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基于A(yíng)RM-μCLinux嵌入式系統啟動(dòng)引導的實(shí)現
摘要：介紹了ARM-μCLinux嵌入式系統的結構組成，重點(diǎn)分析了ARM--μCLinux嵌入式系統啟動(dòng)引導的過(guò)程實(shí)現該系統啟動(dòng)引導的技術(shù)難點(diǎn)，提出了一種有效的啟動(dòng)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(wú)線(xiàn)通信和網(wǎng)絡(luò )通信等領(lǐng)域。ΜCLinux是專(zhuān)門(mén)為無(wú)MMU處理器設計的嵌入式操作系統，支持ARM、Motorola等微處理器。目前國內外采用ARM-μCLinux作為嵌入式系統非常普遍。而嵌入式系統的啟動(dòng)引導技術(shù)是嵌入式系統開(kāi)發(fā)的一個(gè)難點(diǎn)。系統啟動(dòng)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，即系統啟動(dòng)成功是應用正確運行的前提。
常用的嵌入式系統啟動(dòng)方法是先通過(guò)JTAG將嵌入式操作系統內核與進(jìn)Flash，再由其帶的引導程序bootloader完成嵌放式系統的啟動(dòng)引導工作。這種方法要借助昂貴的JTAG設備完成操作系統內核 的燒寫(xiě)工作，并且不能方便地更新嵌入式系統中的軟件平臺。本文提出一種基于A(yíng)RM-μCLinux嵌入式系統的啟動(dòng)引導方案，不但可以通過(guò)簡(jiǎn)易的串口方便地更新嵌入式系統內的軟件平臺，而且成功解決了這種架構的嵌入式系統的啟動(dòng)、初始化、操作系統內核的固化和引導等問(wèn)題。本文簡(jiǎn)略說(shuō)明ARM-μCLinux嵌入式系統的硬件平臺和軟件平臺；描述系統引導程序bootloader的設計，闡述設計時(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程序流程；針對μCLinux內核的引導程序，說(shuō)明μCLinux內核的加載和初始化過(guò)程。
1 系統組成
典型的ARM嵌入式系統硬件平臺一般包括一個(gè)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(gè)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：系統引導程序、嵌入式操作系統內核、文件系統。系統引導程序通常也稱(chēng)為bootloader，代碼量雖少，但是作用非常大，相當于PC上的BIOS，負責將操作系統內核固化到Flash中和系統初始化工作，然后將系統控制權交給操作系統。嵌入式操作系統內核是嵌入式系統加電運行后的管理平臺，負責實(shí)時(shí)性任務(wù)和多任務(wù)的管理。ARM7TDMI是一款沒(méi)有MMU的處理器，因此采用μCLinux作為本系統的操作系統內核。ΜCLinux是Linux是一個(gè)分支，專(zhuān)為無(wú)MMU的處理器設計，它繼承了Linux強大的網(wǎng)絡(luò )功能和多任務(wù)管理功能，并對內存管理和進(jìn)程管理進(jìn)行了改寫(xiě)，滿(mǎn)足無(wú)MMU處理器的開(kāi)發(fā)要求。文件系統是嵌入式系統軟件平臺占用存儲量最大的一部分，也是與用戶(hù)開(kāi)發(fā)最相關(guān)的一部分。它存儲了系統配置文件、系統程序、用戶(hù)應用程序和必需的驅動(dòng)程序。
軟件平臺固化在Flash中。通常根據軟件平臺的內容 對Flash的地址空間進(jìn)行分區，一般分三個(gè)區，分別豐放bootloader、μCLinux內核和文件系統。分區的方式一般有兩種：一種是根據三個(gè)部分預定的存儲空量，允許bootloader、內核和文件系統擁有自己固定的分區和首地址；另一種就是按照這三部分的實(shí)際分配區間，一個(gè)部分緊跟著(zhù)另一個(gè)部分后存儲，沒(méi)有固定的分區和首地址。通常采用第一種方式，雖然可能會(huì )浪費一部分Flash空間，但是方便內核的加載和文件系統的掛載，同時(shí)也利于系統的調試和開(kāi)發(fā)。而如果充分利用Flash的存儲區間，節約成本，那么可采用第二種方式。
2 系統引導程序的設計
系統引導程序bootloader是嵌入式系統加電后執行的第一個(gè)程序，進(jìn)行功能設計時(shí)首先要考慮以下問(wèn)題：
（1）將μCLinux內核和文件系統固化在Flash中
目地μCLinux內核和文件系統固化在Flash的手段很多。主機可以通過(guò)JTAG口，將內核和文件系統的映像文件燒寫(xiě)到指定的Flash位置上；也可以通過(guò)以太網(wǎng)接口，將映像文件下載到Flash中；另外還可以通過(guò)串口燒寫(xiě)到Flash。前兩種方法的下載速度比后一種方法快得多。在本系統中，采用串口燒寫(xiě)Flash。這是因為一方面配置一個(gè)串口方便且廉價(jià)，而JTAG燒寫(xiě)還要配置昂貴的JTAG仿真器和相關(guān)的驅動(dòng)程序以及協(xié)議轉換程序，網(wǎng)口下載還要有以太網(wǎng)支持；另一方面μCLinux默認通過(guò)串口打印其運行的信息，那么串口不但可以提供燒寫(xiě)Flash的功能，還可作為調試μCLinux內核的通道。
在本系統中，Flash在剛開(kāi)始時(shí)，只存儲了bootloader，還沒(méi)有存儲μCLinux內核和文件系統。因此bootloader在系統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）系統初始化
因為系統剛加電時(shí)，操作系統的內核還沒(méi)有被加載，系統的初始化工作由bootloader完成。它主要是將系統、初始化存儲系統、配置ARM各種模式下的數據棧、使能屏常中斷、根據需要切換處理器模式和狀態(tài)。
（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的某一段地址區間，再從該段地址區間的首地址運行uCLinux內核。
第一種方式是bootloader進(jìn)行系統初始化工作后，跳到內核固化在Flash中的首地址處，將控制權交給μCLinux，開(kāi)始在Flash中逐句執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啟動(dòng)內核所采用的方式，也是本系統采用的內核加載方式。
第二種方式是bootloader完成系統初始化工作后，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，因此執行速度比第一種方式快一些，并且可以通過(guò)RAM快速引導技術(shù)實(shí)現這種加載方式。其主要是針對NAND型Flash的情況。與NOR型Flash最大的不同點(diǎn)是：NOR型Flash使用內存隨機讀取技術(shù)，與SDRAM一樣，可以直接執行存儲在Flash中的程序；而NAND一樣，可以直接內存隨機讀取技術(shù)，它是一次讀取一整塊內存，因此不能直接執行存儲在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中執行該程序。但是NAND型Flash價(jià)格比NO
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