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ARM開發(fā)板上uClinux內(nèi)核移植

發(fā)布時間：2010-11-20 19:04 發(fā)布者：conniede

關(guān)鍵詞： arm , uclinux , 開發(fā)板 , 內(nèi)核 , 移植

1.簡述

針對“如何在以S3C44B0X為核心的ARMSYS開發(fā)板上建立uClinux內(nèi)核移植”的一個總結(jié)，其內(nèi)容包括對Bootloader的功能分析和uClinux2.4.24發(fā)行版內(nèi)核基礎(chǔ)上針對S3C44B0X開發(fā)板進行修改的重點內(nèi)容的逐一列舉。

2．Bootloader

2．1 Bootloader概述

Boot Loader 就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段程序。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)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準備好正確的環(huán)境。因此，正確建立uClinux的移植的前提條件是具備一個與uClinux配套、易于使用的Bootloader。ARMSYS開發(fā)板提供了這樣一個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)時并非一定需要一個獨立于內(nèi)核的Bootloader。然而，將Bootloader與內(nèi)核分開設(shè)計能夠使軟件架構(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)核映像并啟動運行；

5)．提供串行超級終端上的人機操作界面。

2．2 存儲空間分布

Bootloader采用默認的存儲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的運行。在ARMSYS的Bootloader中，默認的存儲空間分布如下表：

內(nèi)容起始地址

存儲介質(zhì)Bootloader程序空間 0x00000000

Flash壓縮內(nèi)核映像 0x00010000

FlashROM文件系統(tǒng)映像 0x000e0000

Flash內(nèi)核運行地址 0x0c008000

SDRAM壓縮內(nèi)核解壓地址 0x0c100000

SDRAM文件系統(tǒng)加載 0x0c700000

SDRAM這個存儲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。

2．3 Bootloader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；

◎ 建立人機界面

◎ 實現(xiàn)映像文件的下載和燒錄工具

◎ 實現(xiàn)映像文件的加載和運行工具

下面對上述各步驟進行逐一說明，并對與uClinux相關(guān)的內(nèi)容詳細加以說明。

2．3．1 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)到標號為ResetHandler處進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和時鐘，初始化存儲器控制器。比較重要的是PLL的輸出頻率要計算正確，ARMSYS中把它設(shè)置為64MHz；這實際上就是處理器的工作主頻，這個時間參數(shù)在第二階段計算SDRAM的刷新計數(shù)值和UART的波特率等參數(shù)時還要用到。

2．3．2建立二級異常中斷矢量表

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)運行，一旦發(fā)生中斷，處理器還是會自動跳轉(zhuǎn)到從0x0地址開始的第一級異常中斷矢量表中的某個表項（依據(jù)于中斷類型）處讀取指令運行。

在編寫 Bootloader時，地址0x0處的一級異常中斷矢量表只需簡單地包含向二級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異常中斷矢量表，因此，Bootloader的第一級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xc000000）處配置自己的二級異常中斷矢量表，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)對中斷處理程序的地址任意賦值。為此，我們在44b.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。

2．3．3 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)。

2．3．4 復(fù)制RO和RW，清零ZI

一個ARM由RO，RW和ZI三個段組成，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(對于GNU工具，對應(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，這些標號的值是根據(jù)鏈接器中設(shè)置的中ro-base和rw-base的設(shè)置來計算的，我們的Bootloader的對應(yīng)設(shè)置是：ro-base = 0xc000000, rw-base = 0xc5f0000。

完成這個步驟后，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)。

2．3．5 C語言中的硬件初始化

繼續(xù)對硬件進行初始化，主要包括對以下設(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Non-Cacheable區(qū)間。合理的配置是打開對RAM區(qū)間的Cache，關(guān)閉對其它地址區(qū)間(非存儲器設(shè)備， I/O設(shè)備)的Cache。所有硬件初始化完畢之后，開中斷。

2．3．6 建立人機界面

引導(dǎo)過程的最后一步是在串行終端上建立人機界面，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，等待用戶進一步的命令。這里就不對此詳細討論了。

2．4 加載uClinux內(nèi)核

ARMSYS提供的Bootloader支持兩種uClinux啟動運行方式：直接從SDRAM中的內(nèi)核映像中運行；從flash將壓縮格式的內(nèi)核映像加載到SDRAM，再從SDRAM運行。前者需要利用Bootloader提供的對映像文件下載的工具；后者則需要利用Bootloader提供的flash燒錄工具進行燒錄，然后再加載運行。

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

可以從flash拷貝到SDRAM解壓運行，自然同樣也可以直接下載到SDRAM運行。這對于調(diào)試內(nèi)核都是非常方便的。對于壓縮格式的內(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，并從該地址開始運行（參考2.2節(jié)）。

2．5 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)();

2．6 工具

ARMSYS 的Bootloader在人機界面上提供了8個功能項目，其中包括支持從主機通過USB口下載文件到目標板的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uClinux專用Bootloader的介紹到此，下面開始對uClinux的內(nèi)核部分的移植進行說明。

3．uClinux2.4.24內(nèi)核組成

◎arch：arch目錄下有多個子目錄，它的每一個子目錄都代表內(nèi)核支持的一種CPU體系結(jié)構(gòu)，每個子目錄中又進一步分解為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)，包含兩個文件main.c和Version.c，這是研究核心如何工作的一個非常好的起點。

◎ kernel：主要的核心代碼，此目錄下的文件實現(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)動程序；每種驅(qū)動程序又各占用一個子目錄：如，/block 下為塊設(shè)備驅(qū)動程序，比如ide（ide.c）。

◎ 其他：例如mm ，這個目錄包括所有獨立于處理器體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)存管理代碼，如頁式存儲管理內(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，這個目錄包含核心的進程間通訊的代碼；fs，所有的文件系統(tǒng)代碼和各種類型的文件操作代碼，它的每一個子目錄支持一個文件系統(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一般在每個目錄下，都有一個.depend 文件和一個 Makefile 文件，這兩個文件都是編譯時使用的輔助文件，仔細閱讀這兩個文件對弄清各個文件這間的聯(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，它是對該目錄下的文件的一些說明，同樣有利于我們對內(nèi)核源碼的理解。

uClinux-dist-20040408發(fā)行包中的內(nèi)核對S3C44B0X處理器的支持是不完整的，因此，我們不能夠希望在make config配置選項中選中44B0X目標板后，直接編譯它來得到一個很好地支持44B0X開發(fā)板的內(nèi)核映像，我們必須為內(nèi)核打上補丁。針對ARMSYS 的補丁文件可以在http://www.hzlitai.com.cn/download/default.asp地址處下載得到。這款補丁是眾多愛好uClinux和44B0X處理器的網(wǎng)友們共同完成的。下一節(jié)我們就對這個補丁中的主要修改項目進行介紹和分析，從中了解uClinux移植中的要點。

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