摘要：介紹了ARM-μCLinux嵌入式系統(tǒng)的結構組成，重點分析了ARM--μCLinux嵌入式系統(tǒng)啟動引導的過程實現(xiàn)該系統(tǒng)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(tǒng) 引導 ARM μCLinux 32位ARM嵌入式處理器具有高性能、低軾耗的特性，已被廣泛應用于消費電子產(chǎn)品、無線通信和網(wǎng)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(tǒng)，支持ARM、Motorola等微處理器。目前國內(nèi)外采用ARM-μCLinux作為嵌入式系統(tǒng)非常普遍。而嵌入式系統(tǒng)的啟動引導技術是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一個難點。系統(tǒng)啟動引導的成功與否決定了應用程序的運行環(huán)境是否能正確構建，即系統(tǒng)啟動成功是應用正確運行的前提。 常用的嵌入式系統(tǒng)啟動方法是先通過JTAG將嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核與進Flash，再由其帶的引導程序bootloader完成嵌放式系統(tǒng)的啟動引導工作。這種方法要借助昂貴的JTAG設備完成操作系統(tǒng)內(nèi)核 的燒寫工作，并且不能方便地更新嵌入式系統(tǒng)中的軟件平臺。本文提出一種基于ARM-μCLinux嵌入式系統(tǒng)的啟動引導方案，不但可以通過簡易的串口方便地更新嵌入式系統(tǒng)內(nèi)的軟件平臺，而且成功解決了這種架構的嵌入式系統(tǒng)的啟動、初始化、操作系統(tǒng)內(nèi)核的固化和引導等問題。本文簡略說明ARM- μCLinux嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺和軟件平臺;描述系統(tǒng)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(nèi)核的引導程序，說明μCLinux內(nèi)核的加載和初始化過程。 1 系統(tǒng)組成 典型的ARM嵌入式系統(tǒng)硬件平臺一般包括一個以ARM為內(nèi)核的處理器、存儲器和必要的外部接口與設備。在本系統(tǒng)中，采用內(nèi)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(wǎng)接口，以支持S3C4510的網(wǎng)絡功能。 軟件平臺由以下部分組成：系統(tǒng)引導程序、嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)。系統(tǒng)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(tǒng)內(nèi)核固化到Flash中和系統(tǒng)初始化工作，然后將系統(tǒng)控制權交給操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核是嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)的操作系統(tǒng)內(nèi)核。 ΜCLinux是Linux是一個分支，專為無MMU的處理器設計，它繼承了Linux強大的網(wǎng)絡功能和多任務管理功能，并對內(nèi)存管理和進程管理進行了改寫，滿足無MMU處理器的開發(fā)要求。文件系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)軟件平臺占用存儲量最大的一部分，也是與用戶開發(fā)最相關的一部分。它存儲了系統(tǒng)配置文件、系統(tǒng)程序、用戶應用程序和必需的驅(qū)動程序。 軟件平臺固化在Flash中。通常根據(jù)軟件平臺的內(nèi)容 對Flash的地址空間進行分區(qū)，一般分三個區(qū)，分別豐放bootloader、μCLinux內(nèi)核和文件系統(tǒng)。分區(qū)的方式一般有兩種：一種是根據(jù)三個部分預定的存儲空量，允許bootloader、內(nèi)核和文件系統(tǒng)擁有自己固定的分區(qū)和首地址;另一種就是按照這三部分的實際分配區(qū)間，一個部分緊跟著另一個部分后存儲，沒有固定的分區(qū)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(nèi)核的加載和文件系統(tǒng)的掛載，同時也利于系統(tǒng)的調(diào)試和開發(fā)。而如果充分利用Flash的存儲區(qū)間，節(jié)約成本，那么可采用第二種方式。 2 系統(tǒng)引導程序的設計 系統(tǒng)引導程序bootloader是嵌入式系統(tǒng)加電后執(zhí)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(nèi)核和文件系統(tǒng)固化在Flash中 目地μCLinux內(nèi)核和文件系統(tǒng)固化在Flash的手段很多。主機可以通過JTAG口，將內(nèi)核和文件系統(tǒng)的映像文件燒寫到指定的Flash位置上;也可以通過以太網(wǎng)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(tǒng)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(qū)動程序以及協(xié)議轉(zhuǎn)換程序，網(wǎng)口下載還要有以太網(wǎng)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，還可作為調(diào)試μCLinux內(nèi)核的通道。 在本系統(tǒng)中，F(xiàn)lash在剛開始時，只存儲了bootloader，還沒有存儲μCLinux內(nèi)核和文件系統(tǒng)。因此bootloader在系統(tǒng)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。 圖1 (2)系統(tǒng)初始化 因為系統(tǒng)剛加電時，操作系統(tǒng)的內(nèi)核還沒有被加載，系統(tǒng)的初始化工作由bootloader完成。它主要是將系統(tǒng)、初始化存儲系統(tǒng)、配置ARM各種模式下的數(shù)據(jù)棧、使能屏常中斷、根據(jù)需要切換處理器模式和狀態(tài)。 (3)μCLinux內(nèi)核加載方式 固化在Flash中的μCLinux內(nèi)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(nèi)核先拷貝到SDRAM的某一段地址區(qū)間，再從該段地址區(qū)間的首地址運行uCLinux內(nèi)核。 第一種方式是bootloader進行系統(tǒng)初始化工作后，跳到內(nèi)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(zhí)行內(nèi)核自帶的引導程序，由該引導程序完成內(nèi)核的加載工作。這種方式是目前很多嵌入式系統(tǒng)啟動內(nèi)核所采用的方式，也是本系統(tǒng)采用的內(nèi)核加載方式。 第二種方式是bootloader完成系統(tǒng)初始化工作后，把內(nèi)核的映像文件由Flash拷貝到SDRAM中，再從SDRAM中執(zhí)行μCLinux內(nèi)核的引導程序，加載μCLinux內(nèi)核。 第二種加載方式在SDRAM中運行程序，因此執(zhí)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(xiàn)這種加載方式。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(nèi)存隨機讀取技術，與SDRAM一樣，可以直接執(zhí)行存儲在Flash中的程序;而NAND一樣，可以直接內(nèi)存隨機讀取技術，它是一次讀取一整塊內(nèi)存，因此不能直接執(zhí)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(zhí)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(tǒng)還是采用NOR型Flash(幾百K字節(jié))+NAND型Flash(幾兆字節(jié))的存儲模式。其中NOR型Flash存放可執(zhí)行的且代碼量小的 bootloader和一些必要的數(shù)據(jù)，而NAND型Flash保存存儲量較大的內(nèi)核和文件系統(tǒng)。 在本系統(tǒng)中，由于采用NOR型Flash存儲bootloader、內(nèi)核和文件系統(tǒng)，所以可以直接訪問內(nèi)核所在地址區(qū)間的首地址，執(zhí)行內(nèi)核自己的引導程序，而且內(nèi)核自帶的引導程序功能強大，可以方便地內(nèi)核的加載，向內(nèi)核傳遞有關的硬件參數(shù)。本系統(tǒng)采用第一種加載方式。 (4)自舉模式和內(nèi)核啟動模式的切換 Bootloader一般要實現(xiàn)兩種啟動模式：自舉模式和內(nèi)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(fā)送過來的映像文件，例如內(nèi)核、文件系統(tǒng)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(nèi)核啟動模式允許嵌入式系統(tǒng)加電啟動后加載μCLinux內(nèi)核，將系統(tǒng)交由μCLinux操作系統(tǒng)管理。 在本系統(tǒng)中，采用一個開關實現(xiàn)兩種模式的切抽象。在系統(tǒng)的Flash中只有bootloader時，首先將開關拔上去，提示系統(tǒng)進入自舉模式，加電啟動后，bootloader根據(jù)開關的狀態(tài)，進入自舉模式，接收主機發(fā)送過來的內(nèi)核和文件系統(tǒng)的映像文件。接著將開關拔下來，提示系統(tǒng)進入內(nèi)核啟動模式，再按鏈，bootloader根據(jù)此時的開關狀態(tài)進入內(nèi)核啟動模式，加載內(nèi)核和文件系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)接管系統(tǒng)。以后也可以根據(jù)需要，設置開關的狀態(tài)，以提示系統(tǒng)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(zhí)行在地址0x0處的代碼，因此在加電啟動時，首先將存儲了bootlader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(nèi)核引導程序?qū)?nèi)核拷貝到SDRAM后，再設置SDRAM的地址空間為0x00x1000000，而 Flash的地址空間為0x1800000-0x1A00000。這需要在內(nèi)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(tǒng)啟動引導方案流程圖如圖1。 3 μCLinux內(nèi)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(nèi)核。該引導程序代碼在linux/arch/armnommu/boot/compressed目錄，其中Head.s的作用最關鍵，它完成了加載內(nèi)核的大部分工作;Misc.c則提供加載內(nèi)核所需要的子程序，其中解壓內(nèi)核的子程序是Head.s調(diào)用的重要程序，另外內(nèi)核的加載還必須知道系統(tǒng)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(nèi)核的引導程序時，第一個執(zhí)行的程序就是Head.s。下面基于本系統(tǒng)介紹Head.s加載內(nèi)核的主要過程。 Head.s首先配置S3C4510的系統(tǒng)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(nèi)核的映像文件從Flash拷貝到SDRAM，并將Flash和 SDRAM的地址區(qū)間分別重映射為0x1800000-0x1A00000和0x0-0x1000000;然后調(diào)用Misc.c中的解壓內(nèi)核函數(shù)(decompress_kernel)，對拷貝到SDRAM的內(nèi)核映像文件進行解壓縮;最后跳轉(zhuǎn)到執(zhí)行調(diào)用內(nèi)核函數(shù)(call_kernel)，將控制權交給解壓后的μCLinux系統(tǒng)。 執(zhí)行Call_kernel函數(shù)實際上是執(zhí)行l(wèi)inux/init/main.c中的start_kernel函數(shù)，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(nèi)存初始化等重要工作。 該啟動引導方案實現(xiàn)了自舉模式和內(nèi)核啟動模式以及兩種模式的切換，使得開人員既可以采用自舉模式方便地燒寫Flash，更新嵌入式系統(tǒng)中的軟件平臺，又能夠切換到內(nèi)核啟動模式，自動安全地啟動系統(tǒng);其次，本方案采用簡易的串口通道作業(yè)主機與目標系統(tǒng)的通信渠道，既可以方便地將操作系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)和其他應用下載到目標系統(tǒng)中，又可以作為調(diào)試μCLinux內(nèi)核和應用程序通道;此外針對ARM7TDMI的無MMU特性，采用修改后的μCLinux內(nèi)核引導程序加載操作系統(tǒng)和初始化操作系統(tǒng)環(huán)境，解決內(nèi)核加載的地址重映射問題和操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理問題。