基于S3C44B0芯片的uClinux内核引导过程分析

前　言 

随着计算机硬件技术的不断发展，功能强大、资源丰富的嵌入式芯片，成为研究人员开发专业应用领域产品的首选。三星公司生产的S3C44B0芯片，采用ARM7TDM I内核，具有功耗小、成本低的特点，是一款专门针对移动终端及PDA手持设备市场的产品。近几年，源码开放的L inux系统迅速发展，很快成为跨平台操作系统中的佼佼者，并且出现了专门针对嵌入式系统的产品———uClinux。在S3C44B0芯片上移植 uClinux操作系统，能够充分发挥该芯片系统资源丰富(相对单片机而言)的特点，开发出功能强大的应用产品。 

嵌入式系统的启动引导程序与硬件严格相关，对编写人员的要求较高，而在移植uClinux后又大大增加了引导程序的复杂程度，因此这部分代码往往是各个嵌入式产品开发厂商严格保密的部分。下面将以一款市场上成熟的基于S3C44B0芯片的嵌入式开发板为蓝本，对引导uClinux内核的过程进行分析。 

系统引导过程分析 
    
嵌入式系统中uClinux内核的系统引导过程通常可以分为3个阶段，即boot阶段、系统初始化阶段和uClinux内核引导阶段。通常情况下boot阶段和系统初始化阶段的工作由一段被称为bootloader的代码完成，而内核引导则是由事先编译好了的uClinux可执行镜像来实现。 

系统内存组织 

由于嵌入式系统的硬件环境千差万别，即使选用同一种型号的嵌入式芯片，其外围设备也大不相同，特别是存储设备的组织，将直接关系到引导程序的实现。对于 S3C44B0芯片，其生产厂家规定在系统加电自举后，从0x00000000处开始执行(其他芯片如ARM9系列可以通过地址映射改变该地址) ，故此处通常安排的是Flash 地址空间，用于保存bootloader启动代码以及uClinux映象。对于S3C44B0 芯片， RAM 地址被固定在0x0c000000到0x0fffffff的64兆，开发人员可以根据自己的需要再组织RAM，如本开发板存储器地址安排如下: 



此外，考虑到Flash运行速度的问题，通常采取的做法是将系统初始化阶段的代码和uClinux内核镜像拷贝到RAM中执行。下面将分3个阶段分析系统引导过程。 

boot阶段 

boot阶段的主要工作是设置系统中断向量、完成对CPU内部寄存器的初始化、系统RAM初始化、为运行C程序组织堆栈、拷贝初始化阶段代码到RAM、跳转到C程序入口。该阶段代码直接在Flash中运行，为提高执行效率采用汇编语言编写。 

(1) 设置中断向量。设置S3C44B0芯片的8种系统中断的中断向量地址(包括复位中断、未定义指令中断、软件中断、指令预取异常中断、数据异常中断、地址异常中断、IRQ 中断和F IQ 中断) ，该地址空间从系统RAM的起始地址开始安排。通常情况下，在Flash的起始部分，存放的就是针对各中断向量地址的无条件跳转指令。

__entry :
B ResetHandler
/* for reset vector */
LDR PC， = 0x0c00000c
/* 0x0c00000: 未定义指令中断向量地址*/
.....
/* 中间省略类似跳转*/
LDR PC， = 0x0c000024
/* 0x0c000024: F IQ中断向量地址*/ [page]

(2) CPU内部寄存器初始化。通过配置CPU运行于SVC模式(采用改变CPSC寄存器中CPU运行模式位的方式来实现) ，并设置相关寄存器，以实现对基本硬件的初始化工作，包括关闭中断、初始化CPU通用端口和设置CPU频率等。进入SVC模式汇编代码如下:

MRS a1， CPSR /* 保存当前状态寄存器值*/
BICa1， a1， #MODE_MASK /* 清除运行模式位*/
ORR a1， a1， #SUP_MODE/* 设置为超级用户模式*/
ORR a1， a1， #LOCKOUT /* 关闭F IQ和IRQ */
MSR CPSR_cxsf， a1 /* 保存到当前状态寄存器*/ 

(3) 系统RAM初始化。初始化系统RAM的主要目的是为下面使用RAM空间的操作做好准备工作，如进行代码拷贝及堆栈初始化等。这部分工作可以分为两个步骤。首先，根据系统配置的存储器特性，初始化相关存储块控制寄存器的值， 在S3C44B0 中存储空间被分为BANK0到BANK7共8个块，分别由BANKCON0到BANKCON7控制各块存储器的读写时钟数和片选时钟数等信号参数，对于采取不同存储芯片的嵌入式系统，可以通过查阅芯片手册来获取该信息，并写入相关寄存器。

LDR r0， = rBANKCON0
LDR r1， = 0x700
STR r1， [ r0 ]
..
/* 中间省略BANK1到BANK6*/
LDR r0， = rBANKCON7
LDR r1， = 0x18000
STR r1， [ r0 ]
LDR r0， = rREFRESH
LDR r1， = 0xac03e1
STR r1， [ r0 ]
LDR r0， = rBANKSIZE
LDR r1， = 0x16
STR r1， [ r0 ] 

然后，对存储器空间中需要清零的区域进行清零操作，该区域的范围往往是由开发人员通知编译器的，主要是用来存放C语言中全局变量等。

LDR a1， = Image_ZI_Base /* 获取清零区域基地址*/
MOV a3， #0 /* 清零a3寄存器*/
LDR a2， = Image_ZI_L imit /* 获取清零区域尾地址*/
CMP a1， a2
BEQ move_data
clear_loop: : /* 清零Image_ZI_Base到Image_ZI_Limit区域*/
STR a3， [ a1 ] ， #4/* 清零4个字节，即一个字*/
CMP a1， a2 /* 判断是否到达清零区域尾部*/
BNE clear_loop /* 否则，继续清零循环*/ 

(4) 为运行C程序组织堆栈。由于在系统引导的下一阶段，通常会使用C语言来完成大部分(如建立主机通信、驱动外部端口的工作) ，故必须调整SP指针到堆栈顶，为C程序配置合适的堆栈环境。在具体实现过程中为避免堆栈数据被程序运行代码破坏，往往会把堆栈设置在RAM的高端地址，并把堆栈的生长方向设为向下生长，这样可以最大限度地利用RAM空间，同时可以避免上述问题发生。 

(5)拷贝初始化阶段代码到RAM。由于在S3C44B0芯片中Flash和RAM是统一编址的，只需通过简单的循环来实现代码拷贝工作。

copy_code_to_ram :
LDR r3， = Flash_Sou/* Flash_Sou为Flash中代码首地址*/
LDR r2， =Ram_Dest /* Ram_Dest为Ram中代码首地址*/
LDR r1， = 0
next :
LDR r0， [ r1 ] ， #4
STR r0， [ r2 ] ， #4 /* 复制到ram*/
CMP r1， r3
BNE next
跳转到C程序入口:
LDR pc， =Main 

系统初始化阶段 

系统初始化阶段的主要工作是建立与主机间的通信、初始化定时器、检测内存映射、加载uClinux内核镜像和配置内核启动参数等。 [page]

与主机建立通讯 

面向最终用户的嵌入式产品，其启动过程应该是不需要人工干预的，但对于大多数嵌入式开发平台而言，必须通过某种方式与主机间建立通讯联系，输出启动提示信息，以实现人工干预的系统启动过程，提供更加丰富的附加功能。一般情况下，最为廉价和简单的方式是通过串口实现嵌入式系统与主机间通讯( S3C44B0提供2个Uart口，建立通信前必须初始化至少一个)，这种情况下就必须事先对串口进行初始化工作。 

以本开发板为例，在系统初始化的初期，就进行了Uart口的初始化工作，并通过该端口与用户宿主机上的超级终端程序通信，从而提供了多种启动功能的选择，包括Demo程序下载、Flash重新编程等。Uart0口初始化过程可参看以下C代码，其中波特率因子的计算公式可以查阅S3C44B0芯片手册。
rULCON0 = 0x3；//设置Uart0 口线控寄存器，无奇偶效验， 8数据位， 0停止位
rUCON0 = 0x345；//设置Uart0控制寄存器
rUBRD IV0 = ( ( int) (mclk /16. /baud + 0.5) - 1 ) ；//设置波特率因子，其中mclk和baud为系统频率和波特率 

初始化定时器 

通过设置系统定时器相关的寄存器，实现为操作系统提供最基本的系统时钟支持。 

检测内存映射 

为防止发生内存映射错误，即系统映射到物理地址不存在的空间，必须对内存地址作读写一致性效验。通常做法是以内存页为单位，在每个页头进行读写操作，并比较读写结果。 

加载uClinux内核镜像 

加载uClinux内核工作实际上是完成将Flash中uClinux内核代码拷贝到RAM指定地址单元的工作，在拷贝前必须在第二阶段RAM启动代码和该部分代码之间预留一定的空间，用来存放uClinux的全局结构变量，如: 启动参数、内核页表、ARM的页目录等信息。全地址空间的分配情况可参看本开发板地址空间分配示意图1。

图1　地址空间分配示意图 

配置内核启动参数 

uClinux 内核启动过程中，支持参数传入。在嵌入式系统中，启动参数的传入主要靠bootloader程序向标记列表( tagged list)的相关域中填写对应的值来完成，常见的参数如有ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDL INE、ATAG_RAMD ISK、ATAG_ IN ITRD等。 

uClinux内核引导 

在初始化阶段完成uClinux启动参数设置后，控制权交由uClinux内核接管，并调用解压内核函数( decomp ress_kernel) ，对拷贝到SDRAM的内核映像文件进行解压缩，然后跳转到内核调用函数( call_ kernel) ，该函数实际上是执行start_kernel ( ) ，其中包括了处理器结构的初始化、中断的初始化、进程相关的初始化以及内存初始化等重要工作。最后，将控制权交给解压后的uClinux系统，进而完成整个uClinux内核引导过程，参看以下伪码: If (启动参数配置正确)调用decomp ress_kernel ( )调用call_kernel ( )else提示启动失败decomp ress_kernel( ){解压内核镜像文件}call_kernel ( ){ ..start_kernel( ) ；..} 

小　结 

对于嵌入式系统开发人员来说，针对某一特定的嵌入式硬件平台，移植开发基于uClinux操作系统的应用产品时，往往需要自己动手编写或修改已有的启动代码，而为uClinux内核启动准备合适的工作环境，占据了大部分工作量。至于uClinux引导，在设置好启动参数后则是由编译好的内核镜像自动完成，对于系统开发人员来说基本上是透明的。