ARM-μCLinux嵌入式系统启动引导的实现

(3)μCLinux内核加载方式

固化在Flash中的μCLinux内核有两种运行方式:一种方式是直接在Flash中运行μCLinux自带的引导程序;另一种方式是将固化在Flash中的内核先拷贝到SDRAM的某一段地址区间,再从该段地址区间的首地址运行uCLinux内核。

第一种方式是bootloader进行系统初始化工作后,跳到内核固化在Flash中的首地址处,将控制权交给μCLinux,开始在Flash中逐句执行内核自带的引导程序,由该引导程序完成内核的加载工作。这种方式是目前很多嵌入式系统启动内核所采用的方式,也是本系统采用的内核加载方式。

第二种方式是bootloader完成系统初始化工作后,把内核的映像文件由Flash拷贝到SDRAM中,再从SDRAM中执行μCLinux内核的引导程序,加载μCLinux内核。

第二种加载方式在SDRAM中运行程序,因此执行速度比第一种方式快一些,并且可以通过RAM快速引导技术实现这种加载方式[2,4]。其主要是针对NAND型Flash的情况。与NOR型Flash最大的不同点是:NOR型Flash使用内存随机读取技术,与SDRAM一样,可以直接执行存储在Flash中的程序;而NAND型Flash不是采取内存随机读取技术,它是一次读取一整块内存,因此不能直接执行存储在NAND型Flash中的程序,必须把NAND型Flash中的程序先拷贝到SDRAM,再在SDRAM中执行该程序。但是NAND型Flash价格比NOR型Flash廉价,所以很多嵌入式系统还是采用NOR型Flash(几百K字节)+NAND型Flash(几兆字节)的存储模式。其中NOR型Flash存放可执行的且代码量小的bootloader和一些必要的数据,而NAND型Flash保存存储量较大的内核和文件系统。

在本系统中,由于采用NOR型Flash存储bootloader、内核和文件系统,所以可以直接访问内核所在地址区间的首地址,执行内核自己的引导程序,而且内核自带的引导程序功能强大,可以方便地完成内核的加载,向内核传递有关的硬件参数。因此本系统采用第一种加载方式。

(4)自举模式和内核启动模式的切换

Bootloader一般要实现两种启动模式:自举模式和内核启动模式。自举模式也称为bootstrap模式,该模式的主要作用是目标机通过串口与主机通信,可以接收主机发送过来的映像文件,例如内核、文件系统和应用程序,并将其固化在Flash中,也可以将Flash中的映像文件上传到主机。内核启动模式允许嵌入式系统加电启动后加载μCLinux内核,将系统交由μCLinux操作系统管理。

在本系统中,采用一个开关实现两种模式的切换。在系统的Flash中只有bootloader时,首先将开关拨上去,提示系统进入自举模式,加电启动后,bootloader根据开关的状态,进入自举模式,接收主机发送过来的内核和文件系统的映像文件。接着将开关拨下来,提示系统进入内核启动模式,再按重启键,bootloader根据此时的开关状态进入内核启动模式,加载内核和文件系统,由操作系统接管系统。以后也可以根据需要,设置开关的状态,以提示系统进入不同的启动模式。

(5)地址映射表的配置和重映射

地址映射表的配置包括设置Flash地址空间、SDRAM地址空间、外部I/O地址范围和处理器寄存器地址范围。ARM处理器加电后执行在地址0x0处的代码,因此在加电启动时,首先将存储了bootloader的Flash地址空间设置为0x0-0x200000,将SDRAM的地址空间设置为0x1000000-0x2000000,当内核引导程序将内核拷贝到SDRAM后,再设置SDRAM的地址空间为0x0-0x1000000,而Flash的地址空间为0x1800000-0x1A00000。这需要在内核引导程序中对Flash和SDRAM的地址空间进行重映射。

本文采用的系统启动引导方案流程图如图1。


3 μCLinux内核的加载和初始化

本启动方案中采用μCLinux自带的引导程序加载内核。该引导程序代码在linux/arch/armnommu/boot/compressed[5]目录中,其中Head.s的作用最关键,它完成了加载内核的大部分工作;Misc.c则提供加载内核所需要的子程序,其中解压内核的子程序是Head.s调用的重要程序。另外内核的加载还必须知道系统必要的硬件信息,该硬件信息在hardware.h中并被Head.s所引用。

当bootloader将控制权交给内核的引导程序时,第一个执行的程序就是Head.s。下面基于本系统介绍Head.s加载内核的主要过程。Head.s首先配置S3C4510的系统寄存器;再初始化S3C4510的ROM、RAM以及总线等控制寄存器,将Flash和SDRAM的地址范围分别设置为0x0-0x200000和0x1000000-0x2000000;接着将内核的映像文件从Flash拷贝到SDRAM,并将Flash和SDRAM的地址区间分别重映射为0x1800000-0x1A00000和0x0-0x1000000;然后调用Misc.c中的解压内核函数(decompress_kernel),对拷贝到SDRAM的内核映像文件进行解压缩;最后跳转到执行调用内核函数(call_kernel),