嵌入式uCLinux內核啟動過程分析

引言

　　uCLinux是專門為無MMU處理器設計的嵌入式操作系統，已支持ARM、Motorola等微處理器。目前采用ARM+uCLinux作為嵌入式系統的一種開發模式非常普遍。

　　一個基于uCLinux的完整的嵌入式系統由三個部分組成，即系統引導程序Bootloader、uCLinux操作系統內核和文件系統。嵌入式系統的啟動引導技術是嵌入式系統開發的一個難點，系統啟動引導的成功與否決定了應用程序的運行環境是否能正確建立，系統啟動成功是應用正確運行的前提。而uCLinux內核的啟動過程也是其中重要一環，分析uCLinux的啟動過程，可以加快系統啟動速度、正確建立應用環境。本文要研究的就是uCLinux操作系統內核的啟動過程。
 

　　1 系統簡介

　　本系統采用SamSung公司的Arm7TDMI內核的S3C4510B處理器，主要利用其強大的網絡功能，與PC機進行網絡通信。該系統的主要功能是利用串口監測一種智能電表，將獲得的數據通過Internet傳給PC機，由PC機再做進一步的處理，將較終結果呈現給用戶。

　　硬件平臺包括一個以ARM為內核的處理器、存儲器使用2MB的Flash和16MB的SDRAM，外部接口除了通信的串口，還外接了一個以太網接口，以支持S3C4510B的網絡功能。軟件平臺由以下部分組成：系統引導程序Bootloader、嵌入式操作系統內核、文件系統。

　　根據內核是否壓縮以及內核是否在本地執行，uCLinux通常有兩種啟動方式：flash本地執行方式和壓縮內核加載方式。本系統采用第二種啟動方案，即內核的壓縮映象固化到flash上，系統啟動時在內存中解壓，然后在內存中執行，這種啟動方式相比第一種方式運行速度更快。

　　2 uCLinux內核啟動過程的實現

　　可將ARM+uCLinux系統的啟動過程總結為以下幾個階段：(1)PC指向復位地址入口處，即0x0H處的Bootloader代碼。Bootloader完成一些基本的初始化，將系統的軟硬件環境帶到一個合適的狀態;(2)Bootloader將控制權交給操作系統內核的引導程序后，開始uCLinux內核的加載;(3)uCLinux內核加載引導完成，啟動init進程，完成系統的引導過程。

　　本系統的啟動方案采用uCLinux自帶的引導程序加載內核。在內核啟動過程中主要調用這幾個文件：head.S(在linux-2.4.xarcharmnommubootcompressed目錄下)、main.c(在linux-2.4.xinitinit目錄下)、simpleinit.c(在userinit目錄下)[1]。實際應用中應根據硬件平臺和系統功能，修改相關文件，以正確地引導系統。

　　當Bootloader將控制權交給內核的引導程序時，第一個執行的程序就是head.S，它完成了加載內核的大部分工作;misc.c則提供加載內核所需要的子程序，其中解壓內核的子程序是head.S調用的重要程序，另外內核的加載還須知道系統的硬件信息，該硬件信息在hardware.h中定義并被head.S所引用。本系統中內核的啟動流程如圖1所示。

　　本系統中，head.S首先配置S3C4510B的系統寄存器SYSCFG、初始化系統的Flash、SDRAM以及總線控制寄存器，將Flash和SDRAM的地址范圍分別設置為0x0-0x1fffff和0x1000000-0x1ffffff;根據本系統的功能特點，重新定義了中斷優先級以及I/O口的配置;為了提高內核的運行速度，將2M的內核映像文件從Flash拷貝到SDRAM;通過操作一些系統寄存器，進行系統的存儲器重映射，將Flash和SDRAM的地址區間分別重映射為0x1000000-0x11fffff和0x0-0xffffff;然后初始化系統堆棧;接著調用misc.c中的函數decompress_kernel，對拷貝到SDRAM的內核映像文件進行解壓縮;較后跳轉到執行調用內核函數call_kernel，調用call_kernel函數實際上是執行main.c中的start_kernel函數，該函數完成的功能包括處理器結構的初始化、中斷的初始化、定時器的初始化、進程相關的初始化以及內存初始化等初始化工作;較后內核創建一個init線程，在該線程中調用init進程，完成系統的啟動。

　　值得再次注意的是，在內核啟動過程中，調用了在文件hardware.h中定義的與硬件有關的信息。基于Linux的嵌入式系統的啟動是嚴重依賴于硬件平臺的，在內核啟動引導前，必須根據硬件平臺和系統功能，修改必要的文件[2]。本系統中就修改了hardware.h中的flash、SDRAM的控制寄存器ROMCON0、DRAMCON0和SYSCFG等。

　　uCLinux啟動時，運行一個叫做init的程序，它是由操作系統啟動的用戶級進程，由它來啟動后面的任務，包括多用戶環境、網絡等。init進程的行為是在函數simpleinit.c中定義的，所以可根據系統的功能定制init進程的行為，如在本系統中加入了串口控制程序，還可以利用printk函數打印出必要的調試信息。當init進程啟動時，它讀取一個運行控制文件rc和一個配置文件inittab。在嵌入式應用中，一般需要在操作系統運行起來后立刻運行用戶的特定程序，為此可考慮修改這兩個文件。本系統中就是恰當地修改了inittab文件和rc文件，以使系統啟動后即運行一些特定進程。在程序inittab.c中修改inittab文件，然后通過向init進程發送SIGHUP信號，即kill(1,SIGHUP)，使init進程重新讀取配置文件inittab[3]。

　　inittab.c文件中的部分代碼如下：

　　FILE *pFile;

　　if((pFile=fopen("/etc/inittab","w"))!=NULL){

　　fprintf(pFile,"pollmeter:unknown:/bin/pollmeterrn");

　　fprintf(pFile,"netcomm:unknown:/bin/netcommrn");

　　……

　　}

　　......

　　kill(1,SIGHUP); //init進程的ID等于1

　　……

　　在啟動過程中還有一個重要的鏈接腳本文件，在該文件中指明了內核的入口地址。

　　總之，uCLinux的啟動過程也較復雜，其中要調用許多文件，要能正確的啟動uCLinux操作系統，就必須根據硬件平臺和系統功能，修改相關的源代碼文件。

　　3 結束語

　　本文分析了內核的啟動引導過程，并根據應用系統的特點修改了啟動代碼以及必要的相關文件，完成了uCLinux內核的正確引導。實際應用表明，本系統的啟動設計正確可靠。

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