S3C44B0X的最小系统构架

liyf

  
         
    一、前言
   
       ARM7tdMI是世界上广泛使用的32位嵌入式RISC处理器，是目前用于低端的ARM处理器核。它的高性能，低功耗，廉价和精简的程序代码一直是市场上的领先者。
       ARM公司研发了针对ARM图形化的编译器，连接器和调试器，这为整个嵌入式系统的开发调试提供了较好的环境。Samsung S3C44B0微处理器是三星公司提供的高性价比和高性能的微控制器解决方案，它使用ARM7tdMI核，从SamsungS3C4510B停产后，SamsungS3C44B0X更成为同类芯片的主流。
   
       现今许多嵌入式系统要实现复杂的功能都需要操作系统支持，有了操作系统的支持，编写特定的应用程序就比较容易了。本文以uClinux最新源代码包为基础，修改代码以适合S3C44B0X的系统，包括启动程序bootloader，Linux内核源代码修改，根文件系统的定制。
      二、硬件架构
   
        一个最小的嵌入式系统包括以下几个部分：CPU、SDRAM、FLASH。但为了调试方便本文介绍的系统带了网口和串口，网口用于传输数据大批量数据，串口用于传输字符数据，这样就可以和主机通信了。硬件框图如图1所示。




                                                 图1系统硬件框图
   
        系统实验板主要芯片(CPU，UART，FLASH(ROM)，ETHERNETSDRAM)，管脚连接如图2所示。




                       图2 S3C44B0X与SDRAM，Flash，以太网口，串口的连接图
        三、软件架构
   
        基于uClinux的嵌入式系统软件一般由三部分构成：启动程序(bootloader)、内核文件(kernel)、根文件系统(rootfs)。uClinux源代码包含程序库，Linux内核和根文件系统所需要的应用程序源代码，而启动程序要自己编写。
   
       启动程序先初始化CPU，然后引导uClinux操作系统，操作系统引导起来后会加载根文件系统，加载根文件系统有几种方式，这里采用blockmemory技术(可以避免在启动时传递内核rootfs位置的参数)。根文件系统使用romfs文件系统，这种文件系统相对简单，很适合嵌入式系统的应用。这三部分在FLASH和内存的分配地址如图3和图4所示。




                                                     图3 flash地址分配




                                                          图4内存地址分配
   
        最难调试的部分应该是启动程序部分；对于以后的内核可以根据串口输出的错误信息来判断。笔者采用ARM公司的调试工具AXD来调试bootloader。
        1.启动程序(bootloader)
   
        bootloader有两大功能：初始化CPU和引导Linux内核(采用将压缩内核拷贝到内存解压方法，这样可以加快启动速度)。

       (1)初始化CPU
   
       1)中断向量
   
       ARM要求中断向量表必须放置在从0地址开始，连续8×4字节的空间内。每当一个中断发生以后，ARM处理器便强制把PC指针置为向量表中对应中断类型的地址值。因为每个中断只占据向量表中1个字的存储空间，只能放置一条ARM指令，使程序跳转到存储器的其他地方，再执行中断处理。
   
        所以0地址开始的地方，分配为flash的空间，在0地址开始处放中断向量，作为uClinux的启动代码，实现方式如下：
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为内存起始地址，uClinux将中断向量放入地址0x0c000008，因为cpu发生中断时仍然会跳转到0地址处的中断向量表中去，所以此处要修改中断向量表的地址，使程序能正确跳转到uClinux实现的中断向量处。由于ARM系统的三级流水线技术，当程序执行到x地址处，pc指针的值其实等于x+8。
  
       在uClinux中相关代码如下：
#ifdef CONFIG_ARCH_S3C44B0
#undef vectors_base()
#define vectors_base() (0x0c000008)
#endif
  add pc,pc,#0x0c000000这条语句将会有8的偏移量，当pc等于0时，这条指令的执行结果为pc=0x0c000008。
   
        2)中断处理
   
        这段reset代码放在flash中。这样系统每次复位后，会执行flash上的reset代码。
       初始化存储器系统
       初始化堆栈
  在初始化堆栈时应该特别注意，堆栈指针地位置一定不能和其他程序的地址相冲突，否则程序很容易异常。
初始化有特殊要求的端口，设备
初始化用户程序执行环境
改变处理器模式
调用主应用程序
       (2)引导Linux内核
   
       主应用程序里放操作系统引导程序的代码，一般此处应该传递给Linux内核启动参数(如ramdisk的位置等)，但程序加载内核使用blockmemory技术，所以不用传递参数来加载根文件系统rootfs。只要将Linux内核和rootfs从flash(如图1)拷贝到内存中相应位置(如图2)。拷贝完成后跳转到内核入口地址处执行。具体方法是用将压缩内核的地址转换成函数的指针，并传递处理器号ARCH_NUMBER。这在uClinux内核源代码的目录文件uClinux-dsit/linux2.4.x uClinux-dsit/linux2.4.x/arch/armnommu/tools/Match-types中定义：
s3c44b0 ARCH_S3C44B0 S3C44B0 178
       2.uClinux系统内核

       uClinux的官方网站发布的最新uClinux移植包是uclinux-dist-20040408，它包含了三星S3C4510B的源代码，可以将它移植到S3C44B0平台下。具体内核源代码的改动如下(其中出现的内存地址可以参考图4)。
   
       (1)Linux内核编译配置选项
    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这选项来解决是编译和$3C4480相关的其他选项。
   
     (2)处理器MAKEFILE文件
    文件uClinux-dsit/linux2.4.x/arch/armnommu/Makefie中：
  ifeq($(CONFIG_ARCH_S3C44B0),y)
TEXTADDR=0x0c008000
MACHINE=s3c44bO
endif
TEXTADDR=0x0c008000#表明未压缩的内核的位置
uClinux-dsit/linux2.4.x/arch/armnommu/boot/Makefie：
  ifeq($(CONFIG_ARCH_S3C44B0),y)
  ZRELADDR  =0x0c008000
  ZTEXTADDR  =0x0c300000
  endif   
ZRELADDR=0x0c008000#表明未压缩的内核的位置
ZTEXTADDR=0x0c300000#表明压缩内核的位置
   
      (3)中断向量地址
    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
    内存地址为0x0e000008的原因在启动程序一处已经提到过。
   
       (4)处理器基本参数和类型
    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里定义的平台类型
BOOT_MEM(0x0c000000，0x01c00000，0x01c00000)指定了启动的RAM地址0x0c000000，特殊功能寄存器地址0x01c00000，BOOT_PARAMS(0x0c000100)表示内核参数的传递地址。
   
        文件uClinux-dsit/linux2.4.x/arch/armnommu/tools/Match-types中：
    s3c44b0 ARCH_S3C44B0 S3C44B0 178
    178是arch_number
    在跳转到内核时，r0=0，r1=arch_number
   
        (5)网络驱动
   
         这里采用的芯片是RTL8019AS，数据宽度用的是8位，它和ne2000兼容，所以只要修改ne2000的源代码(I/O起始地址、中断向量号、数据宽度)就可以实现网口的驱动了。
    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分别是RTL8019AS的I/O起始地址和中断向量号，根据硬件连接改成相应的值。ne_probel函数中wordlength=2代表数据宽度为16位，改为wordlength=1代表数据宽度为8位。
   
        (6)用blockmemory指定地址
    对rootfs的加载一般有两种方式，用initrd技术和block memory。这里用blockmemory技术指定romfs的地址。(makemenuconfig时选定romfs和romdisksupport)
    文件uClinux-dsit/linux2.4.x/driver/block/Blkmem.c中：
  arena[]={
  #ifdef CONFIG_ARCH_S3C44B0
  {0,0x0CC00000,-1},
  #endif
   
        这样只要将mmfs加载到相应的地址0x0CC00000，内核就可以找到。
   
        修改完成后，编译内核(make menconfig)时要选择支持ramdisk和blkmem。ne2000网卡驱动，romfs和ramfs文件系统，TCP/IP协议的项。
        3.根文件系统(rootfs)
   
         uClinux源代码包里有直接生成rootfs的工具，它所采用的是romfs格式的文件系统。
   
         定制romfs时选择一些基本的shell命令，包括文件系统的一些命令，用户可根据需要选择自己需要的命令。笔者选择了telnet服务器程序(有利于从远程主机登录到系统上)，ftp服务器和客户端命令等网络程序。
   
        最后要结合自己的应用来编写一个uClinux操作系统下的应用程序。有了uClinux操作系统的支持，应用程序的编写就比较容易了。嵌入式uClinux系统下的应用程序和PC机上Linux系统下的编程相似，区别只是调用的库函数不一样。PC机上调试程序比较容易，可以先在PC机上调试代码，再从X86机移植程序到ARM处理器。在移植过程种应注意内存奇地址问题，在X86机上将4字节长的数据存放在一个内存奇地址上一般不会有问题，但在ARM处理器执行时就会产生异常。在Linux下有各种开源的代码，它们功能都比较完善，只要移植到uClinux下就可以了。这大大地增加了嵌入式系统地开发效率。
   
         在uClinux-dist源代码包的usr目录下增加自己的程序文件夹，该文件夹内存放所需的程序和MAKEFILE文件。因为上一级目录的MAKEFILE会对子文件夹内的每个文件夹调用MAKE，所以在上层目录编译romfs时，就可以把这个程序放入根文件系统中。
   
        最后把以上三个步骤生成的二进制文件用烧写FLASH工具分别烧写在如图3所示的flash地址处，就可以在嵌入式系统上运行一个带网络功能的uClinux操作系统了。
        四、结语
   
        本文根据笔者所用的嵌入式实验板为平台构建uClinux软件平台，在不同的S3C44B0X嵌入式系统中，根据硬件和应用的不同，可以更改相应的地方，以适合自己系统的需要。把移植过程中最关键的地方列出，其他细节(例如uClinux的编译)限于篇幅不再赘述，可以作为移植S3C44B0X嵌入式uClinux系统的参考。
         
          [/td]
        [/tr]