一、前言

ARM7TDMI是世界上廣泛使用的32位嵌入式RISC處理器，是目前用于低端的ARM處理器核。它的高性能，低功耗，廉價和精簡的程序代碼一直是市場上的領(lǐng)先者。ARM公司研發(fā)了針對ARM圖形化的編譯器，連接器和調(diào)試器，這為整個嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試提供了較好的環(huán)境。Samsung S3C44B0微處理器是三星公司提供的高性價比和高性能的微控制器解決方案，它使用ARM7TDMI核，從SamsungS3C4510B停產(chǎn)后，SamsungS3C44B0X更成為同類芯片的主流。

現(xiàn)今許多嵌入式系統(tǒng)要實現(xiàn)復雜的功能都需要操作系統(tǒng)支持，有了操作系統(tǒng)的支持，編寫特定的應用程序就比較容易了。本文以uClinux最新源代碼包為基礎(chǔ)，修改代碼以適合S3C44B0X的系統(tǒng)，包括啟動程序bootloader，Linux內(nèi)核源代碼修改，根文件系統(tǒng)的定制。

二、硬件架構(gòu)

一個最小的嵌入式系統(tǒng)包括以下幾個部分：CPU、SDRAM、FLASH。但為了調(diào)試方便本文介紹的系統(tǒng)帶了網(wǎng)口和串口，網(wǎng)口用于傳輸數(shù)據(jù)大批量數(shù)據(jù)，串口用于傳輸字符數(shù)據(jù)，這樣就可以和主機通信了。硬件框圖如圖1所示。

系統(tǒng)實驗板主要芯片(CPU，UART，F(xiàn)LASH(ROM)，ETHERNETSDRAM)，管腳連接如圖2所示。

圖2 S3C44B0X與SDRAM，F(xiàn)lash，以太網(wǎng)口，串口的連接圖

三、軟件架構(gòu)

基于uClinux的嵌入式系統(tǒng)軟件一般由三部分構(gòu)成：啟動程序(bootloader)、內(nèi)核文件(kernel)、根文件系統(tǒng)(rootfs)。uClinux源代碼包含程序庫，Linux內(nèi)核和根文件系統(tǒng)所需要的應用程序源代碼，而啟動程序要自己編寫。

啟動程序先初始化CPU，然后引導uClinux操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)引導起來后會加載根文件系統(tǒng)，加載根文件系統(tǒng)有幾種方式，這里采用blockmemory技術(shù)(可以避免在啟動時傳遞內(nèi)核rootfs位置的參數(shù))。根文件系統(tǒng)使用romfs文件系統(tǒng)，這種文件系統(tǒng)相對簡單，很適合嵌入式系統(tǒng)的應用。這三部分在FLASH和內(nèi)存的分配地址如圖3和圖4所示。

最難調(diào)試的部分應該是啟動程序部分;對于以后的內(nèi)核可以根據(jù)串口輸出的錯誤信息來判斷。筆者采用ARM公司的調(diào)試工具AXD來調(diào)試bootloader。

1.啟動程序(bootloader)

bootloader有兩大功能：初始化CPU和引導Linux內(nèi)核(采用將壓縮內(nèi)核拷貝到內(nèi)存解壓方法，這樣可以加快啟動速度)。

(1)初始化CPU

1)中斷向量

ARM要求中斷向量表必須放置在從0地址開始，連續(xù)8×4字節(jié)的空間內(nèi)。每當一個中斷發(fā)生以后，ARM處理器便強制把PC指針置為向量表中對應中斷類型的地址值。因為每個中斷只占據(jù)向量表中1個字的存儲空間，只能放置一條ARM指令，使程序跳轉(zhuǎn)到存儲器的其他地方，再執(zhí)行中斷處理。

所以0地址開始的地方，分配為flash的空間，在0地址開始處放中斷向量，作為uClinux的啟動代碼，實現(xiàn)方式如下：

b reset

add pc,pc,#0x0c000000

add pc,pc,#0x0c000000

add pc,pc,#0x0c000000

add pc,pc,#0x0c000000

add pc,pc,#0x0c000000

add pc,pc,#0x0c000000

add pc,pc,#0x0c000000

0x0c000000為內(nèi)存起始地址，uClinux將中斷向量放入地址0x0c000008，因為cpu發(fā)生中斷時仍然會跳轉(zhuǎn)到0地址處的中斷向量表中去，所以此處要修改中斷向量表的地址，使程序能正確跳轉(zhuǎn)到uClinux實現(xiàn)的中斷向量處。由于ARM系統(tǒng)的三級流水線技術(shù)，當程序執(zhí)行到x地址處，pc指針的值其實等于x+8。

在uClinux中相關(guān)代碼如下：

#ifdef CONFIG_ARCH_S3C44B0

#undef vectors_base()

#define vectors_base() (0x0c000008)

#endif

add pc,pc,#0x0c000000這條語句將會有8的偏移量，當pc等于0時，這條指令的執(zhí)行結(jié)果為pc=0x0c000008。

2)中斷處理

這段reset代碼放在flash中。這樣系統(tǒng)每次復位后，會執(zhí)行flash上的reset代碼。

初始化存儲器系統(tǒng) 初始化堆棧

在初始化堆棧時應該特別注意，堆棧指針地位置一定不能和其他程序的地址相沖突，否則程序很容易異常。 初始化有特殊要求的端口，設(shè)備 初始化用戶程序執(zhí)行環(huán)境 改變處理器模式 調(diào)用主應用程序

(2)引導Linux內(nèi)核

主應用程序里放操作系統(tǒng)引導程序的代碼，一般此處應該傳遞給Linux內(nèi)核啟動參數(shù)(如ramdisk的位置等)，但程序加載內(nèi)核使用blockmemory技術(shù)，所以不用傳遞參數(shù)來加載根文件系統(tǒng)rootfs。只要將Linux內(nèi)核和rootfs從flash(如圖1)拷貝到內(nèi)存中相應位置(如圖2)。拷貝完成后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核入口地址處執(zhí)行。具體方法是用將壓縮內(nèi)核的地址轉(zhuǎn)換成函數(shù)的指針，并傳遞處理器號ARCH_NUMBER。這在uClinux內(nèi)核源代碼的目錄文件uClinux-dsit/linux2.4.x uClinux-dsit/linux2.4.x/arch/armnommu/tools/Match-types中定義：

s3c44b0 ARCH_S3C44B0 S3C44B0 178

2.uClinux系統(tǒng)內(nèi)核

uClinux的官方網(wǎng)站發(fā)布的最新uClinux移植包是uclinux-dist-20040408，它包含了三星S3C4510B的源代碼，可以將它移植到S3C44B0平臺下。具體內(nèi)核源代碼的改動如下(其中出現(xiàn)的內(nèi)存地址可以參考圖4)。

(1)Linux內(nèi)核編譯配置選項

文件uClinux-distvendorsSamsungS3C44B0config.linux-2.4.x中：

#System Type

CONFIG_ARCH_MBA44B0=y

CONFIG_NO_PGT_CACHE=y

CONFIG_CPU_32=y

CONFIG_CPU_ARM710=y

CONFIG_CPU_WITH_CACHE=y

CONFIG_SERIAL_44B0=y

DRAM_BASE=0x0c000000#SDRAM起始地址

DRAM_SIZE=Ox01000000#SDRAM大小16M

FLASH_MEM_BASE=0x00000000#FLASH起始地址

FLASH_SIZE=0x00200000 #FLASH大小2M

以后的make都以CONFIG_ARCH_S3C44B0=y這選項來解決是編譯和$3C4480相關(guān)的其他選項。

(2)處理器MAKEFILE文件

文件uClinux-dsit/linux2.4.x/arch/armnommu/Makefie中：

ifeq($(CONFIG_ARCH_S3C44B0),y)

TEXTADDR=0x0c008000

MACHINE=s3c44bO

endif

TEXTADDR=0x0c008000#表明未壓縮的內(nèi)核的位置

uClinux-dsit/linux2.4.x/arch/armnommu/boot/Makefie：

ifeq($(CONFIG_ARCH_S3C44B0),y)

ZRELADDR =0x0c008000

ZTEXTADDR =0x0c300000

endif

ZRELADDR=0x0c008000#表明未壓縮的內(nèi)核的位置

ZTEXTADDR=0x0c300000#表明壓縮內(nèi)核的位置

(3)中斷向量地址

文件uClinux-dsit/linux2.4.x/include/asm-armnommu/proc-armv/system.h中

#ifdef CONFIG_ARCH_S3C44B0

#undef vectors_base()

#define vectors_base()(0x0c000008)

#endif

內(nèi)存地址為0x0e000008的原因在啟動程序一處已經(jīng)提到過。

(4)處理器基本參數(shù)和類型

文件uClinux-dsit/linux2.4.x/arch/armnommu/machs3c44b0/arch.c中

MACHINE_START(MBA44B0,"S3C4480")

MAINTAINER("MacWang")

BOOT_MEM(0x0c000000,0x01c00000,0x01c00000)

BOOT_PARAMS(0x0c000100)

INITIRQ(genarch_init_irq)

MACHINE_END

其中MACHINE_START(MBA44B0,"S3C44B0")的"MBA4480"是在asm/mach-types.h里定義的平臺類型

BOOT_MEM(0x0c000000，0x01c00000，0x01c00000)指定了啟動的RAM地址0x0c000000，特殊功能寄存器地址0x01c00000，BOOT_PARAMS(0x0c000100)表示內(nèi)核參數(shù)的傳遞地址。

文件uClinux-dsit/linux2.4.x/arch/armnommu/tools/Match-types中：

s3c44b0 ARCH_S3C44B0 S3C44B0 178

178是arch_number

在跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核時，r0=0，r1=arch_number

(5)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動

這里采用的芯片是RTL8019AS，數(shù)據(jù)寬度用的是8位，它和ne2000兼容，所以只要修改ne2000的源代碼(I/O起始地址、中斷向量號、數(shù)據(jù)寬度)就可以實現(xiàn)網(wǎng)口的驅(qū)動了。

文件uClinux-dsit/linux2.4.x/driver/net/ne.e中：

dev->base_addr=base_addr=NE2000_ADDR;

dev->irq=NE2000_IRQ_VECTOR;

NE2000_ADDR和NE2000IRQ_VECTOR分別是RTL8019AS的I/O起始地址和中斷向量號，根據(jù)硬件連接改成相應的值。ne_probel函數(shù)中wordlength=2代表數(shù)據(jù)寬度為16位，改為wordlength=1代表數(shù)據(jù)寬度為8位。

(6)用blockmemory指定地址

對rootfs的加載一般有兩種方式，用initrd技術(shù)和blockmemory。這里用blockmemory技術(shù)指定romfs的地址。(makemenuconfig時選定romfs和romdisksupport)

文件uClinux-dsit/linux2.4.x/driver/block/Blkmem.c中：

arena[]={

#ifdef CONFIG_ARCH_S3C44B0

{0,0x0CC00000,-1},

#endif

這樣只要將mmfs加載到相應的地址0x0CC00000，內(nèi)核就可以找到。

修改完成后，編譯內(nèi)核(make menconfig)時要選擇支持ramdisk和blkmem。ne2000網(wǎng)卡驅(qū)動，romfs和ramfs文件系統(tǒng)，TCP/IP協(xié)議的項。

3.根文件系統(tǒng)(rootfs)

uClinux源代碼包里有直接生成rootfs的工具，它所采用的是romfs格式的文件系統(tǒng)。

定制romfs時選擇一些基本的shell命令，包括文件系統(tǒng)的一些命令，用戶可根據(jù)需要選擇自己需要的命令。筆者選擇了telnet服務(wù)器程序(有利于從遠程主機登錄到系統(tǒng)上)，ftp服務(wù)器和客戶端命令等網(wǎng)絡(luò)程序。

最后要結(jié)合自己的應用來編寫一個uClinux操作系統(tǒng)下的應用程序。有了uClinux操作系統(tǒng)的支持，應用程序的編寫就比較容易了。嵌入式uClinux系統(tǒng)下的應用程序和PC機上Linux系統(tǒng)下的編程相似，區(qū)別只是調(diào)用的庫函數(shù)不一樣。PC機上調(diào)試程序比較容易，可以先在PC機上調(diào)試代碼，再從X86機移植程序到ARM處理器。在移植過程種應注意內(nèi)存奇地址問題，在X86機上將4字節(jié)長的數(shù)據(jù)存放在一個內(nèi)存奇地址上一般不會有問題，但在ARM處理器執(zhí)行時就會產(chǎn)生異常。在Linux下有各種開源的代碼，它們功能都比較完善，只要移植到uClinux下就可以了。這大大地增加了嵌入式系統(tǒng)地開發(fā)效率。

在uClinux-dist源代碼包的usr目錄下增加自己的程序文件夾，該文件夾內(nèi)存放所需的程序和MAKEFILE文件。因為上一級目錄的MAKEFILE會對子文件夾內(nèi)的每個文件夾調(diào)用MAKE，所以在上層目錄編譯romfs時，就可以把這個程序放入根文件系統(tǒng)中。

最后把以上三個步驟生成的二進制文件用燒寫FLASH工具分別燒寫在如圖3所示的flash地址處，就可以在嵌入式系統(tǒng)上運行一個帶網(wǎng)絡(luò)功能的uClinux操作系統(tǒng)了。

四、結(jié)語

本文根據(jù)筆者所用的嵌入式實驗板為平臺構(gòu)建uClinux軟件平臺，在不同的S3C44B0X嵌入式系統(tǒng)中，根據(jù)硬件和應用的不同，可以更改相應的地方