32位ARM嵌入式處理器具有高性能、低功耗的特性,已被廣泛應用于消費電子產品、無線通信和網絡通信等領域。μCLinux是專門為無MMU處理器設計的嵌入式操作系統(tǒng),支持ARM、Motorola等微處理器。目前國內外采用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)境是否能正確構建,即系統(tǒng)啟動成功是應用程序正確運行的前提。

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)內核燒寫進Flash,再由其自帶的引導程序bootloader完成嵌入式系統(tǒng)的啟動引導工作[1]。這種方法要借助昂貴的JTAG設備完成操作系統(tǒng)內核的燒寫工作,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)內的軟件平臺,而且成功解決了這種架構的嵌入式系統(tǒng)的啟動、初始化、操作系統(tǒng)內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的設計,闡述設計時考慮的因素和需解決的技術難點,給出一套可行的引導程序流程;針對μCLinux內核的引導程序,說明μCLinux內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為內核的處理器、存儲器和必要的外部接口與設備。在本系統(tǒng)中,采用內嵌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接口,以支持S3C4510的網絡功能。

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)內核固化到Flash中和系統(tǒng)初始化工作,然后將系統(tǒng)控制權交給操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)內核是嵌入式系統(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)內核。μCLinux是Linux的一個分支,專為無MMU的處理器設計,它繼承了Linux強大的網絡功能和多任務管理功能,并對內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動程序。

軟件平臺固化在Flash中。通常根據(jù)軟件平臺的內容對Flash的地址空間進行分區(qū),一般分三個區(qū),分別存放bootloader、μCLinux內核和文件系統(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容量,允許bootloader、內核和文件系統(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容量分配區(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,但是方便內核的加載和文件系統(tǒng)的掛載,同時也利于系統(tǒng)的調試和開發(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,進行功能設計時首先要考慮以下問題:

(1)將μCLinux內核和文件系統(tǒng)固化在Flash中

目前將μCLinux內核和文件系統(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仿真器和相關的驅動程序以及協(xié)議轉換程序,網口下載還要有以太網支持;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,還可以作為調試μCLinux內核的通道。

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。

(2)系統(tǒng)初始化

因為系統(tǒng)剛加電時,操作系統(tǒng)的內核還沒有被加載,系統(tǒng)的初始化工作由bootloader完成。它主要是將系統(tǒng)運行環(huán)境初始化,包括設置異常向量表和異常處理程序、初始化存儲系統(tǒng)、配置ARM各種模式下的數(shù)據(jù)棧、使能異常中斷、根據(jù)需要切換處理器模式和狀態(tài)[3]。

(3)μCLinux內核加載方式

固化在Flash中的μCLinux內核有兩種運行方式: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內核。

第一種方式是bootloader進行系統(tǒng)初始化工作后,跳到內核固化在Flash中的首地址處,將控制權交給μCLinux,開始在Flash中逐句執(zhí)行內核自帶的引導程序,由該引導程序完成內核的加載工作。這種方式是目前很多嵌入式系統(tǒng)啟動內核所采用的方式,也是本系統(tǒng)采用的內核加載方式。

第二種方式是bootloader完成系統(tǒng)初始化工作后,把內核的映像文件由Flash拷貝到SDRAM中,再從SDRAM中執(zhí)行μCLinux內核的引導程序,加載μCLinux內核。

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快速引導技術實現(xiàn)這種加載方式[2,4]。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使用內存隨機讀取技術,與SDRAM一樣,可以直接執(zhí)行存儲在Flash中的程序;而NAND型Flash不是采取內存隨機讀取技術,它是一次讀取一整塊內存,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核和文件系統(tǒng)。

在本系統(tǒng)中,由于采用NOR型Flash存儲bootloader、內核和文件系統(tǒng),所以可以直接訪問內核所在地址區(qū)間的首地址,執(zhí)行內核自己的引導程序,而且內核自帶的引導程序功能強大,可以方便地完成內核的加載,向內核傳遞有關的硬件參數(shù)。因此本系統(tǒng)采用第一種加載方式。

(4)自舉模式和內核啟動模式的切換

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,例如內核、文件系統(tǒng)和應用程序,并將其固化在Flash中,也可以將Flash中的映像文件上傳到主機。內核啟動模式允許嵌入式系統(tǒng)加電啟動后加載μCLinux內核,將系統(tǒng)交由μCLinux操作系統(tǒng)管理。

在本系統(tǒng)中,采用一個開關實現(xiàn)兩種模式的切換。在系統(tǒng)的Flash中只有bootloader時,首先將開關撥上去,提示系統(tǒng)進入自舉模式,加電啟動后,bootloader根據(jù)開關的狀態(tài),進入自舉模式,接收主機發(fā)送過來的內核和文件系統(tǒng)的映像文件。接著將開關撥下來,提示系統(tǒng)進入內核啟動模式,再按重啟鍵,bootloader根據(jù)此時的開關狀態(tài)進入內核啟動模式,加載內核和文件系統(tǒng),由操作系統(tǒng)接管系統(tǒng)。以后也可以根據(jù)需要,設置開關的狀態(tài),以提示系統(tǒng)進入不同的啟動模式。

(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bootloader的Flash地址空間設置為0x0-0x200000,將SDRAM的地址空間設置為0x1000000-0x2000000,當內核引導程序將內核拷貝到SDRAM后,再設置SDRAM的地址空間為0x0-0x1000000,而Flash的地址空間為0x1800000-0x1A00000。這需要在內核引導程序中對Flash和SDRAM的地址空間進行重映射。

本文采用的系統(tǒng)啟動引導方案流程圖如圖1。


3 μCLinux內核的加載和初始化

本啟動方案中采用μCLinux自帶的引導程序加載內核。該引導程序代碼在linux/arch/armnommu/boot/compressed[5]目錄中,其中Head.s的作用最關鍵,它完成了加載內核的大部分工作;Misc.c則提供加載內核所需要的子程序,其中解壓內核的子程序是Head.s調用的重要程序。另外內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bootloader將控制權交給內核的引導程序時,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的地址范圍分別設置為0x0-0x200000和0x1000000-0x2000000;接著將內核的映像文件從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;然后調用Misc.c中的解壓內核函數(shù)(decompress_kernel),對拷貝到SDRAM的內核映像文件進行解壓縮;最后跳轉到執(zhí)行調用內核函數(shù)(call_kernel),將控制權交給解壓后的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),由start_kernel函數(shù)完成μCLinux內核的初始化工作,其中包括處理器結構的初始化、中斷的初始化、進程相關的初始化以及內存初始化等重要工作[5]。

該啟動引導方案實現(xiàn)了自舉模式和內核啟動模式以及兩種模式的切換,使得開發(fā)人員既可以采用自舉模式方便地燒寫Flash,更新嵌入式系統(tǒng)中的軟件平臺,又能夠切換到內核啟動模式,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為主機與目標系統(tǒng)的通信渠道,既可方便地將操作系統(tǒng)內核、文件系統(tǒng)和其他應用程序下載到目標系統(tǒng)中,又可以作為調試μCLinux內核和應用程序的通道;此外針對ARM7TDMI的無MMU特性,采用修改后的μCLinux內核引導程序加載操作系統(tǒng)和初始化操作系統(tǒng)環(huán)境,解決內核加載的地址重映射問題和操作系統(tǒng)的內存管理問題。