嵌入式uCLinux內(nèi)核啟動(dòng)過程分析

引言

　　uCLinux是專門為無MMU處理器設(shè)計(jì)的嵌入式操作系統(tǒng)，已支持ARM、Motorola等微處理器。目前采用ARM+uCLinux作為嵌入式系統(tǒng)的一種開發(fā)模式非常普遍。

　　一個(gè)基于uCLinux的完整的嵌入式系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，即系統(tǒng)引導(dǎo)程序Bootloader、uCLinux操作系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的啟動(dòng)引導(dǎo)技術(shù)是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一個(gè)難點(diǎn)，系統(tǒng)啟動(dòng)引導(dǎo)的成功與否決定了應(yīng)用程序的運(yùn)行環(huán)境是否能正確建立，系統(tǒng)啟動(dòng)成功是應(yīng)用正確運(yùn)行的前提。而uCLinux內(nèi)核的啟動(dòng)過程也是其中重要一環(huán)，分析uCLinux的啟動(dòng)過程，可以加快系統(tǒng)啟動(dòng)速度、正確建立應(yīng)用環(huán)境。本文要研究的就是uCLinux操作系統(tǒng)內(nèi)核的啟動(dòng)過程。
 

　　1 系統(tǒng)簡介

　　本系統(tǒng)采用SamSung公司的Arm7TDMI內(nèi)核的S3C4510B處理器，主要利用其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，與PC機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。該系統(tǒng)的主要功能是利用串口監(jiān)測一種智能電表，將獲得的數(shù)據(jù)通過Internet傳給PC機(jī)，由PC機(jī)再做進(jìn)一步的處理，將最終結(jié)果呈現(xiàn)給用戶。

　　硬件平臺(tái)包括一個(gè)以ARM為內(nèi)核的處理器、存儲(chǔ)器使用2MB的Flash和16MB的SDRAM，外部接口除了通信的串口，還外接了一個(gè)以太網(wǎng)接口，以支持S3C4510B的網(wǎng)絡(luò)功能。軟件平臺(tái)由以下部分組成：系統(tǒng)引導(dǎo)程序Bootloader、嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)。

　　根據(jù)內(nèi)核是否壓縮以及內(nèi)核是否在本地執(zhí)行，uCLinux通常有兩種啟動(dòng)方式：flash本地執(zhí)行方式和壓縮內(nèi)核加載方式。本系統(tǒng)采用第二種啟動(dòng)方案，即內(nèi)核的壓縮映象固化到flash上，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)在內(nèi)存中解壓，然后在內(nèi)存中執(zhí)行，這種啟動(dòng)方式相比第一種方式運(yùn)行速度更快。

　　2 uCLinux內(nèi)核啟動(dòng)過程的實(shí)現(xiàn)

　　可將ARM+uCLinux系統(tǒng)的啟動(dòng)過程總結(jié)為以下幾個(gè)階段：(1)PC指向復(fù)位地址入口處，即0x0H處的Bootloader代碼。Bootloader完成一些基本的初始化，將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài);(2)Bootloader將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)內(nèi)核的引導(dǎo)程序后，開始uCLinux內(nèi)核的加載;(3)uCLinux內(nèi)核加載引導(dǎo)完成，啟動(dòng)init進(jìn)程，完成系統(tǒng)的引導(dǎo)過程。

　　本系統(tǒng)的啟動(dòng)方案采用uCLinux自帶的引導(dǎo)程序加載內(nèi)核。在內(nèi)核啟動(dòng)過程中主要調(diào)用這幾個(gè)文件：head.S(在linux-2.4.xarcharmnommubootcompressed目錄下)、main.c(在linux-2.4.xinitinit目錄下)、simpleinit.c(在userinit目錄下)[1]。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)硬件平臺(tái)和系統(tǒng)功能，修改相關(guān)文件，以正確地引導(dǎo)系統(tǒng)。

　　當(dāng)Bootloader將控制權(quán)交給內(nèi)核的引導(dǎo)程序時(shí)，第一個(gè)執(zhí)行的程序就是head.S，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)核的加載還須知道系統(tǒng)的硬件信息，該硬件信息在hardware.h中定義并被head.S所引用。本系統(tǒng)中內(nèi)核的啟動(dòng)流程如圖1所示。

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　　本系統(tǒng)中，head.S首先配置S3C4510B的系統(tǒng)寄存器SYSCFG、初始化系統(tǒng)的Flash、SDRAM以及總線控制寄存器，將Flash和SDRAM的地址范圍分別設(shè)置為0x0-0x1fffff和0x1000000-0x1ffffff;根據(jù)本系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，重新定義了中斷優(yōu)先級(jí)以及I/O口的配置;為了提高內(nèi)核的運(yùn)行速度，將2M的內(nèi)核映像文件從Flash拷貝到SDRAM;通過操作一些系統(tǒng)寄存器，進(jìn)行系統(tǒng)的存儲(chǔ)器重映射，將Flash和SDRAM的地址區(qū)間分別重映射為0x1000000-0x11fffff和0x0-0xffffff;然后初始化系統(tǒng)堆棧;接著調(diào)用misc.c中的函數(shù)decompress_kernel，對(duì)拷貝到SDRAM的內(nèi)核映像文件進(jìn)行解壓縮;最后跳轉(zhuǎn)到執(zhí)行調(diào)用內(nèi)核函數(shù)call_kernel，調(diào)用call_kernel函數(shù)實(shí)際上是執(zhí)行main.c中的start_kernel函數(shù)，該函數(shù)完成的功能包括處理器結(jié)構(gòu)的初始化、中斷的初始化、定時(shí)器的初始化、進(jìn)程相關(guān)的初始化以及內(nèi)存初始化等初始化工作;最后內(nèi)核創(chuàng)建一個(gè)init線程，在該線程中調(diào)用init進(jìn)程，完成系統(tǒng)的啟動(dòng)。

　　值得再次注意的是，在內(nèi)核啟動(dòng)過程中，調(diào)用了在文件hardware.h中定義的與硬件有關(guān)的信息。基于Linux的嵌入式系統(tǒng)的啟動(dòng)是嚴(yán)重依賴于硬件平臺(tái)的，在內(nèi)核啟動(dòng)引導(dǎo)前，必須根據(jù)硬件平臺(tái)和系統(tǒng)功能，修改必要的文件[2]。本系統(tǒng)中就修改了hardware.h中的flash、SDRAM的控制寄存器ROMCON0、DRAMCON0和SYSCFG等。

　　uCLinux啟動(dòng)時(shí)，運(yùn)行一個(gè)叫做init的程序，它是由操作系統(tǒng)啟動(dòng)的用戶級(jí)進(jìn)程，由它來啟動(dòng)后面的任務(wù)，包括多用戶環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)等。init進(jìn)程的行為是在函數(shù)simpleinit.c中定義的，所以可根據(jù)系統(tǒng)的功能定制init進(jìn)程的行為，如在本系統(tǒng)中加入了串口控制程序，還可以利用printk函數(shù)打印出必要的調(diào)試信息。當(dāng)init進(jìn)程啟動(dòng)時(shí)，它讀取一個(gè)運(yùn)行控制文件rc和一個(gè)配置文件inittab。在嵌入式應(yīng)用中，一般需要在操作系統(tǒng)運(yùn)行起來后立刻運(yùn)行用戶的特定程序，為此可考慮修改這兩個(gè)文件。本系統(tǒng)中就是恰當(dāng)?shù)匦薷牧薸nittab文件和rc文件，以使系統(tǒng)啟動(dòng)后即運(yùn)行一些特定進(jìn)程。在程序inittab.c中修改inittab文件，然后通過向init進(jìn)程發(fā)送SIGHUP信號(hào)，即kill(1,SIGHUP)，使init進(jìn)程重新讀取配置文件inittab[3]。

　　inittab.c文件中的部分代碼如下：

　　FILE *pFile;

　　if((pFile=fopen("/etc/inittab","w"))!=NULL){

　　fprintf(pFile,"pollmeter:unknown:/bin/pollmeterrn");

　　fprintf(pFile,"netcomm:unknown:/bin/netcommrn");

　　……

　　}

　　......

　　kill(1,SIGHUP); //init進(jìn)程的ID等于1

　　……

　　在啟動(dòng)過程中還有一個(gè)重要的鏈接腳本文件，在該文件中指明了內(nèi)核的入口地址。

　　總之，uCLinux的啟動(dòng)過程也較復(fù)雜，其中要調(diào)用許多文件，要能正確的啟動(dòng)uCLinux操作系統(tǒng)，就必須根據(jù)硬件平臺(tái)和系統(tǒng)功能，修改相關(guān)的源代碼文件。

　　3 結(jié)束語

　　本文分析了內(nèi)核的啟動(dòng)引導(dǎo)過程，并根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)修改了啟動(dòng)代碼以及必要的相關(guān)文件，完成了uCLinux內(nèi)核的正確引導(dǎo)。實(shí)際應(yīng)用表明，本系統(tǒng)的啟動(dòng)設(shè)計(jì)正確可靠。