摘 要：本文介紹了ARM-μC嵌入式系統(tǒng)的結構組成，結合ARM體系結構的特點和嵌入式操作系統(tǒng)μC的應用的普遍性，著重分析了ARM-μC嵌入式系統(tǒng)啟動引導程序的過程實現(xiàn)以及該系統(tǒng)啟動引導的關鍵點，提出了一種有效的啟動引導方案。
關鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 引導 ARM μCLinux 嵌入式操作系統(tǒng)
引言
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、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)內核燒入，再由其帶的引導程序Bootloader完成嵌入式系統(tǒng)的啟動引導工作。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為內核的微處理器、存儲器和必要的外部接口與外設。在本系統(tǒng)中，微處理器采用內嵌的ung公司的處理器，存儲器使用2MB的和的，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，該引導程序包括兩個方面：引導內核的Bootloader和內核自身的引導程序部分，代碼量雖少，但是作用非常大，相當于PC上的，負責將操作系統(tǒng)內核固化到中和系統(tǒng)初始化工作，然后將系統(tǒng)控制權交給操作系統(tǒng)。Bootloader是CPU開機后執(zhí)行的第一個程序，它的任務就是將內核（壓縮或非壓縮）裝載到內核要求的地址。內核引導程序部分有狹義和廣義之分，狹義指內核運行前的一段代碼，一般在壓縮的內核映像前有一段解壓縮程序，負責將內核解壓縮到某個地址，從開始解壓縮到將控制權交給解壓縮好的內核，這一段代碼稱為內核的引導程序部分。廣義定義還要包括內核初始化部分，即直到有進程產生才算引導程序的結束。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，完成嵌入式應用的任務調度和控制等核心功能。具有內核較精簡、可配置、與高層應用緊密關聯(lián)等特點。嵌入式操作系統(tǒng)具有相對不變性。
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是一個分支，主要是針對無MMU的微處理器設計開發(fā)的,大多數(shù)內核的二進制代碼和源代碼都被重寫,但繼承了Linux 操作系統(tǒng)的主要優(yōu)點:穩(wěn)定性、優(yōu)異的網絡能力和多任務管理功能以及優(yōu)秀的文件系統(tǒng)支持，并對內存管理和進程管理進行了改寫，滿足了無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。它是負責存取和管理文件信息的機構，也可以說是負責文件的建立、撤消、組織、讀寫、修改、復制及對文件管理所需要的資源實施管理的軟件部分。
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空量，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， Bootloader一般是被燒錄或者下載到bootrom的0x0地址處，作為上電后執(zhí)行的第一部分指令，Bootloader需要完成兩個任務：
(1). remap,
(2). 把kernel裝載到里合適的位置上去。在完成這兩個任務后，Bootloader就“功成身退”了。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
μCLinux內核和文件系統(tǒng)固化在Flash中的手段很多。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中。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，還可作為調試μCLinux內核的通道。在本系統(tǒng)中，F(xiàn)lash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。一般嵌入式設備上電后，程序寄存器首先指向ROM(Flash)的首地址，執(zhí)行事先已經固化好的Bootloader程序。Bootloader程序一般首先初始化CPU的寄存器，設置處理器的工作模式，關掉中斷，設置Flash和RAM讓他們能夠工作，并把內核從Flash中復制到RAM中，然后調用解壓縮函數(shù)解壓內核，最后把控制權交給解壓縮好的內核，并開始內核的初始化。
（3）μCLinux內核加載方式
μCLinux的內核有兩種可選的運行方式：一是在Flash上直接運行；二是加載到內存中運行。后者可以減少內存需要。Flash運行方式是把內核的可執(zhí)行映像文件燒制到Flash上, Bootloader進行系統(tǒng)初始化工作后系統(tǒng)啟動時從Flash的某個地址開始逐句執(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。這種方法實際上是很多嵌入式系統(tǒng)采用的方法，也是本系統(tǒng)采用的內核加載方式。內核加載方式是把內核的壓縮文件存放在Flash上,系統(tǒng)啟動時讀取壓縮文件在內存里解壓,然后開始執(zhí)行,這種方式相對復雜一些,需要在內存中運行程序，但是其運行速度可能更快(RAM的存取速率要比Flash高)，并且可以通過RAM快速引導技術實現(xiàn)這種加載方式，同時這也是標準Linux系統(tǒng)采用的啟動方式。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使用內存隨機讀取技術，與一樣，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，可以方便地內核的加載，向內核傳遞有關的硬件參數(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，然后將系統(tǒng)交由μCLinux操作系統(tǒng)管理。在本系統(tǒng)中，采用一個實現(xiàn)兩種模式的切換。在系統(tǒng)的Flash中只有Bootloader時，首先將拔上去，提示系統(tǒng)進入自舉模式，加電啟動后，Bootloader根據(jù)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。接著將開關拔下來，提示系統(tǒng)進入內核啟動模式，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。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。嵌入式設備上電啟動后，F(xiàn)lash中的程序獲得控制權，F(xiàn)lash中的程序包括bootloader和一個壓縮過的內核（另外還含有一個romfs的文件系統(tǒng)）。
Flash中的程序首先配置內存地址，將本身由原來系統(tǒng)默認的地址配置為0x0到0x200000（2MByte）,SDRAM配置為0x1000000（yte）到0x2000000（32MByte）。然后把Flash的內容整體拷貝SDRAM中?？截愅旰?，將SDRAM地址重新配置為0x0到0x1000000，F(xiàn)lash的地址改為0x1000000到0x1200000。注意，這里Flash和RAM地址是同時修改的，修改地址后，接下來的指令就將從SDRAM中獲得，由于SDRAM中的程序和原來Flash中的程序一樣，并且地址也一樣，所以不會影響指令的執(zhí)行。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。
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/arch/armnommu/boot/compressed目 錄，其中.s的作用最關鍵，它完成了加載內核的大部分工作；.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.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.h中并被.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0x1000000-0x1200000和0x0-0x1000000;然后調用.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)（_kernel），將控制權交給解壓后的μCLinux系統(tǒng)。執(zhí)行_kernel函數(shù)實際上是執(zhí)行//main.c中的start_kernel函數(shù)，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。
4 結論
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，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主機與目標系統(tǒng)的通信渠道，既可以方便地將操作系統(tǒng)內核、文件系統(tǒng)和應用程序下載到目標系統(tǒng)中，又可以作為調試μCLinux內核和應用程序通道；此外針對的無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。
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