基于uClinux內(nèi)核移植ARM開發(fā)板應(yīng)用

1．Bootloader

1．1Bootloader概述

Boot Loader

就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段程序。通過這段程序，我們可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。因此，正確建立uClinux的移植的前提條件是具備一個(gè)與uClinux配套、易于使用的

Bootloader。

ARMSYS開發(fā)板提供了這樣一個(gè)uClinux專用的Bootloader，該Bootloader程序燒錄在系統(tǒng)的地址0x0處，每次上電即運(yùn)行，能夠正確完成硬件系統(tǒng)的初始化和uClinux的引導(dǎo)。

理論上，uClinux引導(dǎo)時(shí)并非一定需要一個(gè)獨(dú)立于內(nèi)核的Bootloader。然而，將Bootloader與內(nèi)核分開設(shè)計(jì)能夠使軟件架構(gòu)更加清晰，也有助于靈活地支持多種引導(dǎo)方式，實(shí)現(xiàn)一些有用的輔助功能。

ARMSYS提供的Bootloader的主要任務(wù)可以概括如下：

1．硬件初始化；

2．從主機(jī)下載新的內(nèi)核映像和文件系統(tǒng)映像；

3．燒寫NorFlash和Nandflash；

4．加載uClinux 內(nèi)核映像并啟動(dòng)運(yùn)行；

5．提供串行超級(jí)終端上的人機(jī)操作界面。

1．2存儲(chǔ)空間分布

Bootloader采用默認(rèn)的存儲(chǔ)空間分布地址來加載uClinux內(nèi)核、文件系統(tǒng)，并按照正確引導(dǎo)uClinux的運(yùn)行。在ARMSYS的Bootloader中，默認(rèn)的存儲(chǔ)空間分布如下表：

內(nèi)容 起始地址

存儲(chǔ)介質(zhì)

Bootloader程序空間 0x00000000

Flash

壓縮內(nèi)核映像 0x00010000

Flash

ROM文件系統(tǒng)映像 0x000e0000

Flash

內(nèi)核運(yùn)行地址 0x0c008000

SDRAM

壓縮內(nèi)核解壓地址 0x0c100000

SDRAM

文件系統(tǒng)加載 0x0c700000 SDRAM

這個(gè)存儲(chǔ)空間的分配方式也不是固定不變的，可以通過修改Bootloader中的相關(guān)代碼來改變。

1．3Bootloader的工作

完整的Bootloader引導(dǎo)流程可描述如下：

硬件初始化階段一

◎ 硬件初始化

◎ 復(fù)制二級(jí)中斷異常矢量表

◎ 初始化各種處理器模式

◎ 復(fù)制RO和RW，清零ZI

(跳轉(zhuǎn)到C代碼入口函數(shù))

硬件初始化階段二

◎ 初始化本階段使用到的硬件設(shè)備；

◎ 建立人機(jī)界面

◎

實(shí)現(xiàn)映像文件的下載和燒錄工具

◎ 實(shí)現(xiàn)映像文件的加載和運(yùn)行工具

下面對(duì)上述各步驟進(jìn)行逐一說明，并對(duì)與uClinux相關(guān)的內(nèi)容詳細(xì)加以說明。

1．3．1 硬件初始化

板子上電或復(fù)位后，程序從位于地址0x0的Reset Exception

Vector處開始執(zhí)行，因此需要在這里放置Bootloader的第一條指令：b

ResetHandler，跳轉(zhuǎn)到標(biāo)號(hào)為ResetHandler處進(jìn)行第一階段的硬件初始化，主要內(nèi)容為：關(guān)Watchdog

Timer，關(guān)中斷，初始化PLL和時(shí)鐘，初始化存儲(chǔ)器控制器。比較重要的是PLL的輸出頻率要計(jì)算正確，ARMSYS中把它設(shè)置為64MHz；這實(shí)際上就是處理器的工作主頻，這個(gè)時(shí)間參數(shù)在第二階段計(jì)算SDRAM的刷新計(jì)數(shù)值和UART的波特率等參數(shù)時(shí)還要用到。

1．3．2建立二級(jí)異常中斷矢量表

異常中斷矢量表（Exception Vector

Table）是Bootloader與uClinux內(nèi)核發(fā)生聯(lián)系關(guān)鍵的地方之一。即使uClinux內(nèi)核已經(jīng)得到處理器的控制權(quán)運(yùn)行，一旦發(fā)生中斷，處理器還是會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到從0x0地址開始的第一級(jí)異常中斷矢量表中的某個(gè)表項(xiàng)（依據(jù)于中斷類型）處讀取指令運(yùn)行。

在編寫 Bootloader時(shí)，地址0x0處的一級(jí)異常中斷矢量表只需簡單地包含向二級(jí)異常中斷矢量表的跳轉(zhuǎn)指令就可以。這樣，就能夠正確地將發(fā)生的事件交給

uClinux的中斷處理程序來處理。對(duì)于uClinux內(nèi)核，它在RAM空間中基地址為0xc000000處建立了自己的二級(jí)異常中斷矢量表，因此，

Bootloader的第一級(jí)異常中斷矢量表如下所示：

b ResetHandler ;Reset Handler

ldr

pc,=0x0c000004 ;Undefined Instruction Handler

ldr pc,=0x0c000008 ;Software

Interrupt Handler

ldr pc,=0x0c00000c ;Prefetch Abort Handler

ldr

pc,=0x0c000010 ;Data Abort Handler

b .

ldr pc,=0x0c000018 ;IRQ

Handler

ldr pc,=0x0c00001c ;FIQ Handler

LTORG

如果在Bootloader執(zhí)行的全過程中都不必響應(yīng)中斷，那么上面的設(shè)置已能滿足要求。但在我們的

ARMSYS上提供了USB下載器，需要用到中斷，那么Bootloader必須在同樣的地址（0xc000000）處配置自己的二級(jí)異常中斷矢量表，以便同uClinux兼容。這張表事先存放在

Flash Memory里，引導(dǎo)過程中由Bootloader將其復(fù)制到RAM地址0x0C000000：

存放矢量表：

;IRQ ==the program put this phrase to 0xc000000

ExceptionHanlderBegin

b .

ldr pc, MyHandleUndef ; HandlerUndef

ldr

pc, MyHandleSWI ; HandlerSWI

ldr pc, MyHandlePabort ; HandlerPabort

ldr

pc, MyHandleDabort ; HandlerDAbort

b . ; HandlerReserved

ldr pc,

MyHandleIRQ ; HandlerIRQ

ldr pc, MyHandleFIQ ; HandlerFIQ

MyHandleUndef DCD HandleUndef ;reserve a word(32bit)

MyHandleSWI DCD

HandleSWI

MyHandlePabort DCD HandlePabort

MyHandleDabort DCD

HandleDabort

MyHandleIRQ DCD HandleIRQ

MyHandleFIQ DCD HandleFIQ

ExceptionHanlderEnd

建立二級(jí)矢量表：

;****************************************************

;* Setup IRQ handler

*

;****************************************************

ldr

r0,=(_IRQ_BASEADDRESS + 0x100)

ldr r2,=_IRQ_BASEADDRESS

add r3,r0,

#0x100

0

CMP r0, r3

STRCC r2, [r0], #4;cc:Carry clear;save R2 to R0

address, R0 =R0+ 4。

BCC %B0

ldr r1,=_IRQ_BASEADDRESS

ldr r0,=ExceptionHanlderBegin ;if there isn't

'subs pc,lr,#4' at 0x18, 0x1c

ldr r3,=ExceptionHanlderEnd

0

CMP r0, r3

;put the vector table at _IRQ_BASEADDRESS(0xc000000)

LDRCC r2, [r0],

#4

STRCC r2, [r1], #4

BCC %B0

ldr r1,=DIsrIRQ;put the IRQ judge program at

_IRQ_BASEADDRESS+0x80(0xc000080)

ldr r0,=IsrIRQ ;if there isn't 'subs

pc,lr,#4' at 0x18, 0x1c

ldr r3,=IsrIRQEnd

0

CMP r0, r3

LDRCC r2,

[r0], #4

STRCC r2, [r1], #4

BCC %B0

ldr r1, =MyHandleIRQ ;MyHandleIRQ point to DIsrIRQ

ldr r0,

=ExceptionHanlderBegin

ldr r4, =_IRQ_BASEADDRESS;

sub r0, r1, r0

add

r0, r0,r4

ldr r1, =DIsrIRQ

str r1, [r0]

定義Handlexxx：

^ (_IRQ_BASEADDRESS)

HandleReset # 4

HandleUndef # 4

HandleSWI #

4

HandlePabort # 4

HandleDabort # 4

HandleReserved # 4

HandleIRQ #

4

HandleFIQ # 4

^ (_IRQ_BASEADDRESS+0x80)

DIsrIRQ # 4

;IntVectorTable

^

(_IRQ_BASEADDRESS+0x100)

HandleADC # 4

HandleRTC # 4

HandleUTXD1 #

4

HandleUTXD0 # 4

HandleSIO # 4

HandleIIC # 4

HandleURXD1 #

4

HandleURXD0 # 4

HandleTIMER5 # 4

HandleTIMER4 # 4

HandleTIMER3 #

4

HandleTIMER2 # 4

HandleTIMER1 # 4

HandleTIMER0 # 4

HandleUERR01 #

4

HandleWDT # 4

HandleBDMA1 # 4

HandleBDMA0 # 4

HandleZDMA1 #

4

HandleZDMA0 # 4

HandleTICK # 4

HandleEINT4567 # 4

HandleEINT3 #

4

HandleEINT2 # 4

HandleEINT1 # 4

HandleEINT0 # 4

將異常中斷矢量重構(gòu)到SDRAM，這樣的好處就是可以在其它的功能程序內(nèi)對(duì)中斷處理程序的地址任意賦值。為此，我們?cè)?4b.h文件中定義：

/* ISR */

#define pISR_RESET (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x0))

#define pISR_UNDEF (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x4))

#define pISR_SWI (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x8))

#define pISR_PABORT (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0xc))

#define pISR_DABORT (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x10))

#define pISR_RESERVED (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x14))

#define pISR_IRQ (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x18))

#define pISR_FIQ (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x1c))

#define pISR_ADC (*(unsigned *)(_IRQ_BASEADDRESS+0x100))//0x20))

#define

pISR_RTC (*(unsigned *)(_IRQ_BASEADDRESS+0x104))//0x24))

#define pISR_UTXD1

(*(unsigned *)(_IRQ_BASEADDRESS+0x108))//0x28))

#define pISR_UTXD0

(*(unsigned *)(_IRQ_BASEADDRESS+0x10c))//0x2c))

#define pISR_SIO (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x110))//0x30))

#define pISR_IIC (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x114))//0x34))

#define pISR_URXD1 (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x118))//0x38))

#define pISR_URXD0 (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x11c))//0x3c))

#define pISR_TIMER5 (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x120))//0x40))

#define pISR_TIMER4 (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x124))//0x44))

#define pISR_TIMER3 (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x128))//0x48))

#define pISR_TIMER2 (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x12c))//0x4c))

#define pISR_TIMER1 (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x130))//0x50))

#define pISR_TIMER0 (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x134))//0x54))

#define pISR_UERR01 (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x138))//0x58))

#define pISR_WDT (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x13c))//0x5c))

#define pISR_BDMA1 (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x140))//0x60))

#define pISR_BDMA0 (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x144))//0x64))

#define pISR_ZDMA1 (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x148))//0x68))

#define pISR_ZDMA0 (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x14c))//0x6c))

#define pISR_TICK (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x150))//0x70))

#define pISR_EINT4567 (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x154))//0x74))

#define pISR_EINT3 (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x158))//0x78))

#define pISR_EINT2 (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x15c))//0x7c))

#define pISR_EINT1 (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x160))//0x80))

#define pISR_EINT0 (*(unsigned

*)(_IRQ_BASEADDRESS+0x164))//0x84))

例如，我們要使用到Exint4567中斷，定義好中斷處理程序Meint4567Isr()后，僅需要一條語句：

pISR_EINT4567=(int)MEint4567Isr;

就能使中斷發(fā)生后正確跳轉(zhuǎn)到我們編寫的處理程序上。

1．3．3 初始化各種處理器模式

ARM7TDMI支持7種Operation

Mode：User，F(xiàn)IQ，IRQ，Supervisor，Abort，System和Undefined。Bootloader需要依次切換到每種模式，初始化其程序狀態(tài)寄存器(SPSR)和堆棧指針(SP)。

1．3．4 復(fù)制RO和RW，清零ZI

一個(gè)ARM由RO，RW和ZI三個(gè)段組成，其中RO為代碼段，RW是已初始化的全局變量，ZI是未初始化的全局變量(對(duì)于GNU工具，對(duì)應(yīng)的概念是

TEXT，DATA和BSS)。Bootloader要將RW段復(fù)制到RAM中，并將ZI段清零。編譯器使用下列符號(hào)來記錄各段的起始和結(jié)束地址：

|Image$$RO$$Base| ：RO段起始地址

|Image$$RO$$Limit|

：RO段結(jié)束地址加1

|Image$$RW$$Base| ：RW段起始地址

|Image$$RW$$Limit|

：ZI段結(jié)束地址加1

|Image$$ZI$$Base| ：ZI段起始地址

|Image$$ZI$$Limit| ：ZI段結(jié)束地址加1

需要注意的是，這些標(biāo)號(hào)的值是根據(jù)鏈接器中設(shè)置的中ro-base和rw-base的設(shè)置來計(jì)算的，我們的Bootloader的對(duì)應(yīng)設(shè)置是：ro-base =

0xc000000, rw-base = 0xc5f0000。

完成這個(gè)步驟后，第一階段的硬件初始化就完成了。

BL Main

跳轉(zhuǎn)到C語言程序，開始第二階段的初始化和系統(tǒng)引導(dǎo)。

1．3．5 C語言中的硬件初始化

繼續(xù)對(duì)硬件進(jìn)行初始化，主要包括對(duì)以下設(shè)備的初始化：GPIO，Cache，Interrupt Controller，Watchdog

Timer和UARTs。S3C44B0X處理器內(nèi)置data/instruction合一的8KB

Cache，且允許按地址范圍設(shè)置兩個(gè)Non-Cacheable區(qū)間。合理的配置是打開對(duì)RAM區(qū)間的Cache，關(guān)閉對(duì)其它地址區(qū)間(非存儲(chǔ)器設(shè)備， I/O設(shè)備

)的Cache。所有硬件初始化完畢之后，開中斷。

1．3．6 建立人機(jī)界面

引導(dǎo)過程的最后一步是在串行終端上建立人機(jī)界面，并等待用戶輸入命令。若接收到用戶輸入，則顯示菜單模式或命令行模式的交互界面，等待用戶進(jìn)一步的命令。這里就不對(duì)此詳細(xì)討論了。

1．4加載uClinux內(nèi)核

ARMSYS

提供的Bootloader支持兩種uClinux啟動(dòng)運(yùn)行方式：直接從SDRAM中的內(nèi)核映像中運(yùn)行；從flash將壓縮格式的內(nèi)核映像加載到

SDRAM，再從SDRAM運(yùn)行。前者需要利用Bootloader提供的對(duì)映像文件下載的工具；后者則需要利用Bootloader提供的

flash燒錄工具進(jìn)行燒錄，然后再加載運(yùn)行。

壓縮格式的uClinux內(nèi)核映像文件都是由開頭的一段自解壓代碼和后面的壓縮數(shù)據(jù)部分組成。對(duì)于Kernel而言，由于是以壓縮格式存放，因次只能以非XIP方式執(zhí)行。自解壓類型的uClinux

內(nèi)核映像文件首先存放在Flash Memory中，由Bootloader加載到SDRAM中的0xc100000地址處，然后將控制權(quán)交給它?？蓤?zhí)行的uClinux

Kernel將被解壓到最終的執(zhí)行空間，然后開始運(yùn)行。壓縮格式Image所占據(jù)的臨時(shí)SDRAM空間可在隨后由uClinux回收利用。

可以從flash拷貝到SDRAM解壓運(yùn)行，自然同樣也可以直接下載到SDRAM運(yùn)行。這對(duì)于調(diào)試內(nèi)核都是非常方便的。對(duì)于壓縮格式的內(nèi)核映像文件（image.rom和image.ram）都可以直接下載到SDRAM的特定地址處，并從該地址開始運(yùn)行（參考2.2節(jié)）。

1．5調(diào)用Kernel

Bootloader調(diào)用uClinux 內(nèi)核的方法是直接跳轉(zhuǎn)到Kernel的第一條指令處。

采用C語句：((void

(*)(void))ram_addr)();

1．6工具

ARMSYS

的Bootloader在人機(jī)界面上提供了8個(gè)功能項(xiàng)目，其中包括支持從主機(jī)通過USB口下載文件到目標(biāo)板的SDRAM和Nandflash上；用

SDRAM中的數(shù)據(jù)燒寫Flash

Memory。由于USB口下載速度快，利用這些功能項(xiàng)能夠輕松地調(diào)試uClinux的內(nèi)核（具體使用方法參考《uClinux移植包在ARMSYS上的使用說明》一文）。

對(duì)uClinux專用Bootloader的介紹到此，下面開始對(duì)uClinux的內(nèi)核部分的移植進(jìn)行說明。

2．uClinux2.4.24內(nèi)核組成

◎arch：

arch目錄下有多個(gè)子目錄，它的每一個(gè)子目錄都代表內(nèi)核支持的一種CPU體系結(jié)構(gòu)，每個(gè)子目錄中又進(jìn)一步分解為boot、mm、

kernel等子目錄，分別包含與系統(tǒng)引導(dǎo)、內(nèi)存管理、系統(tǒng)調(diào)用的進(jìn)入和返回、終端處理以及其它內(nèi)核中依賴于CPU和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的底層代碼。與ARM處理器（不帶有MMU）相關(guān)的代碼放在目錄arch/armnommu下，與S3C44B0X相關(guān)的代碼則放在目錄arch/armnommu/match-

S3C44B0X。

◎ include：include子目錄包括編譯核心所需要的大部分頭文件。與平臺(tái)無關(guān)的頭文件在

include/linux子目錄下，與ARM處理器（不帶MMU）相關(guān)的頭文件在include/asm-armnommu子目錄下，與

S3C44B0X相關(guān)的代碼在include/asm-armnommu/arch-S3C44B0X目錄下；

◎

init：這個(gè)目錄包含核心的初始化代碼(注意：不是系統(tǒng)的引導(dǎo)代碼)，包含兩個(gè)文件main.c和Version.c，這是研究核心如何工作的一個(gè)非常好的起點(diǎn)。

◎

kernel：主要的核心代碼，此目錄下的文件實(shí)現(xiàn)了大多數(shù)linux系統(tǒng)的內(nèi)核函數(shù)，其中最重要的文件當(dāng)屬sched.c；同樣，和體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼在arch/*/kernel中；

◎

drivers： 放置系統(tǒng)所有的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；每種驅(qū)動(dòng)程序又各占用一個(gè)子目錄：如，/block 下為塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，比如ide（ide.c）。

◎

其他：例如mm ，這個(gè)目錄包括所有獨(dú)立于處理器體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)存管理代碼，如頁式存儲(chǔ)管理內(nèi)存的分配和釋放等；lib放置核心的庫代碼；net，核心與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的代碼；

ipc，這個(gè)目錄包含核心的進(jìn)程間通訊的代碼；fs，所有的文件系統(tǒng)代碼和各種類型的文件操作代碼，它的每一個(gè)子目錄支持一個(gè)文件系統(tǒng)，例如fat和

ext2；Scripts，此目錄包含用于配置核心的腳本文件等。

Linux Kernel Tree List

一般在每個(gè)目錄下，都有一個(gè).depend 文件和一個(gè) Makefile

文件，這兩個(gè)文件都是編譯時(shí)使用的輔助文件，仔細(xì)閱讀這兩個(gè)文件對(duì)弄清各個(gè)文件這間的聯(lián)系和依托關(guān)系很有幫助；而且，在有的目錄下還有Readme

文件，它是對(duì)該目錄下的文件的一些說明，同樣有利于我們對(duì)內(nèi)核源碼的理解。

uClinux-dist-20040408發(fā)行包中的內(nèi)核對(duì)S3C44B0X處理器的支持是不完整的，因此，我們不能夠希望在make

config配置選項(xiàng)中選中44B0X目標(biāo)板后，直接編譯它來得到一個(gè)很好地支持44B0X開發(fā)板的內(nèi)核映像，我們必須為內(nèi)核打上補(bǔ)丁。針對(duì)ARMSYS

的補(bǔ)丁文件可以在http://www.hzlitai.com.cn/download/default.asp地址處下載得到。這款補(bǔ)丁是眾多愛好

uClinux和44B0X處理器的網(wǎng)友們共同完成的。下一節(jié)我們就對(duì)這個(gè)補(bǔ)丁中的主要修改項(xiàng)目進(jìn)行介紹和分析，從中了解uClinux移植中的要點(diǎn)。