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基于ARM-μCLinux嵌入式系統(tǒng)啟動引導的實現(xiàn)
摘要：介紹了ARM-μCLinux嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(shù)難點，提出了一種有效的啟動引導方案。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(luò)通信等領(lǐng)域。ΜCLinux是專門為無MMU處理器設(shè)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(shù)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(gòu)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(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。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(gòu)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(shè)計，闡述設(shè)計時考慮的因素和需解決的技術(shù)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(shè)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(luò)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(quán)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(shè)計，它繼承了Linux強大的網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(shè)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(shè)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(guān)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(quán)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(shù)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(shù)，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(shù)，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NO
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