S3C44B0X的最小系統構架

一、前言
    ARM7TDMI是世界上廣泛使用的32位嵌入式RISC處理器，是目前用於低端的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先者。ARM公司研發了針對ARM圖形化的編譯器，連接器和調試器，這為整個嵌入式系統的開發調試提供了較好的環境。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停產後，SamsungS3C44B0X更成為同類晶元的主流。
    現今許多嵌入式系統要實現複雜的功能都需要操作系統支持，有了操作系統的支持，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，修改代碼以適合S3C44B0X的系統，包括啟動程序bootloader，Linux內核源代碼修改，根文件系統的定製。

二、硬體架構
    一個最小的嵌入式系統包括以下幾個部分：CPU、SDRAM、FLASH。但為了調試方便本文介紹的系統帶了網口和串口，網口用於傳輸數據大批量數據，串口用於傳輸字元數據，這樣就可以和主機通信了。硬體框圖如圖1所示。
 
圖1系統硬體框圖
    系統實驗板主要晶元(CPU，UART，FLASH(ROM)，ETHERNETSDRAM)，管腳連接如圖2所示。
 
圖2 S3C44B0X與SDRAM，Flash，乙太網口，串口的連接圖

三、軟體架構
    基於uClinux的嵌入式系統軟體一般由三部分構成：啟動程序(bootloader)、內核文件(kernel)、根文件系統(rootfs)。uClinux源代碼包含程序庫，Linux內核和根文件系統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，然後引導uClinux操作系統，操作系統引導起來後會載入根文件系統，載入根文件系統有幾種方式，這裡採用blockmemory技術(可以避免在啟動時傳遞內核rootfs位置的參數)。根文件系統使用romfs文件系統，這種文件系統相對簡單，很適合嵌入式系統的應用。這三部分在FLASH和內存的分配地址如圖3和圖4所示。
 
圖3 flash地址分配
 
圖4內存地址分配
    最難調試的部分應該是啟動程序部分；對於以後的內核可以根據串口輸出的錯誤信息來判斷。筆者採用ARM公司的調試工具AXD來調試bootloader。

1.啟動程序(bootloader)
    bootloader有兩大功能：初始化CPU和引導Linux內核(採用將壓縮內核拷貝到內存解壓方法，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8×4位元組的空間內。每當一個中斷髮生以後，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。因為每個中斷只佔據向量表中1個字的存儲空間，只能放置一條ARM指令，使程序跳轉到存儲器的其他地方，再執行中斷處理。
    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為內存起始地址，uClinux將中斷向量放入地址0x0c000008，因為cpu發生中斷時仍然會跳轉到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，使程序能正確跳轉到uClinux實現的中斷向量處。由於ARM系統的三級流水線技術，當程序執行到x地址處，pc指針的值其實等於x+8。
  在uClinux中相關代碼如下：
#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等於0時，這條指令的執行結果為pc=0x0c000008。
    2)中斷處理
    這段reset代碼放在flash中。這樣系統每次複位后，會執行flash上的reset代碼。

1. 初始化存儲器系統
2. 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衝突，否則程序很容易異常。
3. 初始化有特殊要求的埠，設備
4. 初始化用戶程序執行環境
5. 改變處理器模式
6. 調用主應用程序

(2)引導Linux內核
    主應用程序里放操作系統引導程序的代碼，一般此處應該傳遞給Linux內核啟動參數(如ramdisk的位置等)，但程序載入內核使用blockmemory技術，所以不用傳遞參數來載入根文件系統rootfs。只要將Linux內核和rootfs從flash(如圖1)拷貝到內存中相應位置(如圖2)。拷貝完成後跳轉到內核入口地址處執行。具體方法是用將壓縮內核的地址轉換成函數的指針，並傳遞處理器號ARCH_NUMBER。這在uClinux內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系統內核
  uClinux的官方網站發布的最新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平台下。具體內核源代碼的改動如下(其中出現的內存地址可以參考圖4)。
    (1)Linux內核編譯配置選項
    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
    以後的make都以CONFIG_ARCH_S3C44B0=y這選項來解決是編譯和$3C4480相關的其他選項。
    (2)處理器MAKEFILE文件
    文件uClinux-dsit/linux2.4.x/arch/armnommu/Makefie中：
  ifeq($(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#表明未壓縮的內核的位置
ZTEXTADDR=0x0c300000#表明壓縮內核的位置
    (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
    內存地址為0x0e000008的原因在啟動程序一處已經提到過。
    (4)處理器基本參數和類型
    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里定義的平台類型
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)表示內核參數的傳遞地址。
    文件uClinux-dsit/linux2.4.x/arch/armnommu/tools/Match-types中：
    s3c44b0 ARCH_S3C44B0 S3C44B0 178
    178是arch_number
    在跳轉到內核時，r0=0，r1=arch_number
    (5)網路驅動
    這裡採用的晶元是RTL8019AS，數據寬度用的是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、數據寬度)就可以實現網口的驅動了。
    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，根據硬體連接改成相應的值。ne_probel函數中wordlength=2代表數據寬度為16位，改為wordlength=1代表數據寬度為8位。
    (6)用blockmemory指定地址
    對rootfs的載入一般有兩種方式，用initrd技術和block memory。這裡用blockmemory技術指定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載入到相應的地址0x0CC00000，內核就可以找到。
    修改完成後，編譯內核(make menconfig)時要選擇支持ramdisk和blkmem。ne2000網卡驅動，romfs和ramfs文件系統，TCP/IP協議的項。

3.根文件系統(rootfs)
    uClinux源代碼包里有直接生成rootfs的工具，它所採用的是romfs格式的文件系統。
    定製romfs時選擇一些基本的shell命令，包括文件系統的一些命令，用戶可根據需要選擇自己需要的命令。筆者選擇了telnet伺服器程序(有利於從遠程主機登錄到系統上)，ftp伺服器和客戶端命令等網路程序。
    最後要結合自己的應用來編寫一個uClinux操作系統下的應用程序。有了uClinux操作系統的支持，應用程序的編寫就比較容易了。嵌入式uClinux系統下的應用程序和PC機上Linux系統下的編程相似，區別只是調用的庫函數不一樣。PC機上調試程序比較容易，可以先在PC機上調試代碼，再從X86機移植程序到ARM處理器。在移植過程種應注意內存奇地址問題，在X86機上將4位元組長的數據存放在一個內存奇地址上一般不會有問題，但在ARM處理器執行時就會產生異常。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地開發效率。
    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會對子文件夾內的每個文件夾調用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中。
    最後把以上三個步驟生成的二進位文件用燒寫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上運行一個帶網路功能的uClinux操作系統了。

四、結語
    本文根據筆者所用的嵌入式實驗板為平台構建uClinux軟體平台，在不同的S3C44B0X嵌入式系統中，根據硬體和應用的不同，可以更改相應的地方，以適合自己系統的需要。把移植過程中最關鍵的地方列出，其他細節(例如uClinux的編譯)限於篇幅不再贅述，可以作為移植S3C44B0X嵌入式uClinux系統的參考。