??? 摘? 要: 介紹了ARM-μCLinux嵌入式系統" title="嵌入式系統">嵌入式系統的結構組成,重點分析了ARM-μCLinux嵌入式系統啟動引導的過程和實現該系統啟動引導的技術難點,提出了一種有效的啟動引導方案。?

??? 關鍵詞: 嵌入式系統? 引導? ARM? μCLinux

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??? 32位ARM嵌入式處理器具有高性能、低功耗的特性,已被廣泛應用于消費電子產品、無線通信和網絡通信等領域。μCLinux是專門為無MMU處理器設計的嵌入式操作系統,支持ARM、Motorola等微處理器。目前國內外采用ARM-μCLinux作為嵌入式系統非常普遍。而嵌入式系統的啟動引導技術是嵌入式系統開發的一個難點。系統啟動引導的成功與否決定了應用程序的運行環境是否能正確構建,即系統啟動成功是應用程序正確運行的前提。?

??? 常用的嵌入式系統啟動方法是先通過JTAG將嵌入式操作系統內核燒寫進Flash,再由其自帶的引導程序" title="引導程序">引導程序bootloader完成嵌入式系統的啟動引導工作^[1]。這種方法要借助昂貴的JTAG設備完成操作系統內核的燒寫工作,并且不能方便地更新嵌入式系統中的軟件平臺。本文提出一種基于ARM-μCLinux嵌入式系統的啟動引導方案,不但可以通過簡易的串口" title="串口">串口方便地更新嵌入式系統內的軟件平臺,而且成功解決了這種架構的嵌入式系統的啟動、初始化、操作系統內核的固化和引導等問題。本文簡略說明ARM-μCLinux嵌入式系統的硬件平臺和軟件平臺;描述系統引導程序bootloader的設計,闡述設計時考慮的因素和需解決的技術難點,給出一套可行的引導程序流程;針對μCLinux內核的引導程序,說明μCLinux內核的加載" title="加載">加載和初始化過程。?

1 系統組成?

??? 典型的ARM嵌入式系統硬件平臺一般包括一個以ARM為內核的處理器、存儲器和必要的外部接口與設備。在本系統中,采用內嵌ARM7TDMI的Samsung公司的S3C4510處理器,存儲器使用2MB的Flash和16MB的SDRAM,外部接口除了用于下載和通信的串口,還配備了一個以太網接口,以支持S3C4510的網絡功能。?

??? 軟件平臺由以下部分組成:系統引導程序、嵌入式操作系統內核、文件系統" title="文件系統">文件系統。系統引導程序通常也稱為bootloader,代碼量雖少,但是作用非常大,相當于PC上的BIOS,負責將操作系統內核固化到Flash中和系統初始化工作,然后將系統控制權交給操作系統。嵌入式操作系統內核是嵌入式系統加電運行后的管理平臺,負責實時性任務和多任務的管理。ARM7TDMI是一款沒有MMU的處理器,因此采用μCLinux作為本系統的操作系統內核。μCLinux是Linux的一個分支,專為無MMU的處理器設計,它繼承了Linux強大的網絡功能和多任務管理功能,并對內存管理和進程管理進行了改寫,滿足無MMU處理器的開發要求。文件系統是嵌入式系統軟件平臺占用存儲量最大的一部分,也是與用戶開發最相關的一部分。它存儲了系統配置文件、系統程序、用戶應用程序和必需的驅動程序。??

??? 軟件平臺固化在Flash中。通常根據軟件平臺的內容對Flash的地址空間進行分區,一般分三個區,分別存放bootloader、μCLinux內核和文件系統。分區的方式一般有兩種:一種是根據三個部分預定的存儲容量,允許bootloader、內核和文件系統擁有自己固定的分區和首地址;另一種就是按照這三部分的實際容量分配區間,一個部分緊跟著另一個部分后存儲,沒有固定的分區和首地址。通常采用第一種方式,雖然可能會浪費一部分Flash空間,但是方便內核的加載和文件系統的掛載,同時也利于系統的調試和開發。而如果充分利用Flash的存儲區間,節約成本,那么可采用第二種方式。?

2 系統引導程序的設計?

??? 系統引導程序bootloader是嵌入式系統加電后執行的第一個程序,進行功能設計時首先要考慮以下問題:?

??? (1)將μCLinux內核和文件系統固化在Flash中?

??? 目前將μCLinux內核和文件系統固化在Flash的手段很多。主機可以通過JTAG口,將內核和文件系統的映像文件燒寫到指定的Flash位置上;也可以通過以太網接口,將映像文件下載到Flash中;另外還可以通過串口燒寫到Flash。前兩種方法的下載速度比后一種方法快得多。在本系統中,采用串口燒寫Flash。這是因為一方面配置一個串口方便且廉價,而JTAG燒寫還要配置昂貴的JTAG仿真器和相關的驅動程序以及協議轉換程序,網口下載還要有以太網支持;另一方面μCLinux默認通過串口打印其運行的信息,那么串口不但可以提供燒寫Flash的功能,還可以作為調試μCLinux內核的通道。?

??? 在本系統中,Flash在剛開始時,只存儲了bootloader,還沒有存儲μCLinux內核和文件系統。因此bootloader在系統加電完成初始化工作后,要初始化一條鏈接主機和目標機的串口通道,并提供串口下載功能。?

??? (2)系統初始化?

??? 因為系統剛加電時,操作系統的內核還沒有被加載,系統的初始化工作由bootloader完成。它主要是將系統運行環境初始化,包括設置異常向量表和異常處理程序、初始化存儲系統、配置ARM各種模式下的數據棧、使能異常中斷、根據需要切換處理器模式和狀態^[3]。?

??? (3)μCLinux內核加載方式?

??? 固化在Flash中的μCLinux內核有兩種運行方式:一種方式是直接在Flash中運行μCLinux自帶的引導程序;另一種方式是將固化在Flash中的內核先拷貝到SDRAM的某一段地址區間,再從該段地址區間的首地址運行uCLinux內核。?

??? 第一種方式是bootloader進行系統初始化工作后,跳到內核固化在Flash中的首地址處,將控制權交給μCLinux,開始在Flash中逐句執行內核自帶的引導程序,由該引導程序完成內核的加載工作。這種方式是目前很多嵌入式系統啟動內核所采用的方式,也是本系統采用的內核加載方式。?

??? 第二種方式是bootloader完成系統初始化工作后,把內核的映像文件由Flash拷貝到SDRAM中,再從SDRAM中執行μCLinux內核的引導程序,加載μCLinux內核。?

??? 第二種加載方式在SDRAM中運行程序,因此執行速度比第一種方式快一些,并且可以通過RAM快速引導技術實現這種加載方式^[2,4]。其主要是針對NAND型Flash的情況。與NOR型Flash最大的不同點是:NOR型Flash使用內存隨機讀取技術,與SDRAM一樣,可以直接執行存儲在Flash中的程序;而NAND型Flash不是采取內存隨機讀取技術,它是一次讀取一整塊內存,因此不能直接執行存儲在NAND型Flash中的程序,必須把NAND型Flash中的程序先拷貝到SDRAM,再在SDRAM中執行該程序。但是NAND型Flash價格比NOR型Flash廉價,所以很多嵌入式系統還是采用NOR型Flash(幾百K字節)+NAND型Flash(幾兆字節)的存儲模式。其中NOR型Flash存放可執行的且代碼量小的bootloader和一些必要的數據,而NAND型Flash保存存儲量較大的內核和文件系統。?

??? 在本系統中,由于采用NOR型Flash存儲bootloader、內核和文件系統,所以可以直接訪問內核所在地址區間的首地址,執行內核自己的引導程序,而且內核自帶的引導程序功能強大,可以方便地完成內核的加載,向內核傳遞有關的硬件參數。因此本系統采用第一種加載方式。?

??? (4)自舉模式和內核啟動模式的切換?

??? Bootloader一般要實現兩種啟動模式:自舉模式和內核啟動模式。自舉模式也稱為bootstrap模式,該模式的主要作用是目標機通過串口與主機通信,可以接收主機發送過來的映像文件,例如內核、文件系統和應用程序,并將其固化在Flash中,也可以將Flash中的映像文件上傳到主機。內核啟動模式允許嵌入式系統加電啟動后加載μCLinux內核,將系統交由μCLinux操作系統管理。?

??? 在本系統中,采用一個開關實現兩種模式的切換。在系統的Flash中只有bootloader時,首先將開關撥上去,提示系統進入自舉模式,加電啟動后,bootloader根據開關的狀態,進入自舉模式,接收主機發送過來的內核和文件系統的映像文件。接著將開關撥下來,提示系統進入內核啟動模式,再按重啟鍵,bootloader根據此時的開關狀態進入內核啟動模式,加載內核和文件系統,由操作系統接管系統。以后也可以根據需要,設置開關的狀態,以提示系統進入不同的啟動模式。?

??? (5)地址映射表的配置和重映射?

??? 地址映射表的配置包括設置Flash地址空間、SDRAM地址空間、外部I/O地址范圍和處理器寄存器地址范圍。ARM處理器加電后執行在地址0x0處的代碼,因此在加電啟動時,首先將存儲了bootloader的Flash地址空間設置為0x0-0x200000,將SDRAM的地址空間設置為0x1000000-0x2000000,當內核引導程序將內核拷貝到SDRAM后,再設置SDRAM的地址空間為0x0-0x1000000,而Flash的地址空間為0x1800000-0x1A00000。這需要在內核引導程序中對Flash和SDRAM的地址空間進行重映射。?

??? 本文采用的系統啟動引導方案流程圖如圖1。?

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3 μCLinux內核的加載和初始化?

??? 本啟動方案中采用μCLinux自帶的引導程序加載內核。該引導程序代碼在linux/arch/armnommu/boot/compressed^[5]目錄中,其中Head.s的作用最關鍵,它完成了加載內核的大部分工作;Misc.c則提供加載內核所需要的子程序,其中解壓內核的子程序是Head.s調用的重要程序。另外內核的加載還必須知道系統必要的硬件信息,該硬件信息在hardware.h中并被Head.s所引用。?

??? 當bootloader將控制權交給內核的引導程序時,第一個執行的程序就是Head.s。下面基于本系統介紹Head.s加載內核的主要過程。Head.s首先配置S3C4510的系統寄存器;再初始化S3C4510的ROM、RAM以及總線等控制寄存器,將Flash和SDRAM的地址范圍分別設置為0x0-0x200000和0x1000000-0x2000000;接著將內核的映像文件從Flash拷貝到SDRAM,并將Flash和SDRAM的地址區間分別重映射為0x1800000-0x1A00000和0x0-0x1000000;然后調用Misc.c中的解壓內核函數(decompress_kernel),對拷貝到SDRAM的內核映像文件進行解壓縮;最后跳轉到執行調用內核函數(call_kernel),將控制權交給解壓后的μCLinux系統。?

??? 執行Call_kernel函數實際上是執行linux/init/main.c中的start_kernel函數,由start_kernel函數完成μCLinux內核的初始化工作,其中包括處理器結構的初始化、中斷的初始化、進程相關的初始化以及內存初始化等重要工作^[5]。?

??? 該啟動引導方案實現了自舉模式和內核啟動模式以及兩種模式的切換,使得開發人員既可以采用自舉模式方便地燒寫Flash,更新嵌入式系統中的軟件平臺,又能夠切換到內核啟動模式,自動安全地啟動系統;其次,本方案采用簡易的串口通道作為主機與目標系統的通信渠道,既可方便地將操作系統內核、文件系統和其他應用程序下載到目標系統中,又可以作為調試μCLinux內核和應用程序的通道;此外針對ARM7TDMI的無MMU特性,采用修改后的μCLinux內核引導程序加載操作系統和初始化操作系統環境,解決內核加載的地址重映射問題和操作系統的內存管理問題。?

參考文獻?

1 鄭家玲,張云峰,孫荷琨. 嵌入式系統的內核載入過程淺析.?微型機與應用, 2002;21(11)?

2 孫彥景,馬小平,郭星歌.在嵌入式系統中實現從RAM快速引導技術. 電子產品世界, 2002;(20)?

3 杜春雷.ARM體系結構與編程.北京:清華大學出版社,?2003?

4 Samsung Electronics Limited.Application Notes of S3c4510b.?2001.10?

5 μClinux源代碼. μCLinux-dist-20020318. www.uclinux.org?