嵌入式uCLinux内核启动过程分析与设计(ZT)

 

摘要：本文介绍了ARM＋uCLinux嵌入式系统的结构，重点分析了uCLinux操作系统启动引导过程，给出了基于一种实际应用系统如何设计uCLinux启动代码。该方法已成功应用于实际系统中。
关键词：ARM  uCLinux  启动引导

0 引言
    32位ARM嵌入式处理器具有高性能、低功耗、高性价比的特性，已被广泛应用于消费电子产品、无线通信、控制和网络通信等领域。uCLinux是专门为无MMU处理器设计的嵌入式操作系统，已支持ARM、Motorola等微处理器。目前采用ARM＋uCLinux作为嵌入式系统的一种开发模式非常普遍。
    一个基于uCLinux的完整的嵌入式系统由三个部分组成，即系统引导程序Bootloader、uCLinux操作系统内核和文件系统。嵌入式系统的启动引导技术是嵌入式系统开发的一个难点，系统启动引导的成功与否决定了应用程序的运行环境是否能正确建立，系统启动成功是应用正确运行的前提。而uCLinux内核的启动过程也是其中重要一环，分析uCLinux的启动过程，可以加快系统启动速度、正确建立应用环境。本文要研究的就是uCLinux操作系统内核的启动过程。

1 系统简介
    本系统采用SamSung公司的Arm7TDMI内核的S3C4510B处理器，主要利用其强大的网络功能，与PC机进行网络通信。该系统的主要功能是利用串口监测一种智能电表，将获得的数据通过Internet传给PC机，由PC机再做进一步的处理，将最终结果呈现给用户。
    硬件平台包括一个以ARM为内核的处理器、存储器使用2MB的Flash和16MB的SDRAM，外部接口除了通信的串口，还外接了一个以太网接口，以支持S3C4510B的网络功能。软件平台由以下部分组成：系统引导程序Bootloader、嵌入式操作系统内核、文件系统。
    根据内核是否压缩以及内核是否在本地执行，uCLinux通常有两种启动方式：flash本地执行方式和压缩内核加载方式。本系统采用第二种启动方案，即内核的压缩映象固化到flash上，系统启动时在内存中解压，然后在内存中执行，这种启动方式相比第一种方式运行速度更快。

2 uCLinux内核启动过程的实现
    可将ARM＋uCLinux系统的启动过程总结为以下几个阶段：（1）PC指向复位地址入口处，即0x0H处的Bootloader代码。Bootloader完成一些基本的初始化，将系统的软硬件环境带到一个合适的状态；（2）Bootloader将控制权交给操作系统内核的引导程序后，开始uCLinux内核的加载；（3）uCLinux内核加载引导完成，启动init进程，完成系统的引导过程。
    本系统的启动方案采用uCLinux自带的引导程序加载内核。在内核启动过程中主要调用这几个文件：head.S（在/linux-2.4.x/arch/armnommu/boot/compressed/目录下）、main.c（在/linux-2.4.x/init/init/目录下）、simpleinit.c（在/user/init/目录下）[1]。实际应用中应根据硬件平台和系统功能，修改相关文件，以正确地引导系统。
    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，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，另外内核的加载还须知道系统的硬件信息，该硬件信息在hardware.h中定义并被head.S所引用。本系统中内核的启动流程如图1所示。

    本系统中，head.S首先配置S3C4510B的系统寄存器SYSCFG、初始化系统的Flash、SDRAM以及总线控制寄存器，将Flash和SDRAM的地址范围分别设置为0x0-0x1fffff和0x1000000-0x1ffffff；根据本系统的功能特点，重新定义了中断优先级以及I/O口的配置；为了提高内核的运行速度，将2M的内核映像文件从Flash拷贝到SDRAM；通过操作一些系统寄存器，进行系统的存储器重映射，将Flash和SDRAM的地址区间分别重映射为0x1000000-0x11fffff和0x0-0xffffff；然后初始化系统堆栈；接着调用misc.c中的函数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，调用call_kernel函数实际上是执行main.c中的start_kernel函数，该函数完成的功能包括处理器结构的初始化、中断的初始化、定时器的初始化、进程相关的初始化以及内存初始化等初始化工作；最后内核创建一个init线程，在该线程中调用init进程，完成系统的启动[1][2]。
    值得再次注意的是，在内核启动过程中，调用了在文件hardware.h中定义的与硬件有关的信息。基于Linux的嵌入式系统的启动是严重依赖于硬件平台的，在内核启动引导前，必须根据硬件平台和系统功能，修改必要的文件[2]。本系统中就修改了hardware.h中的flash、SDRAM的控制寄存器ROMCON0、DRAMCON0和SYSCFG等。
    uCLinux启动时，运行一个叫做init的程序，它是由操作系统启动的用户级进程，由它来启动后面的任务，包括多用户环境、网络等。init进程的行为是在函数simpleinit.c中定义的，所以可根据系统的功能定制init进程的行为，如在本系统中加入了串口控制程序，还可以利用printk函数打印出必要的调试信息。当init进程启动时，它读取一个运行控制文件rc和一个配置文件inittab。在嵌入式应用中，一般需要在操作系统运行起来后立刻运行用户的特定程序，为此可考虑修改这两个文件。本系统中就是恰当地修改了inittab文件和rc文件，以使系统启动后即运行一些特定进程。在程序inittab.c中修改inittab文件，然后通过向init进程发送SIGHUP信号，即kill(1,SIGHUP)，使init进程重新读取配置文件inittab[3]。
inittab.c文件中的部分代码如下：
FILE *pFile;
if((pFile=fopen("/etc/inittab","w"))!=NULL){
    fprintf(pFile,"pollmeter:unknown:/bin/pollmeter/r/n");
    fprintf(pFile,"netcomm:unknown:/bin/netcomm/r/n");
……
}
......
kill(1,SIGHUP);  //init进程的ID等于1
……
    在启动过程中还有一个重要的链接脚本文件，在该文件中指明了内核的入口地址。
    总之，uCLinux的启动过程也较复杂，其中要调用许多文件，要能正确的启动uCLinux操作系统，就必须根据硬件平台和系统功能，修改相关的源代码文件。

3 结束语
本文分析了内核的启动引导过程，并根据应用系统的特点修改了启动代码以及必要的相关文件，完成了uCLinux内核的正确引导。实际应用表明，本系统的启动设计正确可靠。本文的分析设计方法对嵌入式Linux的开发有很大的借鉴价值，相信Linux在嵌入式系统中的应用一定会越来越广[4]。

参考文献：
[1] uCLinux内核源代码包20040408，内核版本2.4.18
[2]《ARM应用系统开发详解：基于S3C4510B的系统设计》李驹光 清华大学出版社
[3]《unix进程间通信》[美] John Shapley Gray 著 张宁 等译 电子工业出版社
[4]《基于Linux嵌入式系统的研究与实现》计算机系统应用 2004.8
[5]《基于Linux的嵌入式系统的启动设计》电子科技2004.6