ARM地最小系統(tǒng)構(gòu)架

實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案S3C44B0X 的最小系統(tǒng)構(gòu)架一、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(jià)和精簡(jiǎn)的程序代碼一直是市場(chǎng)上的領(lǐng)先者。 ARM公司研發(fā)了針對(duì) ARM圖形化的編譯器， 連接器和調(diào)試器， 這為整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試提供了較好的環(huán)境。 SamsungS3C44B0 微處理器是三星公司提供的高性價(jià)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?，F(xiàn)今許多嵌入式系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)復(fù)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(yīng)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(dòng)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(gè)最小的嵌入式系統(tǒng)包括以下幾個(gè)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(jī)通信了。硬件框圖如圖 1所示。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案圖1系統(tǒng)硬件框圖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)板主要芯片 (CPU，UART，F(xiàn)LASH(ROM) ，ETHERNETSDRAM) ，管腳連接如圖2所示。圖2S3C44B0X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：?jiǎn)?dòng)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(yīng)用程序源代碼，而啟動(dòng)程序要自己編寫。啟動(dòng)程序先初始化 CPU，然后引導(dǎo) uClinux 操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)引導(dǎo)起來后會(huì)加載根文精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案件系統(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(dòng)時(shí)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(duì)簡(jiǎn)單， 很適合嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。這三部分在 FLASH和內(nèi)存的分配地址如圖 3和圖4所示。圖3flash地址分配圖4內(nèi)存地址分配最難調(diào)試的部分應(yīng)該是啟動(dòng)程序部分；對(duì)于以后的內(nèi)核可以根據(jù)串口輸出的錯(cuò)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 。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案1.啟動(dòng)程序(bootloader)bootloader 有兩大功能：初始化CPU和引導(dǎo)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(dòng)速度 )。初始化CPU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(dāng)一個(gè)中斷發(fā)生以后，ARM處理器便強(qiáng)制把 PC指針置為向量表中對(duì)應(yīng)中斷類型的地址值。因?yàn)槊總€(gè)中斷只占據(jù)向量表中 1個(gè)字的存儲(chǔ)空間， 只能放置一條 ARM指令，使程序跳轉(zhuǎn)到存儲(chǔ)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(dòng)代碼，實(shí)現(xiàn)方式如下：b resetaddpc,pc,#0x0c000000addpc,pc,#0x0c000000addpc,pc,#0x0c000000addpc,pc,#0x0c000000addpc,pc,#0x0c000000addpc,pc,#0x0c000000addpc,pc,#0x0c0000000x0c000000 為內(nèi)存起始地址， uClinux 將中斷向量放入地址 0x0c000008 ，因?yàn)閏pu發(fā)生中斷時(shí)仍然會(huì)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(shí)現(xiàn)的中斷向量處。 由于ARM系統(tǒng)的三級(jí)流水線技術(shù)， 當(dāng)程精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案序執(zhí)行到x地址處，pc指針的值其實(shí)等于 x+8。在uClinux 中相關(guān)代碼如下：#ifdefCONFIG_ARCH_S3C44B0#undefvectors_base()#definevectors_base()(0x0c000008)#endifaddpc,pc,#0x0c000000 這條語句將會(huì)有 8的偏移量，當(dāng) pc等于0時(shí)，這條指令的執(zhí)行結(jié)果為 pc=0x0c000008 。中斷處理這段reset代碼放在 flash中。這樣系統(tǒng)每次復(fù)位后，會(huì)執(zhí)行 flash上的reset代碼。初始化存儲(chǔ)器系統(tǒng)初始化堆棧在初始化堆棧時(shí)應(yīng)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(yīng)用程序引導(dǎo)Linux內(nèi)核主應(yīng)用程序里放操作系統(tǒng)引導(dǎo)程序的代碼， 一般此處應(yīng)該傳遞給 Linux內(nèi)核啟動(dòng)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)來加載精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案根文件系統(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(yīng)位置 (如圖2)?？截愅瓿珊筇D(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(hào)ARCH_NUMBER。這在uClinux內(nèi)核源代碼的目錄文件中定義：s3c44b0ARCH_S3C44B0S3C44B01782.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(tái)下。具體內(nèi)核源代碼的改動(dòng)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(xiàng)文件 中：#SystemTypeCONFIG_ARCH_MBA44B0=yCONFIG_NO_PGT_CACHE=yCONFIG_CPU_32=yCONFIG_CPU_ARM710=yCONFIG_CPU_WITH_CACHE=yCONFIG_SERIAL_44B0=yDRAM_BASE=0x0c000000#SDRAM 起始地址DRAM_SIZE=Ox01000000#SDRAM 大小16M精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案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(xiàng)來解決是編譯和 $3C4480 相關(guān)的其他選項(xiàng)。(2)處理器MAKEFILE文件文件 中：ifeq($(CONFIG_ARCH_S3C44B0),y)TEXTADDR=0x0c008000MACHINE=s3c44bOendifTEXTADDR=0x0c008000# 表明未壓縮的內(nèi)核的位置 ：ifeq($(CONFIG_ARCH_S3C44B0),y)ZRELADDR =0x0c008000ZTEXTADDR =0x0c300000endifZRELADDR=0x0c008000# 表明未壓縮的內(nèi)核的位置ZTEXTADDR=0x0c300000# 表明壓縮內(nèi)核的位置中斷向量地址文件 中#ifdefCONFIG_ARCH_S3C44B0#undefvectors_base()精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案#definevectors_base()(0x0c000008)#endif內(nèi)存地址為 0x0e000008 的原因在啟動(dòng)程序一處已經(jīng)提到過。處理器基本參數(shù)和類型文件 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(tái)類型BOOT_MEM(0x0c000000 ，0x01c00000 ，0x01c00000) 指定了啟動(dòng)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 中：s3c44b0ARCH_S3C44B0S3C44B0178178是arch_number在跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核時(shí)， r0=0，r1=arch_number網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)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，所以只要精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案修改ne2000 的源代碼(I/O起始地址、中斷向量號(hào)、數(shù)據(jù)寬度 )就可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)口的驅(qū)動(dòng)了。文件 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(hào)，根據(jù)硬件連接改成相應(yīng)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(duì)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(shí)選定romfs 和romdisksupport)文件 中：arena[]={#ifdefCONFIG_ARCH_S3C44B0{0,0x0CC00000,-1},#endif這樣只要將 mmfs 加載到相應(yīng)的地址 0x0CC00000 ，內(nèi)核就可以找到。修改完成后，編譯內(nèi)核(makemenconfig) 時(shí)要選擇支持 ramdisk 和blkmem 。ne2000網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)，romfs 和ramfs 文件系統(tǒng)，TCP/IP協(xié)議的項(xiàng)。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)。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案定制romfs 時(shí)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(yuǎn)程主機(jī)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(yīng)用來編寫一個(gè) uClinux 操作系統(tǒng)下的應(yīng)用程序。有了 uClinux 操作系統(tǒng)的支持，應(yīng)用程序的編寫就比較容易了。 嵌入式uClinux 系統(tǒng)下的應(yīng)用程序和 PC機(jī)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(jī)上調(diào)試程序比較容易，可以先在PC機(jī)上調(diào)試代碼，再從X86機(jī)移植程序到 ARM處理器。在移植過程種應(yīng)注意內(nèi)存奇地址問題，在 X86機(jī)上將4字節(jié)長的數(shù)據(jù)存放在一個(gè)內(nèi)存奇地址上一般不會(huì)有問題，但在ARM處理器執(zhí)行時(shí)就會(huì)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?yàn)樯弦患?jí)目錄的MAKEFILE會(huì)對(duì)子文件夾內(nèi)的每個(gè)文件夾調(diào)用MAKE，所以在上層目錄編譯 romfs 時(shí)，就可以把這個(gè)程序放入根文件