基于ARM的μCLinux啟動(dòng)引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的分析

摘 要：本文介紹了ARM-μC嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，結(jié)合ARM體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和嵌入式操作系統(tǒng)μC的應(yīng)用的普遍性，著重分析了ARM-μC嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)引導(dǎo)程序的過程實(shí)現(xiàn)以及該系統(tǒng)啟動(dòng)引導(dǎo)的關(guān)鍵點(diǎn)，提出了一種有效的啟動(dòng)引導(dǎo)方案。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 引導(dǎo) ARM μCLinux 嵌入式操作系統(tǒng)

引言
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(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品、無線通信和網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域。μCLinux是專門為無MMU處理器設(shè)計(jì)的嵌入式操作系統(tǒng)，支持ARM、等微處理器。目前國(guó)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(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)境是否能正確構(gòu)建，即系統(tǒng)啟動(dòng)成功是應(yīng)用正確運(yùn)行的前提。

常用的嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)方法是先通過JTAG將嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核燒入，再由其帶的引導(dǎo)程序Bootloader完成嵌入式系統(tǒng)的啟動(dòng)引導(dǎo)工作。這種方法要借助昂貴的JTAG設(shè)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(tái)。本文提出一種基于ARM-μCLinux嵌入式系統(tǒng)的啟動(dòng)引導(dǎo)方案，不但可以通過簡(jiǎn)易的串口方便地更新嵌入式系統(tǒng)內(nèi)的軟件平臺(tái)，而且解決了這種架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)的啟動(dòng)、初始化、操作系統(tǒng)內(nèi)核的固化和引導(dǎo)等問題。本文簡(jiǎn)略說明ARM-μCLinux嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)；描述系統(tǒng)引導(dǎo)程序Bootloader的設(shè)計(jì)，闡述設(shè)計(jì)時(shí)考慮的因素和需解決的技術(shù)難點(diǎn)，給出一套可行的引導(dǎo)程序流程；針對(duì)μCLinux內(nèi)核的引導(dǎo)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(tái)一般包括一個(gè)以ARM為內(nèi)核的微處理器、存儲(chǔ)器和必要的外部接口與外設(shè)。在本系統(tǒng)中，微處理器采用內(nèi)嵌的ung公司的處理器，存儲(chǔ)器使用2MB的和的，外部接口除了用于下載和通信的串口，還配備了一個(gè)以太網(wǎng)接口，以支持的網(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、嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)。系統(tǒng)引導(dǎo)程序通常也稱為Bootloader，該引導(dǎo)程序包括兩個(gè)方面：引導(dǎo)內(nèi)核的Bootloader和內(nèi)核自身的引導(dǎo)程序部分，代碼量雖少，但是作用非常大，相當(dāng)于PC上的，負(fù)責(zé)將操作系統(tǒng)內(nèi)核固化到中和系統(tǒng)初始化工作，然后將系統(tǒng)控制權(quán)交給操作系統(tǒng)。Bootloader是CPU開機(jī)后執(zhí)行的第一個(gè)程序，它的任務(wù)就是將內(nèi)核（壓縮或非壓縮）裝載到內(nèi)核要求的地址。內(nèi)核引導(dǎo)程序部分有狹義和廣義之分，狹義指內(nèi)核運(yùn)行前的一段代碼，一般在壓縮的內(nèi)核映像前有一段解壓縮程序，負(fù)責(zé)將內(nèi)核解壓縮到某個(gè)地址，從開始解壓縮到將控制權(quán)交給解壓縮好的內(nèi)核，這一段代碼稱為內(nèi)核的引導(dǎo)程序部分。廣義定義還要包括內(nèi)核初始化部分，即直到有進(jìn)程產(chǎn)生才算引導(dǎo)程序的結(jié)束。嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核是嵌入式系統(tǒng)加電運(yùn)行后的管理平臺(tái)，完成嵌入式應(yīng)用的任務(wù)調(diào)度和控制等核心功能。具有內(nèi)核較精簡(jiǎn)、可配置、與高層應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)等特點(diǎn)。嵌入式操作系統(tǒng)具有相對(duì)不變性。
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(gè)分支，主要是針對(duì)無MMU的微處理器設(shè)計(jì)開發(fā)的,大多數(shù)內(nèi)核的二進(jìn)制代碼和源代碼都被重寫,但繼承了Linux 操作系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定性、優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)能力和多任務(wù)管理功能以及優(yōu)秀的文件系統(tǒng)支持，并對(duì)內(nèi)存管理和進(jìn)程管理進(jìn)行了改寫，滿足了無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(tái)占用存儲(chǔ)量最大的一部分，也是與用戶開發(fā)最相關(guān)的一部分。它是負(fù)責(zé)存取和管理文件信息的機(jī)構(gòu)，也可以說是負(fù)責(zé)文件的建立、撤消、組織、讀寫、修改、復(fù)制及對(duì)文件管理所需要的資源實(shí)施管理的軟件部分。

軟件平臺(tái)固化在Flash中。通常根據(jù)軟件平臺(tái)的內(nèi)容 對(duì)Flash的地址空間進(jìn)行分區(qū)，一般分三個(gè)區(qū)，分別存放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(gè)部分預(yù)定的存儲(chǔ)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(shí)際分配區(qū)間，一個(gè)部分緊跟著另一個(gè)部分后存儲(chǔ)，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(huì)浪費(fèi)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(shí)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(chǔ)區(qū)間，節(jié)約成本，那么可采用第二種方式。

2 系統(tǒng)引導(dǎo)程序的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)引導(dǎo)程序Bootloader是嵌入式系統(tǒng)加電后執(zhí)行的第一個(gè)程序， Bootloader一般是被燒錄或者下載到bootrom的0x0地址處，作為上電后執(zhí)行的第一部分指令，Bootloader需要完成兩個(gè)任務(wù)：
(1). remap,
(2). 把kernel裝載到里合適的位置上去。在完成這兩個(gè)任務(wù)后，Bootloader就“功成身退”了。進(jìn)行功能設(shè)計(jì)時(shí)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
μCLinux內(nèi)核和文件系統(tǒng)固化在Flash中的手段很多。主機(jī)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中。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?yàn)橐环矫媾渲靡粋€(gè)串口方便且廉價(jià)，而JTAG燒寫還要配置昂貴的JTAG仿真器和相關(guān)的驅(qū)動(dòng)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(rèn)通過串口打印其運(yùn)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(shí)，只存儲(chǔ)了Bootloader，還沒有存儲(chǔ)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(jī)和目標(biāo)機(jī)的串口通道，并提供串口下載功能。

（2）系統(tǒng)初始化
因?yàn)橄到y(tǒng)剛加電時(shí)，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。一般嵌入式設(shè)備上電后，程序寄存器首先指向ROM(Flash)的首地址，執(zhí)行事先已經(jīng)固化好的Bootloader程序。Bootloader程序一般首先初始化CPU的寄存器，設(shè)置處理器的工作模式，關(guān)掉中斷，設(shè)置Flash和RAM讓他們能夠工作，并把內(nèi)核從Flash中復(fù)制到RAM中，然后調(diào)用解壓縮函數(shù)解壓內(nèi)核，最后把控制權(quán)交給解壓縮好的內(nèi)核，并開始內(nèi)核的初始化。

（3）μCLinux內(nèi)核加載方式
μCLinux的內(nèi)核有兩種可選的運(yùn)行方式：一是在Flash上直接運(yùn)行；二是加載到內(nèi)存中運(yùn)行。后者可以減少內(nèi)存需要。Flash運(yùn)行方式是把內(nèi)核的可執(zhí)行映像文件燒制到Flash上, Bootloader進(jìn)行系統(tǒng)初始化工作后系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)從Flash的某個(gè)地址開始逐句執(zhí)行內(nèi)核自帶的引導(dǎo)程序，由該引導(dǎo)程序完成內(nèi)核的加載工作。這種方法實(shí)際上是很多嵌入式系統(tǒng)采用的方法，也是本系統(tǒng)采用的內(nèi)核加載方式。內(nèi)核加載方式是把內(nèi)核的壓縮文件存放在Flash上,系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)讀取壓縮文件在內(nèi)存里解壓,然后開始執(zhí)行,這種方式相對(duì)復(fù)雜一些,需要在內(nèi)存中運(yùn)行程序，但是其運(yùn)行速度可能更快(RAM的存取速率要比Flash高)，并且可以通過RAM快速引導(dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)這種加載方式，同時(shí)這也是標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)采用的啟動(dòng)方式。其主要是針對(duì)NAND型Flash的情況。與NOR型Flash最大的不同點(diǎn)是：NOR型Flash使用內(nèi)存隨機(jī)讀取技術(shù)，與一樣，可以直接執(zhí)行存儲(chǔ)在Flash中的程序；而NAND一樣，可以直接內(nèi)存隨機(jī)讀取技術(shù)，它是一次讀取一整塊內(nèi)存，因此不能直接執(zhí)行存儲(chǔ)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(jià)格比NOR型Flash廉價(jià)，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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(dǎo)程序，而且內(nèi)核自帶的引導(dǎo)程序功能強(qiáng)大，可以方便地內(nèi)核的加載，向內(nèi)核傳遞有關(guān)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(dòng)模式的切換
Bootloader一般要實(shí)現(xiàn)兩種啟動(dòng)模式：自舉模式和內(nèi)核啟動(dòng)模式。自舉模式也稱為bootstrap模式，該模式的主要作用是目標(biāo)機(jī)通過串口與主機(jī)通信，可以接收主機(jī)發(fā)送過來的映像文件，例如內(nèi)核、文件系統(tǒng)和應(yīng)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(jī)。內(nèi)核啟動(dòng)模式允許嵌入式系統(tǒng)加電啟動(dòng)后加載μCLinux內(nèi)核，然后將系統(tǒng)交由μCLinux操作系統(tǒng)管理。在本系統(tǒng)中，采用一個(gè)實(shí)現(xiàn)兩種模式的切換。在系統(tǒng)的Flash中只有Bootloader時(shí)，首先將拔上去，提示系統(tǒng)進(jìn)入自舉模式，加電啟動(dòng)后，Bootloader根據(jù)的狀態(tài)，進(jìn)入自舉模式，接收主機(jī)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(guān)拔下來，提示系統(tǒng)進(jìn)入內(nèi)核啟動(dòng)模式，Bootloader根據(jù)此時(shí)的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)入內(nèi)核啟動(dòng)模式，加載內(nèi)核和文件系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)接管。以后也可以根據(jù)需要，設(shè)置開關(guān)的狀態(tài)，以提示系統(tǒng)進(jìn)入不同的啟動(dòng)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(shè)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。嵌入式設(shè)備上電啟動(dòng)后，F(xiàn)lash中的程序獲得控制權(quán)，F(xiàn)lash中的程序包括bootloader和一個(gè)壓縮過的內(nèi)核（另外還含有一個(gè)romfs的文件系統(tǒng)）。

Flash中的程序首先配置內(nèi)存地址，將本身由原來系統(tǒng)默認(rèn)的地址配置為0x0到0x200000（2MByte）,SDRAM配置為0x1000000（yte）到0x2000000（32MByte）。然后把Flash的內(nèi)容整體拷貝SDRAM中?？截愅旰?，將SDRAM地址重新配置為0x0到0x1000000，F(xiàn)lash的地址改為0x1000000到0x1200000。注意，這里Flash和RAM地址是同時(shí)修改的，修改地址后，接下來的指令就將從SDRAM中獲得，由于SDRAM中的程序和原來Flash中的程序一樣，并且地址也一樣，所以不會(huì)影響指令的執(zhí)行。這需要在內(nèi)核引導(dǎo)程序中對(duì)Flash和SDRAM的地址空間進(jìn)行重映射。

3 μCLinux內(nèi)核的加載和初始化
本啟動(dòng)方案中采用μCLinux自帶的引導(dǎo)程序加載內(nèi)核。該引導(dǎo)程序代碼在/arch/armnommu/boot/compressed目 錄，其中.s的作用最關(guān)鍵，它完成了加載內(nèi)核的大部分工作；.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.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.h中并被.s所引用。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。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(shè)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0x1000000-0x1200000和0x0-0x1000000;然后調(diào)用.c中的解壓內(nèi)核函數(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)（_kernel），將控制權(quán)交給解壓后的μCLinux系統(tǒng)。執(zhí)行_kernel函數(shù)實(shí)際上是執(zhí)行//main.c中的start_kernel函數(shù)，中包括處理器結(jié)構(gòu)的初始化、中斷的初始化、進(jìn)程相關(guān)的初始化以及內(nèi)存初始化等重要工作。

4 結(jié)論
該啟動(dòng)引導(dǎo)方案實(shí)現(xiàn)了自舉模式和內(nèi)核啟動(dòng)模式以及兩種模式的切換，既可以采用自舉模式方便地?zé)龑慒lash，更新嵌入式系統(tǒng)中的軟件平臺(tái)，又能夠切換到內(nèi)核啟動(dòng)模式，自動(dòng)安全地啟動(dòng)系統(tǒng)；其次，本方案采用簡(jiǎn)易的串口通道主機(jī)與目標(biāo)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)和應(yīng)用程序下載到目標(biāo)系統(tǒng)中，又可以作為調(diào)試μCLinux內(nèi)核和應(yīng)用程序通道；此外針對(duì)的無MMU特性，采用修改后的μCLinux內(nèi)核引導(dǎo)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。

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