基于8086单芯片计算机的嵌入式Linux操作系统移植

杨延庆

（西安医学院 信息技术处，陕西 西安710021）

0 引 言

计算机技术的飞速发展使得计算机硬件的性能不断提高，计算机由原来的大体积、单一的性能逐渐变得体积越来越小，集成度越来越高，性能越来越强.硬件复杂程度的增加对软件的设计也提出了新的要求.计算机软件的开发成本上升、周期增大，嵌入式系统性能越来越高，在应用中充分发挥了硬件性能的同时降低开发成本和开发难度.

解决硬件与软件矛盾的做法是引入嵌入式操作系统.嵌入式操作系统是一种用途广泛的系统软件，通常包括与硬件相关的底层驱动程序、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面及标准化浏览器等［1－2］.嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调开发活动，通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能［3－5］.由于微内核与机器特征相关的代码隔离在微内核的底层，因此在移植过程中只需修改内核中的代码，嵌入式操作系统就可移植到不同的硬件平台.本文在构建基于8086CPU的单芯片系统设计的基础上研究将Linux操作系统移植到目标平台.

1 8086单芯片平台

1.1 8086单芯片计算机平台

单芯片计算机是将传统PC的CPU、内存、显卡等集成到单个芯片中.单芯片计算机与传统PC相比具有体积小、质量好、能耗底等优点，同时系统的性能也有了很大的改善.促进计算机的迅速普及.

单芯片计算机的设计是一个基于某一型号CPU及其外围I／O接口的SoC设计过程.本文选择标准的Intel 8086CPU.

8086CPU芯片有最小模式与最大模式两种工作模式.所谓最小模式，是指系统中只有一个8086微处理器，在这种情况下，所有的总线控制信号，都直接由8086CPU产生，系统的总线控制逻辑电路被减到最少，该模式适用于规模较小的微机应用系统.本文提及的8086CPU单芯片计算机采用最小工作模式进行设计.8086CPU单芯片计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成.

图1 8086单芯片计算机硬件系统结构Fig.1 The 8086single chip computer hardware system structure

（1）硬件系统：硬件系统包括CPU子系统、接口部件子系统和存储器子系统.CPU子系统包括8086CPU、数据收发控制器、地址锁存器和存储器译码电路等.接口部件子系统都挂载在Wishbone总线上，包括如下接口模块：8254定时器／计数器、8255通用I／O接口、VGA显示接口等.存储器子系统包括RAM与ROM.搭建的8086单芯片计算机硬件系统如图1所示.

（2）软件系统包括操作系统和在此平台上的应用软件.Linux操作系统就是在上述硬件系统的基础上进行移植的软件系统.通过对开源的Linux操作系统内核进行裁剪来满足用户的需求.应用软件指的是在操作系统移植成功以后，为满足用户的一些需求在8086单芯片计算机上安装的一些应用软件及进行的一系列的操作.

1.2 开发平台

嵌人式系统开发采用的是宿主机－目标机模式，宿主机是PC机，宿主机上装有操作系统 Windows XP，在Windows XP系统中装有虚拟机vmware并在vmware上装RedHatLinux5企业版；目标机采用Intel公司的推出的16位标准的Intel8086微处理器，有29 000只晶体管，速度可分为5MHz，8MHz，10MHz，16位的内部结构，16位双向数据信号线，20位地址信号线，可寻址1M字节存储单元，可利用第16位的地址总线来进行I／O端口寻址，可寻址64K个I／O端口，单一的5V电源.嵌入式Linux的载入通常可以通过在宿主机上运行专门的Flash烧写工具来实现，运行该软件后，宿主机能直接访问目标板上的Flash器件.

本文所提到的8086单芯片计算机系统就是将Intel8086微处理器及其外围设备运用硬件描述语言VHDL"软化"，实现8086微处理器的硬件功能.并在Xilinx公司推出的嵌入式系统开发板Virtex－ⅡPRO上实现了功能演示.

2 Linux移植分析

2.1 建立Linux交叉编译环境

Linux内核移植前首先建立交叉编译器编译内核文件及应用程序［6－8］，这是一个比较复杂的过程同时也是相当重要的过程.所谓交叉编译就是在宿主机上进行编译［9］，生成目标机Intel8086处理器可执行的二进制位流文件.到网上下载交叉编译工具链Crosstool－ng－1.5.3.因为Crosstool－ng能建立一个新的工具链以支持对最新kernel的编译，然后在文件crosstool－ng－1.5.3中选择适合目标板的gcc编译器和函数库glibc，选择下面的行：

2.2 Linux内核、配置和编译

在已经安装好的交叉编译工具Crosstool－ng的基础上对内核进行编译，编译内核整体上分为3个步骤：1、配置内核（就是确定哪些功能要保留在编译好的内核中，哪些功能要从内核中删除），生成一个编译配置文件.config.2、编译内核.3、安装内核.具体步骤如下：

图2 内核配置图形化界面Fig.2 Kernel configuration graphical interface

该处也可以用make zImage，但必须确保所编译的新内核在640K之下.新内核编译成功之后，这些指令会在／usr／src／linux／arch／X86／boot／下生成bzImage.elf内核文件.

2.3 制作根文件系统

嵌入式系统的使用还需要根文件系统的支持，它是Linux系统的根本所在，启动时必须加载以支持系统的运行.一般包括以下目录内容：／bin（包含了应用程序）；／boot（包含了内核和启动文件）；／dev（设备文件目录）；／proc（proc文件系统目录）；／etc（系统配置文件的目录）；／sbin（系统程序的目录）；／lib（共享函数库的目录）；／mnt（装载其它磁盘节点的目录）；／usr（附加应用程序的目录），同时还要提供一些实用的基本工具，像ls、chmod、cd等.

有两种基本的根文件系统制作方法，将system.ace文件放在压缩flash卡进行有盘引导的本地文件系统LFS（local file system）；通过网络进行的无盘引导即网络文件系统NFS（network file system）.本文使用第一种方法，采用BusyBox制作一个去构件根文件系统，BusyBox具有shell的功能，它能提供系统所需要的大部分工具，包括编辑工具、网络工具、模块加载工具、压缩解压缩工具、查找工具、帐号密码管理工具和进程相关工具等.其体积很小，这就使得我们能将根文件系统以及Linux内核存放在64KB的flash卡上.

下载并编译BusyBox，Klingauf［7］详细地介绍如何使用BusyBox制作根文件系统，按照其步骤只要修改mkrootfs.sh脚本的几个地方就可生成根文件系统，因此节省了许多时间.修改如下：

还要改变两个文件权限，如下：

2.4 CF卡分区引导

将根文件系统拷贝到CF卡上.步骤如下：

（1）在Linux的／etc／fstab中输入：

文件／etc／fstab下存放的是系统文件相关信息.如果该文件设置正确，则能够通过"mount／directoryname"命令加载文件系统，不同的文件系统对应不同的行.“noauto”意思是当使用“mount－a”命令时文件系统不加载，“user”指的是允许一般用户挂载文件系统，两个零表示文件系统不需要转储、不需要启动时被扫描.

运行命令：

表示对设备进行逻辑上的分区，将CF卡分成3个区，第一个区格式为FAT16，大小保证能够放下system.ace文件就可以，第二个区为Linux Swap交换分区，第三个区用来存放根文件系统.

（2）在网站上下载mkdosfs工具，在windows操作系统下格式化CF卡上第一个区，然后运行命令：

将system.ace拷贝第一个分区上准备引导.

（3）在Linux操作系统下格式化第二个分区，运行命令：

一切准备就绪，将bzImage.elf和文件系统system.ace文件拷贝到CF卡中第一个分区，本地引导Linux，载入运行，在开发板上看到Linux的提示符后，移植就成功了.

3 结 论

（1）结合嵌入式Linux操作系统和8086单芯片计算机的特点，解决了Linux操作系统移植的关键技术，移植过程对于其他类型微处理器上Linux的移植具有参考价值.

（2）移植为构建完整的8086单芯片计算机系统提供了系统软件，为应用软件的运行提供了操作系统平台.

［1］孙璐，陶晶，张勇智，等.基于8086CPU的单芯片计算机系统的设计［J］.中国集成电路，2010（9）：45－49.SUN Lu，TAO Jing，ZHANG Yongzhi，et al.The design of the single chip computer system based on 8086CPU［J］.China Integrated Circuit，2010（9）：45－49.

［2］李艳芳，唐云.EMU8086和 DEBUG在《微机原理》课程教学中的应用［J］.湖南科技学院学报，2013，34（8）：41－43.LI Yanfang，TANG Yun.EMU8086and DEBUG in the application of the course“microcomputer principle”teaching［J］.Journal of Hunan University of Science and Engineering，2013，34（8）：41－43.

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