ARM 4510开发板移植uclinux手记

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    我并没有为arm体系结构的处理器移植uclinux操作系统，因为这方面的关键工作已经有人做完了。我只是让uclinux操作系统在恒坚ARM4510开发板上跑起来了。

　　一、 熟悉开发板硬件构成和基本工作原理
     
　　恒坚ARM4510开发板选用32位的高性能三星4510微控制器、SST公司2Mx16bits的FLASH和现代公司的两片8Mx16bits的 SDRAM，共同构成了基本嵌入式硬件系统，属典型的嵌入式设备开发板，而且外围实验用件、开发及接口电路较为齐全。恒坚开发板自带的集成开发环境，易学易用，作为嵌入式软件编译入门和熟悉开发板硬件构成，还是不错的。在windows环境下，安装恒坚集成开发环境。然后，先跑恒坚开发板配的流水灯实验程序。从程序中，可以体会到几点：

　　1、 嵌入式软件构成
  
　　  嵌入式软件一般由一段汇编程序（init.s）和随后的C程序构成。汇编程序作为起始部分，被定位在0x0地址，这个地址是硬件系统上电后，首先执行的地址。汇编程序通过写微控制器的各个硬件寄存器，完成硬件的初始化，如配置SDRAM地址、数据线位数（8位、16位、32位）等，然后跳转到后面的C程序中运行。

　　2、 嵌入式硬件构成
   
　　 软、硬件是相互关联的。虽然用放大镜查板子、万用表量电路，都是熟悉“硬”构成的基础。这方面，可以查一下微控制器的32位数据线是如何与两片SDRAM的数据线相连的；还有低16位数据线与FLASH的16位数据线是如何相连的。
   
　　 通过软件编程，可以写数据到微控制器的寄存器中，以配置硬件结构、功能、性能等。比如，向微控制器的SDRAMCON0寄存器中写入 0x20040380，SDRAM的地址就映射在微控制器的存取地址区域0x1000000"0x2000000之间。如果再次向SDRAMCON0寄存器中写入0x10000380，则SDRAM的地址就映射到0x0"0x1000000之间了。同时配合改写FLASH（ROM）控制寄存器 ROMCON0的内容，可把FLASH由上电时的0x0地址，映射到0x1000000地址，这就是地址重映射（remap）原理。重映射的目的，是让程序能够在SDRAM中运行，而非FLASH中，其原因是多样的。
   
　　 以上硬件相关内容，可参考《ARM应用系统开发详解──基于S3C4510B的系统设计》一书的“应用系统设计与调试”一章，还有现代公司的SDRAM芯片数据资料、SST公司的FLASH芯片数据资料等。

　　3、 地址重映射的实现
   
　　在跑马灯实验程序中增加代码，可以实现地址重映射，并让程序在FLASH和SDRAM中循环跑动起来。
      
　　 在汇编部分(init.s)的BL  C_Entry 语句后，插入如下代码：
　　 ldr r0, =0x0          /* FLASH起始地址*/
　　 ldr r1, =0x200000   /* FLASH大小2M */
　　 ldr r2, =0x1000000    /*SDRAM起始地址*/
　　rom2ram_copy_loop:        /* copy image to ram*/
　　  ldr r3, [r0], #4   /*[r0]->r3, r0=r0+4*/
　　  str r3, [r2], #4   /*r3->[r2], r2=r2+4*/
　　  subs r1, r1, #4    /*r1=r1-4*/
　　  bne rom2ram_copy_loop /*将整个FLASH中的内容，全部拷贝到SDRAM中*/
　　 LDR r1, =rEXtdBWTH  /*设置外围各芯片与微控制器连结的数据线宽度（位）*/
　　 LDR r2, =rROMCON0_S  /*设置FLASH（ROM）起始（0x1000000）、结束地址*/
　　 LDR r3, =rROMCON1    /*设置第二片ROM，本系统没有，可忽略*/
　　 LDR r4, =rROMCON2   /*同上*/
　　 LDR r5, =rROMCON3   /*同上*/
　　 LDR r6, =rROMCON4       /*同上*/
　　 LDR r7, =rROMCON5       /*同上*/
　　LDR r8, =rSDRAMCON0_S  /*设置SDRAM起始（0x0）、结束地址*/
　　 LDR r9, =rSDRAMCON1    /*设置第二片SDRAM，本系统没有，可忽略*/
　　 LDR r10,=rSDRAMCON2    /*同上*/
　　 LDR r11,=rSDRAMCON3    /*同上*/
　　 LDR r12,=rSREFEXTCON    /*设置SDRAM刷新率及外部I/O组0的地址*/
　　 LDR r0, =EXtdBWTH       /*寄存器组的起始地址，0x3FF3010*/
   
　　STMIA r0, {r1-r12}  /* remap！[r1]->[r0], [r2]->[r0+4], [r3]->[r0+8]……*
　　/*把SDRAM的地址映射到0x0，FLASH则映射到0x1000000*/
　　BL      C_Entry   /*重映射后，再次循环走灯和闪烁*/
        另外，还须更改C代码主程序C_Entry()中的内容如下：
　　{
　　//while(1)   不再进入死循环
　　   //{
       ledRun(10);    //循环走灯10次
       shineled(5);   //闪烁5次
　　//}
　　}
    　用恒坚的集成编译环境编译并下载程序到开发板，观察同样的C程序在FLASH和SDRAM中运行时跑马灯的循环和闪烁速度是否不同。
   
　　 恒坚开发板还配有几个程序，如串口通信实验程序，LCD显示控制实验程序。这些程序都不大，很经典，值得花些时间认真研究一下。
     
　　最后需要说明，集成开发环境多用于编译简单的程序，如单循环前后台式的、编程量不大的应用程序。如果要实现多任务下的复杂调度，又要能简化软件设计和充分利用微控制器的高性能，就要嵌入操作系统了。在引入uclinux操作系统后，一般改用命令行式的编译工具，如arm-elf-gcc等，它们运行在 Linux操作系统之上，而非windows操作系统了。

　　二、 学用Linux操作系统
   
　　 因为免费和开源，在科研和开发领域，linux操作系统正在逐渐取代windows操作系统，成为个人计算机的主流操作系统。

　　1、 为（宿）主机安装linux操作系统
     
　　选择内核稳定的高版本linux操作系统，可以保证安装时对硬件设备的自动识别，更可保证以后编译和运行的可靠性。硬盘分区时，必须建立交换分区 (swap)，其大小是主机内存的两倍；还要有一个ext3分区挂载在linux系统根目录(\)下，它至少要有3G；条件许可，还可以建立一个100M 大小的分区，挂载在启动目录(\boot)下。选择工作站方式安装linux系统即可。

　　2、 uclinux与linux的不同
  
　　  uclinux源自linux，是对后者的裁减、精化，也有一些改动。后者多用于台式机，对硬件设备要求高。前者则多用于嵌入式设备中，毕竟嵌入式设备资源有限。

　　3、 其它虚拟操作系统
   
　　 有些建立在windows操作系统之上的或并行的虚拟linux环境，如cygwin，VM等，但它们并不适合初次移植uclinux操作系统到嵌入式设备时选用。如果选用它们，就必须更改uclinux系统源代码中的多份Makefile文件内容，以适应编译时从标准linux操作系统到其仿真环境的变化。

　　三、 建立交叉编译环境

　　1、 体系结构的概念
   
　　 大部分宿主机的cpu都是建立在X86体系结构上的，如intel或赛扬的cpu，也有其它体系结构的，但没有arm体系的，因为arm几乎是嵌入式设备专用的处理器体系结构了。三星4510微控制器是建立在arm体系结构之上的。体系结构的不同，确立了不同的指令系统，就像cpu使用不同的语言一样。无法想象英国人可以读懂俄文小说，同样，为X86体系的cpu编译的程序，也无法运行在arm体系结构的微控制器之中了。

　　宿主机上运行的linux 操作系统，是建立在X86体系结构上的。在linux操作系统上编译的程序，一般也是建立在X86体系上的。可以编写几个程序，用linux操作系统自带的编译工具gcc编译它们，如果没有语法错误，它们就都可以在宿主机上运行了。但要实现在宿主机上编写程序，编译后程序能在arm体系结构的嵌入式设备上运行，就需要一套特殊的“交叉”编译工具，如arm-elf-gcc等。所以，在linux操作系统的宿主机上编写程序，通过选用交叉编译工具arm- elf-gcc编译后，生成的可执行文件，就可以在arm体系结构的微控制器上运行了。这就是交叉编译的概念。

　　2、 建立交叉编译环境
   
　　 通过引入arm-elf-gcc等交叉编译工具，可以在宿主机上建立交叉编译环境。这样，在宿主机上编译的程序，就可以在arm体系结构的嵌入式设备上运行了。恒坚开发板自带的文件arm-elf-tools-20030314.sh，只要在linux环境下执行它，就可以建立起完整的交叉编译环境。

　　四、 编译和下载uclinux操作系统
  
　　  uclinux 操作系统已经被成功移植到许多微控制器上，其中也包括三星4510微控制器。移植后的uclinux操作系统源代码中含有微控制器外围电路的设置，如 SDRAM数据线的位数。有些嵌入式设备，同样是使用三星4510微控制器，却用一片现代公司的8Mx16bits的SDRAM，这样微控制器与 SDRAM的数据交换，就只用微控制器的低16位数据线。微控制器中的寄存器EXtdBWTH，用于配置每组（FLASH、SDRAM和外部I/O芯片等）的数据线的宽度。恒坚开发板上是用两块8Mx16bits的SDRAM拼成了32位数据线宽。
   
　　 恒坚开发板自带一套移植后的和压缩了的 uclinux操作系统源代码文件uClinux-dist-20030522.tar.gz，把它拷贝到宿主机linux操作系统的/home目录下，进入/home目录，并用tar xzvf uClinux-dist-20030522.tar.gz命令解压缩源代码文件，产生/home目录下的 /uClinux-dist子目录，此目录中含有编译uclinux操作系统的全部源文件。把恒坚开发板自带的压缩的补丁文件uClinux-dist- patch.tar.gz拷贝到/uClinux-dist子目录下。进入/uClinux-dist子目录，并用tar xzvf uClinux- dist-patch.tar.gz命令解压缩补丁文件，可释放出两个文件：mkpatch和uClinux-dist-20030522- helloworld.patch，执行./ mkpatch，既可对uclinux操作系统的源代码打补丁。打补丁的根本原因，是为了修正源代码中的硬件参数设置，如原移植源代码是为一片SDRAM、16位数据线宽做的，而恒坚的板子上是两片SDRAM，并通过高、低16位数据线的组合，构成32位的数据线宽度。这就需要改变寄存器EXtdBWTH的赋值。还有原移植源代码是为8M字节的SDRAM作的，而恒坚板上是16M字节的SDRAM，这又要改变寄存器SDRAMCON0的赋值了。
  
　　  打完补丁后，就可以在/uClinux-dist子目录下配置uclinux操作系统内核了。执行 make menuconfig，弹出的配置框中有四项内容。在第一项中配置设备（vendors）为Samsung/4510B，配置函数库为uC- lib，配置内核为linux-2.4.x。另三项可不动，保存后退出。然后顺序执行如下命令：make dep；make lib_only； make user_only；make romfs；make image；make。如果没有报告错误，在../uClinux- dist/linux-2.4.x/image子目录下，就会有三个文件。其中，image.ram是非压缩的uclinux操作系统内核，可以利用恒坚开发板自带的boot.bin(也就是一般所说的bootloader程序)，通过网口传送到SDRAM中。这样，uclinux操作系统即可在 SDRAM中跑起来了。image.rom则是压缩的uclinux操作系统内核，并包含硬件相关的头文件等。利用恒坚的集成开发环境，可以下载 image.rom到开发板的FLASH中，下载需要很长的时间。再次上电后，uclinux操作系统就在开发板上跑起来了。当然，通过开发板串口与宿主机串口联接，在宿主机上建立控制台，是观察和操控开发板上uclinux操作系统的首要条件。

　　五、 遇到的问题和解决的办法

　　1、 曾经想用cygwin代替linux操作系统，花费了不少的时间，但没有成功。

　　2、  linux操作系统可以安装在大多数的微机上，但它无法识别我的一台三星显示器，那台机子上就一直没有再安装linux操作系统。我还有一台配有赛扬 500处理器的组装机，用它编译uclinux操作系统内核，有时会出现错误。有人说，linux操作系统对机器要求较高，所以我现在用一台标准配置的联想微机。

　　3、 由于我用的恒坚开发板上的FLASH芯片地址线17、18脚连焊了，我编译的内核文件image.rom，用恒坚的集成开发环境下载后，总无法从FLASH中运行起来。我先分析了uclinux操作系统的源代码，没有找到问题；又做了一块Jtag接口板，来替代恒坚的接口板，还是不行；用了其它的FLASH写工具，才把问题定位在FLASH芯片上，前后用了两周的时间，才解决了问题。


         
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