LFS两种方式引导linux系统的方法前面已有介绍，这里不再赘述。
Linux支持的文件系统格式主要有CRAMFS(CompressedROMFile System)和JFFS(Journalling Flash File System)。其中前者是只读的，在启动时装载较快，可用来存储动态连接库、应用程序、初始化脚本等；后者可进行读写操作，其第2个版本即JFFS2，还较好地解决了诸如Flash 的空间、使用寿命和垃圾回收问题。
(2)Flash分区：基于对CRAMFS和JFFS两种文件系统的上述分析，可以将flash划分为只读区和可读写区，这既有利于linux系统的正常启动，又利于文件的数据保护。其分区如表2所示。
EDLK3.0提供的文件系统较大，而且很多对目标系统都没有用，需要对其进一步进行裁减。裁减之后需要完善文件系统，以最大可能地符合目标系统。最后需要将裁减完善后的文件系统挂载为根文件系统。
表2 flash 空间分配
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结 论
基于PowerPC处理器MPC8250嵌入式linux系统充分发挥了linux对网络和MPC8250等设备的强大支持功能。与传统的人工查阅故障诊断手册相比，该系统可与飞机故障诊断系统进行实时通讯，有利于故障的快速查询、维修方案的快速选定。