ARM嵌入式處理器已被廣泛應用于消費電子產品、無線通信、網絡通信和工業控制等領域。其中,ARM9的芯片更是以其低價格、低功耗、高性能在手持設備中占據著重要市場。在嵌入式操作系統中,Linux,Vxworks,WinCE三足鼎立,其中Linux由于其開源性、穩定性、安全性、可裁減性更是一支獨放。在嵌入式系統中,如何實現在ARM9平臺下Linux操作系統的引導工作是嵌入式技術開發的重要環節。
1 嵌入式系統的軟件組成
1.1 系統的軟件組成
嵌入式的軟件系統主要由Bootloader、操作系統、文件系統、應用程序等組成。其中,Bootloader是介于硬件和操作系統之間的一層,其作用就好像PC機中的BIOS。系統加電運行后,由系統自動加載。通過這段程序,可以初始化硬件設備,建立內存空間的映射圖,從而將系統的硬件環境帶到一個合適的狀態,以便為最終調用操作系統內核準備好環境。對于一個嵌入式系統,通常BootLoader是依賴于硬件而實現的。對于不同類型的嵌入式芯片、不同的操作系統和外圍接口都需要重新移植、修改和編譯Bootloader。
1.2 U-Boot分析
嵌入式Linux系統中常用的Bootloader引導程序有U-Boot,redboot,blob和vivi等,其中U-Boot遵循GPL條款的開放源碼項目,功能最為強大;U-Boot對PowerPC系列處理器支持最豐富,同時還支持MIPS,x86,ARM,Nios,XScale等諸多常用系列的處理器;U-Boot引導程序分為Stage 1和Stage 2兩大部分,Stage 1中主要包括設備初始化、中斷設置、時鐘設置和存儲器初始化等工作,并且采用匯編語言實現,而一些通用功能大多采用C語言實現,放在Stage 2中。
2 U-Boot的啟動分析
Stage 1的代碼在CPU/arm920t/start.s中定義,它包括從系統上電后在0x00000000地址開始執行的部分。這部分代碼系統啟動后,從NAND FLASH自動加載到SDRAM中,它包括對S3C2410A中寄存器的初始化和將U-Boot的Stage 2代碼從FLASH拷貝到SDRAM。Stage 2的起始地址是在Stage1代碼中指定的。被復制到SDRAM后,就從第一階段跳到這個入口地址,開始執行剩余部分代碼。第二階段主要是對內存的分配,對NAND FLASH以及對外圍設備的初始化,其代碼在lib-arm/board.C中。啟動的流程分析如圖1所示。
(1)跳轉到C語言程序之后,首先定義初始化函數表,程序在lib-arm/board.e中,如下所示:
(2)初始化FLASH設備和顯示FLASH設備信息;
(3)初始化系統內存分配函數;
(4)如果目標系統擁有NAND設備,則初始化NAND設備;
(5)初始化顯示設備;
(6)初始化網絡設備,填寫IP地址、MAC地址等信息;
(7)開啟中斷處理;
(8)進入命令循環,接收用戶從串口的命令輸入。
3 U-Boot的移植方法
本文選用交叉編譯環境arm-linux-gcc-2.95.3,選用U-Boot-1.1.4版本作為移植平臺。為了使U-Boot支持新的開發板,一種簡便的做法是在U-Boot已經支持的開發板中選擇一種與目標板接近的,在其基礎上進行修改。這里選用的是smdk2410的配置。
3.1 修改cpu/arm920t/start.S文件
Start.s是采用匯編語言編寫的U-Boot程序入口代碼,完成對底層硬件的初始化,其中有一個很重要的功能是從NAND FLASH中把Stage 2階段的代碼復制到SDRAM中。在此階段,涉及到對NANDFLASH的讀操作,在U-Boot中,沒有對NANDFLASH讀操作的驅動,采用以下方法實現:
通過調用board/smdk2410/nand_read.C中的nand_read_11函數將Stage 2階段的代碼復制到ram中。
3.2 修改board/smdk2410目錄下文件
(1)增加對NANDFLASH的讀驅動nand_read.c
(2)在smdk2410.C文件中添加對NANDFLASH初始化的程序
在此主要是對主板的GPIO的一些設置,并加上對NANDFLASH初始化程序。
(3)在該目錄下的Makefile文件中添加nand_read.C文件的編譯
OBJS:=smdk24 10.o FLASH.o nand_read.o
3.3 在include文件中設置NAND FLASH硬件參數
在/linux/mtd/nand_ids.h中設置參數:
3.4 編譯與運行
配置好以后,進入U-Boot主目錄,重新編譯U-Boot代碼,運行命令:
(1)查看交叉編譯器的版本號
ARM-linux-gcc-v
(2)清除生成的連接
Make distclean
(3)編譯make smdk2410_config
(4)make CROSS-COMPILE=arm-linux-編譯成功后,將生成三個文件:
u-boot:ELF格式的文件,可以被大多數Debug程序識別。
u-boot.bin:二進制bin文件,純碎的U-Boot二進制執行代碼,不保存ELF格式和調試信息。這個文件用于燒到用戶的開發板中。
u-boot.srec:Motorola S-Record格式,可以通過串口下載到開發板中。
將得到的u-boot.bin文件借助于FLASH芯片燒寫工具,通過JTAG口下載到目標板后,檢查U-Boot能否正常工作。如果能從串口輸出正確的啟動信息,就表明移植基本成功。
4 結 語
目前筆者移植的U-Boot已經能穩定地運行在開發板上。U-Boot引導程序是嵌入式Linux系統軟件開發中的一個重要環節。在此通過分析U-Boot的代碼結構和啟動過程,并針對開發板系統的硬件資源,通過分析與調試,實現了U-Boot的移植,并且能夠引導嵌入式Linux內核和文件系統,為今后進一步開發奠定了堅實的基礎。