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基于ARM-μCLinux嵌入式系統啟動引導的實現
摘要：介紹了ARM-μCLinux嵌入式系統的結構組成，重點分析了ARM--μCLinux嵌入式系統啟動引導的過程實現該系統啟動引導的技術難點，提出了一種有效的啟動引導方案。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，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引導技術是嵌入式系統開發的一個難點。系統啟動引導的成功與否決定了應用程序的運行環境是否能正確構建，即系統啟動成功是應用正確運行的前提。
常用的嵌入式系統啟動方法是先通過JTAG將嵌入式操作系統內核與進Flash，再由其帶的引導程序bootloader完成嵌放式系統的啟動引導工作。這種方法要借助昂貴的JTAG設備完成操作系統內核 的燒寫工作，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ARM-μCLinux嵌入式系統的啟動引導方案，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、初始化、操作系統內核的固化和引導等問題。本文簡略說明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 系統組成
典型的ARM嵌入式系統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作為本系統的操作系統內核。ΜCLinux是Linux是一個分支，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，也是與用戶開發最相關的一部分。它存儲了系統配置文件、系統程序、用戶應用程序和必需的驅動程序。
軟件平臺固化在Flash中。通常根據軟件平臺的內容 對Flash的地址空間進行分區，一般分三個區，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際分配區間，一個部分緊跟著另一個部分后存儲，沒有固定的分區和首地址。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的掛載，同時也利于系統的調試和開發。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JTAG口，將內核和文件系統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。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，操作系統的內核還沒有被加載，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。
（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RAM快速引導技術實現這種加載方式。其主要是針對NAND型Flash的情況。與NOR型Flash最大的不同點是：NOR型Flash使用內存隨機讀取技術，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，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價格比NO
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