S3C44B0X的最小系統(tǒng)構(gòu)架
一、前言
ARM7TDMI是世界上廣泛使用的32位嵌入式RISC處理器,是目前用于低端的ARM處理器核。它的高性能,低功耗,廉價(jià)和精簡(jiǎn)的程序代碼一直是市場(chǎng)上的領(lǐng)先者。ARM公司研發(fā)了針對(duì)ARM圖形化的編譯器,連接器和調(diào)試器,這為整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試提供了較好的環(huán)境。Samsung S3C44B0微處理器是三星公司提供的高性價(jià)比和高性能的微控制器解決方案,它使用ARM7TDMI核,從SamsungS3C4510B停產(chǎn)后,SamsungS3C44B0X更成為同類芯片的主流。
現(xiàn)今許多嵌入式系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能都需要操作系統(tǒng)支持,有了操作系統(tǒng)的支持,編寫特定的應(yīng)用程序就比較容易了。本文以u(píng)Clinux最新源代碼包為基礎(chǔ),修改代碼以適合S3C44B0X的系統(tǒng),包括啟動(dòng)程序bootloader,Linux內(nèi)核源代碼修改,根文件系統(tǒng)的定制。
二、硬件架構(gòu)
一個(gè)最小的嵌入式系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分:CPU、SDRAM、FLASH。但為了調(diào)試方便本文介紹的系統(tǒng)帶了網(wǎng)口和串口,網(wǎng)口用于傳輸數(shù)據(jù)大批量數(shù)據(jù),串口用于傳輸字符數(shù)據(jù),這樣就可以和主機(jī)通信了。硬件框圖如圖1所示。
系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)板主要芯片(CPU,UART,F(xiàn)LASH(ROM),ETHERNETSDRAM),管腳連接如圖2所示。
圖2 S3C44B0X與SDRAM,F(xiàn)lash,以太網(wǎng)口,串口的連接圖
三、軟件架構(gòu)
基于uClinux的嵌入式系統(tǒng)軟件一般由三部分構(gòu)成:?jiǎn)?dòng)程序(bootloader)、內(nèi)核文件(kernel)、根文件系統(tǒng)(rootfs)。uClinux源代碼包含程序庫(kù),Linux內(nèi)核和根文件系統(tǒng)所需要的應(yīng)用程序源代碼,而啟動(dòng)程序要自己編寫。
啟動(dòng)程序先初始化CPU,然后引導(dǎo)uClinux操作系統(tǒng),操作系統(tǒng)引導(dǎo)起來(lái)后會(huì)加載根文件系統(tǒng),加載根文件系統(tǒng)有幾種方式,這里采用blockmemory技術(shù)(可以避免在啟動(dòng)時(shí)傳遞內(nèi)核rootfs位置的參數(shù))。根文件系統(tǒng)使用romfs文件系統(tǒng),這種文件系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單,很適合嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。這三部分在FLASH和內(nèi)存的分配地址如圖3和圖4所示。
最難調(diào)試的部分應(yīng)該是啟動(dòng)程序部分;對(duì)于以后的內(nèi)核可以根據(jù)串口輸出的錯(cuò)誤信息來(lái)判斷。筆者采用ARM公司的調(diào)試工具AXD來(lái)調(diào)試bootloader。
1.啟動(dòng)程序(bootloader)
bootloader有兩大功能:初始化CPU和引導(dǎo)Linux內(nèi)核(采用將壓縮內(nèi)核拷貝到內(nèi)存解壓方法,這樣可以加快啟動(dòng)速度)。
(1)初始化CPU
1)中斷向量
ARM要求中斷向量表必須放置在從0地址開始,連續(xù)8×4字節(jié)的空間內(nèi)。每當(dāng)一個(gè)中斷發(fā)生以后,ARM處理器便強(qiáng)制把PC指針置為向量表中對(duì)應(yīng)中斷類型的地址值。因?yàn)槊總€(gè)中斷只占據(jù)向量表中1個(gè)字的存儲(chǔ)空間,只能放置一條ARM指令,使程序跳轉(zhuǎn)到存儲(chǔ)器的其他地方,再執(zhí)行中斷處理。
所以0地址開始的地方,分配為flash的空間,在0地址開始處放中斷向量,作為uClinux的啟動(dòng)代碼,實(shí)現(xiàn)方式如下:
b reset
add pc,pc,#0x0c000000
add pc,pc,#0x0c000000
add pc,pc,#0x0c000000
add pc,pc,#0x0c000000
add pc,pc,#0x0c000000
add pc,pc,#0x0c000000
add pc,pc,#0x0c000000
0x0c000000為內(nèi)存起始地址,uClinux將中斷向量放入地址0x0c000008,因?yàn)閏pu發(fā)生中斷時(shí)仍然會(huì)跳轉(zhuǎn)到0地址處的中斷向量表中去,所以此處要修改中斷向量表的地址,使程序能正確跳轉(zhuǎn)到uClinux實(shí)現(xiàn)的中斷向量處。由于ARM系統(tǒng)的三級(jí)流水線技術(shù),當(dāng)程序執(zhí)行到x地址處,pc指針的值其實(shí)等于x+8。
在uClinux中相關(guān)代碼如下:
#ifdef CONFIG_ARCH_S3C44B0
#undef vectors_base()
#define vectors_base() (0x0c000008)
#endif
add pc,pc,#0x0c000000這條語(yǔ)句將會(huì)有8的偏移量,當(dāng)pc等于0時(shí),這條指令的執(zhí)行結(jié)果為pc=0x0c000008。
2)中斷處理
這段reset代碼放在flash中。這樣系統(tǒng)每次復(fù)位后,會(huì)執(zhí)行flash上的reset代碼。
初始化存儲(chǔ)器系統(tǒng) 初始化堆棧
在初始化堆棧時(shí)應(yīng)該特別注意,堆棧指針地位置一定不能和其他程序的地址相沖突,否則程序很容易異常。 初始化有特殊要求的端口,設(shè)備 初始化用戶程序執(zhí)行環(huán)境 改變處理器模式 調(diào)用主應(yīng)用程序
(2)引導(dǎo)Linux內(nèi)核
主應(yīng)用程序里放操作系統(tǒng)引導(dǎo)程序的代碼,一般此處應(yīng)該傳遞給Linux內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)(如ramdisk的位置等),但程序加載內(nèi)核使用blockmemory技術(shù),所以不用傳遞參數(shù)來(lái)加載根文件系統(tǒng)rootfs。只要將Linux內(nèi)核和rootfs從flash(如圖1)拷貝到內(nèi)存中相應(yīng)位置(如圖2)。拷貝完成后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核入口地址處執(zhí)行。具體方法是用將壓縮內(nèi)核的地址轉(zhuǎn)換成函數(shù)的指針,并傳遞處理器號(hào)ARCH_NUMBER。這在uClinux內(nèi)核源代碼的目錄文件uClinux-dsit/linux2.4.x uClinux-dsit/linux2.4.x/arch/armnommu/tools/Match-types中定義:
s3c44b0 ARCH_S3C44B0 S3C44B0 178
2.uClinux系統(tǒng)內(nèi)核
uClinux的官方網(wǎng)站發(fā)布的最新uClinux移植包是uclinux-dist-20040408,它包含了三星S3C4510B的源代碼,可以將它移植到S3C44B0平臺(tái)下。具體內(nèi)核源代碼的改動(dòng)如下(其中出現(xiàn)的內(nèi)存地址可以參考圖4)。
(1)Linux內(nèi)核編譯配置選項(xiàng)
文件uClinux-distvendorsSamsungS3C44B0config.linux-2.4.x中:
#System Type
CONFIG_ARCH_MBA44B0=y
CONFIG_NO_PGT_CACHE=y
CONFIG_CPU_32=y
CONFIG_CPU_ARM710=y
CONFIG_CPU_WITH_CACHE=y
CONFIG_SERIAL_44B0=y
DRAM_BASE=0x0c000000#SDRAM起始地址
DRAM_SIZE=Ox01000000#SDRAM大小16M
FLASH_MEM_BASE=0x00000000#FLASH起始地址
FLASH_SIZE=0x00200000 #FLASH大小2M
以后的make都以CONFIG_ARCH_S3C44B0=y這選項(xiàng)來(lái)解決是編譯和$3C4480相關(guān)的其他選項(xiàng)。
(2)處理器MAKEFILE文件
文件uClinux-dsit/linux2.4.x/arch/armnommu/Makefie中:
ifeq($(CONFIG_ARCH_S3C44B0),y)
TEXTADDR=0x0c008000
MACHINE=s3c44bO
endif
TEXTADDR=0x0c008000#表明未壓縮的內(nèi)核的位置
uClinux-dsit/linux2.4.x/arch/armnommu/boot/Makefie:
ifeq($(CONFIG_ARCH_S3C44B0),y)
ZRELADDR =0x0c008000
ZTEXTADDR =0x0c300000
endif
ZRELADDR=0x0c008000#表明未壓縮的內(nèi)核的位置
ZTEXTADDR=0x0c300000#表明壓縮內(nèi)核的位置
(3)中斷向量地址
文件uClinux-dsit/linux2.4.x/include/asm-armnommu/proc-armv/system.h中
#ifdef CONFIG_ARCH_S3C44B0
#undef vectors_base()
#define vectors_base()(0x0c000008)
#endif
內(nèi)存地址為0x0e000008的原因在啟動(dòng)程序一處已經(jīng)提到過(guò)。
(4)處理器基本參數(shù)和類型
文件uClinux-dsit/linux2.4.x/arch/armnommu/machs3c44b0/arch.c中
MACHINE_START(MBA44B0,"S3C4480")
MAINTAINER("MacWang")
BOOT_MEM(0x0c000000,0x01c00000,0x01c00000)
BOOT_PARAMS(0x0c000100)
INITIRQ(genarch_init_irq)
MACHINE_END
其中MACHINE_START(MBA44B0,"S3C44B0")的"MBA4480"是在asm/mach-types.h里定義的平臺(tái)類型
BOOT_MEM(0x0c000000,0x01c00000,0x01c00000)指定了啟動(dòng)的RAM地址0x0c000000,特殊功能寄存器地址0x01c00000,BOOT_PARAMS(0x0c000100)表示內(nèi)核參數(shù)的傳遞地址。
文件uClinux-dsit/linux2.4.x/arch/armnommu/tools/Match-types中:
s3c44b0 ARCH_S3C44B0 S3C44B0 178
178是arch_number
在跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核時(shí),r0=0,r1=arch_number
(5)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)
這里采用的芯片是RTL8019AS,數(shù)據(jù)寬度用的是8位,它和ne2000兼容,所以只要修改ne2000的源代碼(I/O起始地址、中斷向量號(hào)、數(shù)據(jù)寬度)就可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)口的驅(qū)動(dòng)了。
文件uClinux-dsit/linux2.4.x/driver/net/ne.e中:
dev->base_addr=base_addr=NE2000_ADDR;
dev->irq=NE2000_IRQ_VECTOR;
NE2000_ADDR和NE2000IRQ_VECTOR分別是RTL8019AS的I/O起始地址和中斷向量號(hào),根據(jù)硬件連接改成相應(yīng)的值。ne_probel函數(shù)中wordlength=2代表數(shù)據(jù)寬度為16位,改為wordlength=1代表數(shù)據(jù)寬度為8位。
(6)用blockmemory指定地址
對(duì)rootfs的加載一般有兩種方式,用initrd技術(shù)和blockmemory。這里用blockmemory技術(shù)指定romfs的地址。(makemenuconfig時(shí)選定romfs和romdisksupport)
文件uClinux-dsit/linux2.4.x/driver/block/Blkmem.c中:
arena[]={
#ifdef CONFIG_ARCH_S3C44B0
{0,0x0CC00000,-1},
#endif
這樣只要將mmfs加載到相應(yīng)的地址0x0CC00000,內(nèi)核就可以找到。
修改完成后,編譯內(nèi)核(make menconfig)時(shí)要選擇支持ramdisk和blkmem。ne2000網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng),romfs和ramfs文件系統(tǒng),TCP/IP協(xié)議的項(xiàng)。
3.根文件系統(tǒng)(rootfs)
uClinux源代碼包里有直接生成rootfs的工具,它所采用的是romfs格式的文件系統(tǒng)。
定制romfs時(shí)選擇一些基本的shell命令,包括文件系統(tǒng)的一些命令,用戶可根據(jù)需要選擇自己需要的命令。筆者選擇了telnet服務(wù)器程序(有利于從遠(yuǎn)程主機(jī)登錄到系統(tǒng)上),ftp服務(wù)器和客戶端命令等網(wǎng)絡(luò)程序。
最后要結(jié)合自己的應(yīng)用來(lái)編寫一個(gè)uClinux操作系統(tǒng)下的應(yīng)用程序。有了uClinux操作系統(tǒng)的支持,應(yīng)用程序的編寫就比較容易了。嵌入式uClinux系統(tǒng)下的應(yīng)用程序和PC機(jī)上Linux系統(tǒng)下的編程相似,區(qū)別只是調(diào)用的庫(kù)函數(shù)不一樣。PC機(jī)上調(diào)試程序比較容易,可以先在PC機(jī)上調(diào)試代碼,再?gòu)腦86機(jī)移植程序到ARM處理器。在移植過(guò)程種應(yīng)注意內(nèi)存奇地址問(wèn)題,在X86機(jī)上將4字節(jié)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)存放在一個(gè)內(nèi)存奇地址上一般不會(huì)有問(wèn)題,但在ARM處理器執(zhí)行時(shí)就會(huì)產(chǎn)生異常。在Linux下有各種開源的代碼,它們功能都比較完善,只要移植到uClinux下就可以了。這大大地增加了嵌入式系統(tǒng)地開發(fā)效率。
在uClinux-dist源代碼包的usr目錄下增加自己的程序文件夾,該文件夾內(nèi)存放所需的程序和MAKEFILE文件。因?yàn)樯弦患?jí)目錄的MAKEFILE會(huì)對(duì)子文件夾內(nèi)的每個(gè)文件夾調(diào)用MAKE,所以在上層目錄編譯romfs時(shí),就可以把這個(gè)程序放入根文件系統(tǒng)中。
最后把以上三個(gè)步驟生成的二進(jìn)制文件用燒寫FLASH工具分別燒寫在如圖3所示的flash地址處,就可以在嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行一個(gè)帶網(wǎng)絡(luò)功能的uClinux操作系統(tǒng)了。
四、結(jié)語(yǔ)
本文根據(jù)筆者所用的嵌入式實(shí)驗(yàn)板為平臺(tái)構(gòu)建uClinux軟件平臺(tái),在不同的S3C44B0X嵌入式系統(tǒng)中,根據(jù)硬件和應(yīng)用的不同,可以更改相應(yīng)的地方