ARM 4510開發(fā)板移植uclinux手記

 我并沒有為arm體系結(jié)構(gòu)的處理器移植uclinux操作系統(tǒng)，因?yàn)檫@方面的關(guān)鍵工作已經(jīng)有人做完了。我只是讓uclinux操作系統(tǒng)在恒堅(jiān)ARM4510開發(fā)板上跑起來(lái)了。

一、 熟悉開發(fā)板硬件構(gòu)成和基本工作原理

恒堅(jiān)ARM4510開發(fā)板選用32位的高性能三星4510微控制器、SST公司2Mx16bits的FLASH和現(xiàn)代公司的兩片8Mx16bits的 SDRAM，共同構(gòu)成了基本嵌入式硬件系統(tǒng)，屬典型的嵌入式設(shè)備開發(fā)板，而且外圍實(shí)驗(yàn)用件、開發(fā)及接口電路較為齊全。恒堅(jiān)開發(fā)板自帶的集成開發(fā)環(huán)境，易學(xué)易用，作為嵌入式軟件編譯入門和熟悉開發(fā)板硬件構(gòu)成，還是不錯(cuò)的。在windows環(huán)境下，安裝恒堅(jiān)集成開發(fā)環(huán)境。然后，先跑恒堅(jiān)開發(fā)板配的流水燈實(shí)驗(yàn)程序。從程序中，可以體會(huì)到幾點(diǎn)：

1、 嵌入式軟件構(gòu)成

嵌入式軟件一般由一段匯編程序(init.s)和隨后的C程序構(gòu)成。匯編程序作為起始部分，被定位在0x0地址，這個(gè)地址是硬件系統(tǒng)上電后，首先執(zhí)行的地址。匯編程序通過(guò)寫微控制器的各個(gè)硬件寄存器，完成硬件的初始化，如配置SDRAM地址、數(shù)據(jù)線位數(shù)(8位、16位、32位)等，然后跳轉(zhuǎn)到后面的C程序中運(yùn)行。

2、 嵌入式硬件構(gòu)成

軟、硬件是相互關(guān)聯(lián)的。雖然用放大鏡查板子、萬(wàn)用表量電路，都是熟悉“硬”構(gòu)成的基礎(chǔ)。這方面，可以查一下微控制器的32位數(shù)據(jù)線是如何與兩片SDRAM的數(shù)據(jù)線相連的;還有低16位數(shù)據(jù)線與FLASH的16位數(shù)據(jù)線是如何相連的。

通過(guò)軟件編程，可以寫數(shù)據(jù)到微控制器的寄存器中，以配置硬件結(jié)構(gòu)、功能、性能等。比如，向微控制器的SDRAMCON0寄存器中寫入 0x20040380，SDRAM的地址就映射在微控制器的存取地址區(qū)域0x1000000~0x2000000之間。如果再次向SDRAMCON0寄存器中寫入0x10000380，則SDRAM的地址就映射到0x0~0x1000000之間了。同時(shí)配合改寫FLASH(ROM)控制寄存器 ROMCON0的內(nèi)容，可把FLASH由上電時(shí)的0x0地址，映射到0x1000000地址，這就是地址重映射(remap)原理。重映射的目的，是讓程序能夠在SDRAM中運(yùn)行，而非FLASH中，其原因是多樣的。

以上硬件相關(guān)內(nèi)容，可參考《ARM應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)詳解──基于S3C4510B的系統(tǒng)設(shè)計(jì)》一書的“應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試”一章，還有現(xiàn)代公司的SDRAM芯片數(shù)據(jù)資料、SST公司的FLASH芯片數(shù)據(jù)資料等。

3、 地址重映射的實(shí)現(xiàn)

在跑馬燈實(shí)驗(yàn)程序中增加代碼，可以實(shí)現(xiàn)地址重映射，并讓程序在FLASH和SDRAM中循環(huán)跑動(dòng)起來(lái)。

在匯編部分(init.s)的BL C_Entry 語(yǔ)句后，插入如下代碼：

ldr r0, =0x0 /* FLASH起始地址*/

ldr r1, =0x200000 /* FLASH大小2M */

ldr r2, =0x1000000 /*SDRAM起始地址*/

rom2ram_copy_loop: /* copy image to ram*/

ldr r3, [r0], #4 /*[r0]->r3, r0=r0+4*/

str r3, [r2], #4 /*r3->[r2], r2=r2+4*/

subs r1, r1, #4 /*r1=r1-4*/

bne rom2ram_copy_loop /*將整個(gè)FLASH中的內(nèi)容，全部拷貝到SDRAM中*/

LDR r1, =rEXTDBWTH /*設(shè)置外圍各芯片與微控制器連結(jié)的數(shù)據(jù)線寬度(位)*/

LDR r2, =rROMCON0_S /*設(shè)置FLASH(ROM)起始(0x1000000)、結(jié)束地址*/

LDR r3, =rROMCON1 /*設(shè)置第二片ROM，本系統(tǒng)沒有，可忽略*/

LDR r4, =rROMCON2 /*同上*/

LDR r5, =rROMCON3 /*同上*/

LDR r6, =rROMCON4 /*同上*/

LDR r7, =rROMCON5 /*同上*/

LDR r8, =rSDRAMCON0_S /*設(shè)置SDRAM起始(0x0)、結(jié)束地址*/

LDR r9, =rSDRAMCON1 /*設(shè)置第二片SDRAM，本系統(tǒng)沒有，可忽略*/

LDR r10,=rSDRAMCON2 /*同上*/

LDR r11,=rSDRAMCON3 /*同上*/

LDR r12,=rSREFEXTCON /*設(shè)置SDRAM刷新率及外部I/O組0的地址*/

LDR r0, =EXTDBWTH /*寄存器組的起始地址，0x3FF3010*/

STMIA r0, {r1-r12} /* remap![r1]->[r0], [r2]->[r0+4], [r3]->[r0+8]……*

/*把SDRAM的地址映射到0x0，F(xiàn)LASH則映射到0x1000000*/

BL C_Entry /*重映射后，再次循環(huán)走燈和閃爍*/

另外，還須更改C代碼主程序C_Entry()中的內(nèi)容如下：

{

//while(1) 不再進(jìn)入死循環(huán)

//{

ledRun(10); //循環(huán)走燈10次

shineled(5); //閃爍5次

//}

}

用恒堅(jiān)的集成編譯環(huán)境編譯并下載程序到開發(fā)板，觀察同樣的C程序在FLASH和SDRAM中運(yùn)行時(shí)跑馬燈的循環(huán)和閃爍速度是否不同。

恒堅(jiān)開發(fā)板還配有幾個(gè)程序，如串口通信實(shí)驗(yàn)程序，LCD顯示控制實(shí)驗(yàn)程序。這些程序都不大，很經(jīng)典，值得花些時(shí)間認(rèn)真研究一下。

最后需要說(shuō)明，集成開發(fā)環(huán)境多用于編譯簡(jiǎn)單的程序，如單循環(huán)前后臺(tái)式的、編程量不大的應(yīng)用程序。如果要實(shí)現(xiàn)多任務(wù)下的復(fù)雜調(diào)度，又要能簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)和充分利用微控制器的高性能，就要嵌入操作系統(tǒng)了。在引入uclinux操作系統(tǒng)后，一般改用命令行式的編譯工具，如arm-elf-gcc等，它們運(yùn)行在 Linux操作系統(tǒng)之上，而非windows操作系統(tǒng)了。

二、 學(xué)用Linux操作系統(tǒng)

因?yàn)槊赓M(fèi)和開源，在科研和開發(fā)領(lǐng)域，linux操作系統(tǒng)正在逐漸取代windows操作系統(tǒng)，成為個(gè)人計(jì)算機(jī)的主流操作系統(tǒng)。

1、 為(宿)主機(jī)安裝linux操作系統(tǒng)

選擇內(nèi)核穩(wěn)定的高版本linux操作系統(tǒng)，可以保證安裝時(shí)對(duì)硬件設(shè)備的自動(dòng)識(shí)別，更可保證以后編譯和運(yùn)行的可靠性。硬盤分區(qū)時(shí)，必須建立交換分區(qū) (swap)，其大小是主機(jī)內(nèi)存的兩倍;還要有一個(gè)ext3分區(qū)掛載在linux系統(tǒng)根目錄(\)下，它至少要有3G;條件許可，還可以建立一個(gè)100M 大小的分區(qū)，掛載在啟動(dòng)目錄(\boot)下。選擇工作站方式安裝linux系統(tǒng)即可。

2、 uclinux與linux的不同

uclinux源自linux，是對(duì)后者的裁減、精化，也有一些改動(dòng)。后者多用于臺(tái)式機(jī)，對(duì)硬件設(shè)備要求高。前者則多用于嵌入式設(shè)備中，畢竟嵌入式設(shè)備資源有限。

3、 其它虛擬操作系統(tǒng)

有些建立在windows操作系統(tǒng)之上的或并行的虛擬linux環(huán)境，如cygwin，VM等，但它們并不適合初次移植uclinux操作系統(tǒng)到嵌入式設(shè)備時(shí)選用。如果選用它們，就必須更改uclinux系統(tǒng)源代碼中的多份Makefile文件內(nèi)容，以適應(yīng)編譯時(shí)從標(biāo)準(zhǔn)linux操作系統(tǒng)到其仿真環(huán)境的變化。[!--empirenews.page--]

三、 建立交叉編譯環(huán)境

1、 體系結(jié)構(gòu)的概念

大部分宿主機(jī)的cpu都是建立在X86體系結(jié)構(gòu)上的，如intel或賽揚(yáng)的cpu，也有其它體系結(jié)構(gòu)的，但沒有arm體系的，因?yàn)閍rm幾乎是嵌入式設(shè)備專用的處理器體系結(jié)構(gòu)了。三星4510微控制器是建立在arm體系結(jié)構(gòu)之上的。體系結(jié)構(gòu)的不同，確立了不同的指令系統(tǒng)，就像cpu使用不同的語(yǔ)言一樣。無(wú)法想象英國(guó)人可以讀懂俄文小說(shuō)，同樣，為X86體系的cpu編譯的程序，也無(wú)法運(yùn)行在arm體系結(jié)構(gòu)的微控制器之中了。

宿主機(jī)上運(yùn)行的linux 操作系統(tǒng)，是建立在X86體系結(jié)構(gòu)上的。在linux操作系統(tǒng)上編譯的程序，一般也是建立在X86體系上的?？梢跃帉憥讉€(gè)程序，用linux操作系統(tǒng)自帶的編譯工具gcc編譯它們，如果沒有語(yǔ)法錯(cuò)誤，它們就都可以在宿主機(jī)上運(yùn)行了。但要實(shí)現(xiàn)在宿主機(jī)上編寫程序，編譯后程序能在arm體系結(jié)構(gòu)的嵌入式設(shè)備上運(yùn)行，就需要一套特殊的“交叉”編譯工具，如arm-elf-gcc等。所以，在linux操作系統(tǒng)的宿主機(jī)上編寫程序，通過(guò)選用交叉編譯工具arm- elf-gcc編譯后，生成的可執(zhí)行文件，就可以在arm體系結(jié)構(gòu)的微控制器上運(yùn)行了。這就是交叉編譯的概念。

2、 建立交叉編譯環(huán)境

通過(guò)引入arm-elf-gcc等交叉編譯工具，可以在宿主機(jī)上建立交叉編譯環(huán)境。這樣，在宿主機(jī)上編譯的程序，就可以在arm體系結(jié)構(gòu)的嵌入式設(shè)備上運(yùn)行了。恒堅(jiān)開發(fā)板自帶的文件arm-elf-tools-20030314.sh，只要在linux環(huán)境下執(zhí)行它，就可以建立起完整的交叉編譯環(huán)境。

四、 編譯和下載uclinux操作系統(tǒng)

uclinux 操作系統(tǒng)已經(jīng)被成功移植到許多微控制器上，其中也包括三星4510微控制器。移植后的uclinux操作系統(tǒng)源代碼中含有微控制器外圍電路的設(shè)置，如 SDRAM數(shù)據(jù)線的位數(shù)。有些嵌入式設(shè)備，同樣是使用三星4510微控制器，卻用一片現(xiàn)代公司的8Mx16bits的SDRAM，這樣微控制器與 SDRAM的數(shù)據(jù)交換，就只用微控制器的低16位數(shù)據(jù)線。微控制器中的寄存器EXTDBWTH，用于配置每組(FLASH、SDRAM和外部I/O芯片等)的數(shù)據(jù)線的寬度。恒堅(jiān)開發(fā)板上是用兩塊8Mx16bits的SDRAM拼成了32位數(shù)據(jù)線寬。

恒堅(jiān)開發(fā)板自帶一套移植后的和壓縮了的 uclinux操作系統(tǒng)源代碼文件uClinux-dist-20030522.tar.gz，把它拷貝到宿主機(jī)linux操作系統(tǒng)的/home目錄下，進(jìn)入/home目錄，并用tar xzvf uClinux-dist-20030522.tar.gz命令解壓縮源代碼文件，產(chǎn)生/home目錄下的 /uClinux-dist子目錄，此目錄中含有編譯uclinux操作系統(tǒng)的全部源文件。把恒堅(jiān)開發(fā)板自帶的壓縮的補(bǔ)丁文件uClinux-dist- patch.tar.gz拷貝到/uClinux-dist子目錄下。進(jìn)入/uClinux-dist子目錄，并用tar xzvf uClinux- dist-patch.tar.gz命令解壓縮補(bǔ)丁文件，可釋放出兩個(gè)文件：mkpatch和uClinux-dist-20030522- helloworld.patch，執(zhí)行./ mkpatch，既可對(duì)uclinux操作系統(tǒng)的源代碼打補(bǔ)丁。打補(bǔ)丁的根本原因，是為了修正源代碼中的硬件參數(shù)設(shè)置，如原移植源代碼是為一片SDRAM、16位數(shù)據(jù)線寬做的，而恒堅(jiān)的板子上是兩片SDRAM，并通過(guò)高、低16位數(shù)據(jù)線的組合，構(gòu)成32位的數(shù)據(jù)線寬度。這就需要改變寄存器EXTDBWTH的賦值。還有原移植源代碼是為8M字節(jié)的SDRAM作的，而恒堅(jiān)板上是16M字節(jié)的SDRAM，這又要改變寄存器SDRAMCON0的賦值了。

打完補(bǔ)丁后，就可以在/uClinux-dist子目錄下配置uclinux操作系統(tǒng)內(nèi)核了。執(zhí)行 make menuconfig，彈出的配置框中有四項(xiàng)內(nèi)容。在第一項(xiàng)中配置設(shè)備(vendors)為Samsung/4510B，配置函數(shù)庫(kù)為uC- lib，配置內(nèi)核為linux-2.4.x。另三項(xiàng)可不動(dòng)，保存后退出。然后順序執(zhí)行如下命令：make dep;make lib_only; make user_only;make romfs;make image;make。如果沒有報(bào)告錯(cuò)誤，在../uClinux- dist/linux-2.4.x/image子目錄下，就會(huì)有三個(gè)文件。其中，image.ram是非壓縮的uclinux操作系統(tǒng)內(nèi)核，可以利用恒堅(jiān)開發(fā)板自帶的boot.bin(也就是一般所說(shuō)的bootloader程序)，通過(guò)網(wǎng)口傳送到SDRAM中。這樣，uclinux操作系統(tǒng)即可在 SDRAM中跑起來(lái)了。image.rom則是壓縮的uclinux操作系統(tǒng)內(nèi)核，并包含硬件相關(guān)的頭文件等。利用恒堅(jiān)的集成開發(fā)環(huán)境，可以下載 image.rom到開發(fā)板的FLASH中，下載需要很長(zhǎng)的時(shí)間。再次上電后，uclinux操作系統(tǒng)就在開發(fā)板上跑起來(lái)了。當(dāng)然，通過(guò)開發(fā)板串口與宿主機(jī)串口聯(lián)接，在宿主機(jī)上建立控制臺(tái)，是觀察和操控開發(fā)板上uclinux操作系統(tǒng)的首要條件。

五、 遇到的問(wèn)題和解決的辦法

1、 曾經(jīng)想用cygwin代替linux操作系統(tǒng)，花費(fèi)了不少的時(shí)間，但沒有成功。

2、 linux操作系統(tǒng)可以安裝在大多數(shù)的微機(jī)上，但它無(wú)法識(shí)別我的一臺(tái)三星顯示器，那臺(tái)機(jī)子上就一直沒有再安裝linux操作系統(tǒng)。我還有一臺(tái)配有賽揚(yáng) 500處理器的組裝機(jī)，用它編譯uclinux操作系統(tǒng)內(nèi)核，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。有人說(shuō)，linux操作系統(tǒng)對(duì)機(jī)器要求較高，所以我現(xiàn)在用一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)配置的聯(lián)想微機(jī)。

3、 由于我用的恒堅(jiān)開發(fā)板上的FLASH芯片地址線17、18腳連焊了，我編譯的內(nèi)核文件image.rom，用恒堅(jiān)的集成開發(fā)環(huán)境下載后，總無(wú)法從FLASH中運(yùn)行起來(lái)。我先分析了uclinux操作系統(tǒng)的源代碼，沒有找到問(wèn)題;又做了一塊Jtag接口板，來(lái)替代恒堅(jiān)的接口板，還是不行;用了其它的FLASH寫工具，才把問(wèn)題定位在FLASH芯片上，前后用了兩周的時(shí)間，才解決了問(wèn)題。