基于ARM的嵌入式Linux移植真實體驗（1）――基本概念
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ARM是Advanced RISC Machines（高級精簡指令系統(tǒng)處理器）的縮寫，是ARM公司提供的一種微處理器知識產(chǎn)權(quán)（IP）核。
ARM的應(yīng)用已遍及工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場。基于ARM 技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC 微處理器75％以上的市場份額。揭開你的手機、MP3、 PDA，嘿嘿，里面多半藏著一個基于ARM的微處理器！
ARM內(nèi)核的數(shù)個系列（ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore、Xscale、StrongARM），各自滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，無孔不入的滲入嵌入式系統(tǒng)各個角落的應(yīng)用。這是一個ARM的時代！
下面的圖片顯示了ARM的隨處可見：
有人的地方就有江湖（《武林外傳》），有嵌入式系統(tǒng)的地方就有ARM。
構(gòu)建一個復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，僅有硬件是不夠的，我們還需要進行操作系統(tǒng)的移植。我們通常在ARM平臺上構(gòu)建Windows CE、Linux、Palm OS等操作系統(tǒng)，其中Linux具有開放源代碼的優(yōu)點。
下圖顯示了基于ARM嵌入式系統(tǒng)中軟件與硬件的關(guān)系：
日前，筆者作為某嵌入式ARM（硬件）/Linux（軟件）系統(tǒng)的項目負責人，帶領(lǐng)項目組成員進行了下述工作：
(1)基于ARM920T內(nèi)核S3C2410A CPU的電路板設(shè)計；
(2)ARM處理下底層軟件平臺搭建：
a.Bootloader的移植；
b.嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的移植；
c.嵌入式Linux操作系統(tǒng)根文件系統(tǒng)的創(chuàng)建；
d.電路板上外設(shè)Linux驅(qū)動程序的編寫。
本文將真實地再現(xiàn)本項目開發(fā)過程中作者的心得，以便與廣大讀者共勉。第一章將簡單地介紹本ARM開發(fā)板的硬件設(shè)計，第二章分析Bootloader的移植方法，第三章敘述嵌入式 Linux的移植及文件系統(tǒng)的構(gòu)建方法，第四章講解外設(shè)的驅(qū)動程序設(shè)計，第五章給出一個已構(gòu)建好的軟硬件平臺上應(yīng)用開發(fā)的實例。
如果您有良好的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)，您將非常容易領(lǐng)會本文講解地內(nèi)容。即便是您從來沒有嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)歷，本文也力求讓您讀起來不覺得生澀。您可以通過如下email與作者聯(lián)系：21cnbao@21cn.com。
2.ARM體系結(jié)構(gòu)
作為一種RISC體系結(jié)構(gòu)的微處理器，ARM微處理器具有RISC體系結(jié)構(gòu)的典型特征。還具有如下增強特點：
(l)在每條數(shù)據(jù)處理指令當中，都控制算術(shù)邏輯單元(ALU)和移位器，以使ALU和移位器獲得最大的利用率；
(2)自動遞增和自動遞減的尋址模式，以優(yōu)化程序中的循環(huán)；
(3)同時Load和Store多條指令，以增加數(shù)據(jù)吞吐量；
(4)所有指令都條件執(zhí)行，以增大執(zhí)行吞吐量。
ARM體系結(jié)構(gòu)的字長為32位，它們都支持Byte(8位)、Halfword(16位)和Word(32位)3種數(shù)據(jù)類型。
ARM處理器支持7種處理器模式，如下表：
大部分應(yīng)用程序都在User模式下運行。當處理器處于User模式下時，執(zhí)行的程序無法訪問一些被保護的系統(tǒng)資源，也不能改變模式，否則就會導(dǎo)致一次異常。對系統(tǒng)資源的使用由操作系統(tǒng)來控制。
User模式之外的其它幾種模式也稱為特權(quán)模式，它們可以完全訪問系統(tǒng)資源，可以自由地改變模式。其中的FIQ、IRQ、supervisor、Abort和undefined 5種模式也被稱為異常模式。在處理特定的異常時，系統(tǒng)進入這幾種模式。這5種異常模式都有各自的額外的寄存器，用于避免在發(fā)生異常的時候與用戶模式下的程序發(fā)生沖突。
還有一種模式是system模式，任何異常都不會導(dǎo)致進入這一模式，而且它使用的寄存器和User模式下基本相同。它是一種特權(quán)模式，用于有訪問系統(tǒng)資源請求而又需要避免使用額外的寄存器的操作系統(tǒng)任務(wù)。
程序員可見的ARM寄存器共有37個：31個通用寄存器以及6個針對ARM處理器的不同工作模式所設(shè)立的專用狀態(tài)寄存器，如下圖：
ARM9采用5級流水線操作：指令預(yù)取、譯碼、執(zhí)行、數(shù)據(jù)緩沖、寫回。ARM9設(shè)置了16個字的數(shù)據(jù)緩沖和4個字的地址緩沖。這5級流水已被很多的RISC處理器所采用，被看作RISC結(jié)構(gòu)的“經(jīng)典”。
3.硬件設(shè)計
3.1 S3C2410A微控制器
電路板上的ARM微控制器S3C2410A采用了ARM920T核，它由ARM9TDMI、存儲管理單元MMU和高速緩存三部分組成。其中，MMU可以管理虛擬內(nèi)存，高速緩存由獨立的16KB地址和16KB數(shù)據(jù)高速Cache組成。ARM920T有兩個內(nèi)部協(xié)處理器：CP14和CP15。CP14用于調(diào)試控制，CP15用于存儲系統(tǒng)控制以及測試控制。
S3C2410A集成了大量的內(nèi)部電路和外圍接口：
Ø LCD控制器(支持STN和TFT帶有觸摸屏的液晶顯示屏)
Ø SDRAM控制器
Ø 3個通道的UART
Ø 4個通道的DMA
Ø 4個具有PWM功能的計時器和一個內(nèi)部時鐘
Ø 8通道的10位ADC
Ø 觸摸屏接口
Ø I2C總線接口
Ø 12S總線接口
Ø 兩個USB主機接口
Ø 一個USB設(shè)備接口
Ø 兩個SPI接口
Ø SD接口
Ø MMC卡接口
S3C2410A集成了一個具有日歷功能的RTC和具有PLL(MPLL和UPLL)的芯片時鐘發(fā)生器。MPLL產(chǎn)生主時鐘，能夠使處理器工作頻率最高達到203MHz。這個工作頻率能夠使處理器輕松運行WinCE、Linux等操作系統(tǒng)以及進行較為復(fù)雜的信息處理。UPLL則產(chǎn)生實現(xiàn)USB模塊的時鐘。
下圖顯示了S3C2410A的集成資源和外圍接口：
我們需要對上圖中的AHB總線和APB總線的概念進行一番解釋。ARM核開發(fā)的目的，是使其作為復(fù)雜片上系統(tǒng)的一個處理單元來應(yīng)用的，所以還必須提供一個ARM與其它片上宏單元通信的接口。為了減少不必要的設(shè)計資源的浪費，ARM公司定義了AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)總線規(guī)范，它是一組針對基于ARM核的、片上系統(tǒng)之間通信而設(shè)計的、標準的、開放協(xié)議。
在AMBA總線規(guī)范中，定義了3種總線：
(l)AHB—Advanced High Performace Bus，用于高性能系統(tǒng)模塊的連接，支持突發(fā)模式數(shù)據(jù)傳輸和事務(wù)分割；
(2)ASB—Advanced System Bus，也用于高性能系統(tǒng)模塊的連接，支持突發(fā)模式數(shù)據(jù)傳輸，這是較老的系統(tǒng)總線格式，后來由AHB總線替代；
(3)APB—Advanced PeriPheral Bus，用于較低性能外設(shè)的簡單連接，一般是接在AHB或ASB系統(tǒng)總線上的第二級總線。
典型的AMBA總線系統(tǒng)如下圖：
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S3C2410A將系統(tǒng)的存儲空間分成8個bank，每個bank的大小是128M字節(jié)，共1G字節(jié)。Bank0到bank5的開始地址是固定的，用于ROM或SRAM。bank6和bank7可用于ROM、SRAM或SDRAM。所有內(nèi)存塊的訪問周期都可編程，外部Wait也能擴展訪問周期。下圖給出了S3C2410A的內(nèi)存組織：
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下圖給出了S3C2410A的數(shù)據(jù)總線、地址總線和片選電路：
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SDRAM控制信號、集成USB接口電路：
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內(nèi)核與存儲單元供電電路（S3C2410A對于片內(nèi)的各個部件采用了獨立的電源供給，內(nèi)核采用1.8V供電，存儲單元采用3.3V獨立供電）：
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JTAG標準通過邊界掃描技術(shù)提供了對電路板上每一元件的功能、互聯(lián)及相互間影響進行測試的方法，極大地方便了系統(tǒng)電路的調(diào)試。
測試接入端口TAP的管腳定義如下：
Ø TCK：專用的邏輯測試時鐘，時鐘上升沿按串行方式對測試指令、數(shù)據(jù)及控制信號進行移位操作，下降沿用于對輸出信號移位操作；
Ø TMS：測試模式選擇，在TCK上升沿有效的邏輯測試控制信號；
Ø TDI：測試數(shù)據(jù)輸入，用于接收測試數(shù)據(jù)與測試指令；
Ø TDO：測試數(shù)據(jù)輸出，用于測試數(shù)據(jù)的輸出。
S3C2410A調(diào)試用JTAG接口電路：
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3.2 SDRAM存儲器
SDRAM被用來存放操作系統(tǒng)（從FLASH解壓縮拷入）以及存放各類動態(tài)數(shù)據(jù)，采用SAMSUNG公司的K4S561632，它是4Mxl6bitx4bank的同步DRAM，容量為32MB。用2片K4S561632實現(xiàn)位擴展，使數(shù)據(jù)總線寬度達到32bit，總?cè)萘窟_到64MB，將其地址空間映射在S3C2410A的bank6。
SDRAM 所有的輸入和輸出都與系統(tǒng)時鐘CL K上升沿同步，由輸入信號RA S、CA S、WE組合產(chǎn)生SDRAM 控制命令，其基本的控制命令如下：
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SDRAM 在具體操作之前首先必須通過MRS命令設(shè)置模式寄存器，以便確定SDRAM 的列地址延遲、突發(fā)類型、突發(fā)長度等工作模式；再通過ACT命令激活對應(yīng)地址的組，同時輸入行地址；然后通過RD 或WR 命令輸入列地址，將相應(yīng)數(shù)據(jù)讀出或?qū)懭雽?yīng)的地址；操作完成后用PCH 命令或BT 命令中止讀或?qū)懖僮?。在沒有操作的時候，每隔一段時間必須用ARF命令刷新數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)丟失。
下圖給出了SDRAM的連接電路：
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3.3 FLASH存儲器
NOR和NAND是現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。
NOR的特點是芯片內(nèi)執(zhí)行(XIP，Execute In Place)，即應(yīng)用程序可直接在Flash閃存內(nèi)運行，不必把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR的傳輸效率很高，在1~4MB的小容量時具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。
NAND結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度也很快。應(yīng)用NAND的困難在于Flash的管理和需要特殊的系統(tǒng)接口，S3C2410A內(nèi)嵌了NAND FLASH控制器。
S3C2410A支持從GCS0上的NOR FLASH啟動（16位或32位）或從NAND FLASH啟動，需要通過OM0和OM1上電時的上下拉來設(shè)置：
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在系統(tǒng)中分別采用了一片NOR FLASH(28F640)和NAND FLASH(K9S1208)，電路如下圖：
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3.4串口
S3C2410內(nèi)部集成了UART控制器，實現(xiàn)了并串轉(zhuǎn)換。外部還需提供CMOS/TTL電平與RS232之間的轉(zhuǎn)換：
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3.5以太網(wǎng)
以太網(wǎng)控制芯片采用CIRRUS LOGIC公司生產(chǎn)的CS8900A，其突出特點是使用靈活，其物理層接口、數(shù)據(jù)傳輸模式和工作模式等都能根據(jù)需要而動態(tài)調(diào)整，通過內(nèi)部寄存器的設(shè)置來適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。它符合IEEE803.3以太網(wǎng)標準，帶有傳送、接收低通濾波的10Base-T連接端口，支持10Base2，10Base5和10Base-F的AUI接口，并能自動生成報頭，自動進行CRC檢驗，在沖突后自動重發(fā)。
CS8900A支持的傳輸模式有I/O和Memory模式。當CS8900A有硬件復(fù)位或軟件復(fù)位時,它將默認成為8位工作模式。因此，要使CS8900A工作于16位模式，系統(tǒng)必須在訪問之前提供給總線高位使能管腳(/SBHE)一個由高到低、再由低到高變化的電平。
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3.6 USB接口
USB 系統(tǒng)由USB 主機（USB Host）、USB集線器（USB Hub）和USB設(shè)備（USB Device）組成。USB 和主機系統(tǒng)的接口稱作主機控制器（Host Controller），它是由硬件和軟件結(jié)合實現(xiàn)的。根集線器是綜合于主機系統(tǒng)內(nèi)部的，用以提供USB的連接點。USB的設(shè)備包括集線器（Hub）和功能器件（Function）。
S3C2410A集成了USB host和USB device，外部連接電路如下圖：
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3.7電源
LDO(Low Dropout)屬于DC/DC變換器中的降壓變換器，它具有低成本、低噪聲、低功耗等突出優(yōu)點，另外它所需要的外圍器件也很少，通常只有 1~2 個旁路電容。
在電路板上我們分別用兩個LDO來實現(xiàn)5V向3.3V（存儲接口電平）和1.8V（ARM內(nèi)核電平）的轉(zhuǎn)換。
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up監(jiān)控電路采用MAX708芯片，提供上電、掉電以及降壓情況下的復(fù)位輸出及低電平有效的人工復(fù)位輸出：
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3.8其它
SN74LVTH62245A提供總線驅(qū)動和緩沖能力：
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S3C2410A集成LCD液晶顯示器控制電路，外部引出接口：
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觸摸屏有電阻式、電容式等，其本質(zhì)是一種將手指在屏幕上的觸點位置轉(zhuǎn)化為電信號的傳感器。手指觸到屏幕，引起觸點位置電阻或電容的變化，再通過檢測這一電性變化，從而獲得手指的坐標位置。通過S3C2410A集成的AD功能，完成電信號向屏幕坐標的轉(zhuǎn)化，觸摸屏接口如下：
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鍵盤則直接利用CPU的可編程I/O口，若連接 mxn鍵盤，則需要m+n個可編程I/O口，由軟件實現(xiàn)鍵盤掃描，識別按鍵：
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3.9整體架構(gòu)
下圖呈現(xiàn)了ARM處理器及外圍電路的整體設(shè)計框架：
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4.小結(jié)
本章講解了基于S3C2410A ARM處理器電路板硬件設(shè)計的基本組成，為后續(xù)各章提供了總體性的準備工作。
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