基于ARM-μCLinux嵌入式系統(tǒng)啟動引導(dǎo)的實現(xiàn)

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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)的成功與否決定了應(yīng)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(yīng)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(jìn)flash，再由其帶的引導(dǎo)程序bootloader完成嵌放式系統(tǒng)的啟動引導(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。本文提出一種基于arm-μclinux嵌入式系統(tǒng)的啟動引導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)程序流程；針對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(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，代碼量雖少，但是作用非常大，相當(dāng)于pc上的bios，負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)實時性任務(wù)和多任務(wù)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(wù)管理功能，并對內(nèi)存管理和進(jìn)程管理進(jìn)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(yīng)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(jìn)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(yù)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(dǎo)程序的設(shè)計

系統(tǒng)引導(dǎo)程序bootloader是嵌入式系統(tǒng)加電后執(zhí)行的第一個程序，進(jìn)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(rèn)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，flash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(biāo)機的串口通道，并提供串口下載功能。

（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(dǎo)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(jìn)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(dǎo)程序，由該引導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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nor型flash廉價，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)核啟動模式的切換

bootloader一般要實現(xiàn)兩種啟動模式：自舉模式和內(nèi)核啟動模式。自舉模式也稱為bootstrap模式，該模式的主要作用是目標(biāo)機通過串口與主機通信，可以接收主機發(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。內(nèi)核啟動模式允許嵌入式系統(tǒng)加電啟動后加載μclinux內(nèi)核，將系統(tǒng)交由μclinux操作系統(tǒng)管理。

在本系統(tǒng)中，采用一個開關(guān)實現(xiàn)兩種模式的切抽象。在系統(tǒng)的flash中只有bootloader時，首先將開關(guān)拔上去，提示系統(tǒng)進(jìn)入自舉模式，加電啟動后，bootloader根據(jù)開關(guān)的狀態(tài)，進(jìn)入自舉模式，接收主機發(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)核啟動模式，再按鏈，bootloader根據(jù)此時的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)入內(nèi)核啟動模式，加載內(nèi)核和文件系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)接管系統(tǒng)。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。arm處理器加電后執(zhí)行在地址0x0處的代碼，因此在加電啟動時，首先將存儲了bootlader的flash地址空間設(shè)置為0x0-0x200000，將sdram的地址空間設(shè)置為0x1000000-0x2000000，當(dāng)內(nèi)核引導(dǎo)程序?qū)?nèi)核拷貝到sdram后，再設(shè)置sdram的地址空間為0x00x1000000，而flash的地址空間為0x1800000-0x1a00000。這需要在內(nèi)核引導(dǎo)程序中對flash和sdram的地址空間進(jìn)行重映射。

本文采用的系統(tǒng)啟動引導(dǎo)方案流程圖如圖1。

3 μclinux內(nèi)核的加載和初始化

本啟動方案中采用μclinux自帶的引導(dǎo)程序加載內(nèi)核。該引導(dǎo)程序代碼在linux/arch/armnommu/boot/compressed目錄，其中head.s的作用最關(guān)鍵，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)核的加載還必須知道系統(tǒng)必要的硬件信息，該硬件信息在hardware.h中并被head.s所引用。

當(dāng)bootloader將控制權(quán)交給內(nèi)核的引導(dǎo)程序時，第一個執(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s3c4510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0x1800000-0x1a00000和0x0-0x1000000;然后調(diào)用misc.c中的解壓內(nèi)核函數(shù)（decompress_kernel），對拷貝到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），將控制權(quán)交給解壓后的μclinux系統(tǒng)。

執(zhí)行call_kernel函數(shù)實際上是執(zhí)行l(wèi)inux/init/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。

該啟動引導(dǎo)方案實現(xiàn)了自舉模式和內(nèi)核啟動模式以及兩種模式的切換，使得開人員既可以采用自舉模式方便地?zé)龑慺lash，更新嵌入式系統(tǒng)中的軟件平臺，又能夠切換到內(nèi)核啟動模式，自動安全地啟動系統(tǒng)；其次，本方案采用簡易的串口通道作業(yè)主機與目標(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)和其他應(yīng)用下載到目標(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arm7tdmi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。