基于S3C2410多操作系统启动的设计与实现
发布时间：2010-5-5 13:58
发布者：我芯依旧
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1 引言 嵌入式系统是近年来计算机学科领域一个新的发展方向。尼葛洛庞帝曾在2001年时预言，嵌入式智能电脑将是继PC和Internet之后的最伟大发明。在当今社会中，嵌入式系统已经广泛渗透到我们的工作、生活中的各个领域。随着消费电子行业的飞速发展，嵌入式系统工程师的需求量越来越大，相关课程的学习和培训也越来越多。在众多品牌嵌入式教学实验平台的实际使用过程中，笔者发现了一些问题。 首先是目前的设备利用率不高。大多数设备提供的bootloader只能安装一个操作系统，这让用户能接触到的内容非常有限。其次，由于参加各类竞赛活动的设备对操作系统的需求比较多样，因此每次都必须花时间给设备重新安装所需的操作系统。然而，这样的改动又会对日常的教学活动带来一些不便，操作系统的更改将可能导致课程实验无法正常进行。最后，由于安装操作系统的单一性，使一些初次接触嵌入式系统的用户对它产生了一些狭隘的认识，无法更大地激发大家的学习兴趣。 如果能够实现在一台嵌入式教学实验平台上安装多个操作系统，系统之间彼此互不干扰，并且能够根据用户的要求启动不同的系统，那么上述这些问题将会得到很好的解决。当然，在实际的应用中，我们也可以在某个嵌入式平台上安装多操作系统，从而方便的在不同系统间切换来解决问题。为此，笔者对正在使用的S3C2410开发板做了一些改动，并根据它的实际情况考虑了一套完整的解决方案。 本文首先分析了为何选用U-Boot作为Bootloader, 之后详细介绍了每种嵌入式操作系统在U-Boot下启动所需的一些修改，最后给出了实现的效果图。 2 Bootloader的选择 嵌入式系统的启动如同PC机的启动一样，有一个固定的步骤，通常我们把实现这个启动步骤的程序称为bootloader。bootloader对于嵌入式系统的重要性犹如BIOS对于PC那样。如果没有一个正确的bootloader，系统可能将无法启动。目前，比较常用的bootloader有vivi、U-Boot、E-Boot、blob等，其中E-Boot为Microsoft Windows CE启动专用的bootloader，无法启动其他操作系统。因此，在设计之初选择一个合适的bootloader非常有必要。考虑到 vivi缺少以太网接口芯片AX8876的驱动程序等原因，我们最终决定使用 U-Boot作为开发的bootloader。 U-Boot，全称Universal Boot Loader，是遵循GPL条款的开放源码项目。从 FADSROM、8xxROM、PPCBOOT逐步发展演化而来。目前，它支持Linux、VxWorks，QNX，ARTOS，LynxOS等众多嵌入式操作系统。这是U-Boot中 Universal的一层含义，另外一层含义则是U-Boot除了支持PowerPC系列的处理器外，还能支持MIPS、x86、ARM、XScale等常用系列的处理器。这两个特点正是U-Boot项目的开发目标，即支持尽可能多的嵌入式处理器和嵌入式操作系统。目前U-Boot的最新版本为 1.2.0，我们也以U-Boot 1.2.0作为系统的bootloader。与DOS等操作系统类似，U-Boot也具有一个命令行控制台，用户可以通过U-Boot的内建指令来完成一系列的操作，包括传输、读写、运行等。 3 多系统启动的设计 在多系统启动的研究过程中涉及U-Boot、vivi、WinCE、Linux、uCOS等多个系统或软件，其整体框架如下图1所示。 
图1 多系统启动的整体设计图 该平台的开发过程中涉及了系统的启动方式、设备驱动程序更改、Linux根文件系统、WinCE和Linux系统的配置和编译、多操作系统的安装等多项具体内容。下面我们将详细介绍每种系统在U-Boot下启动所需的一些改动。 3.1 WinCE在U-Boot下的启动 一般情况下，安装WinCE的步骤是先烧写Nboot到block0，再烧写tocblock1到 block1，然后烧写E-Boot到block2，最后用E-Boot通过以太网接口烧写 WinCE镜像文件。其中Nboot是实现从Nand Flash启动，tocblock1则负责保存 E-Boot中设置的各项参数。使用了U-Boot之后，U-Boot代替了Nboot的功能，但tocblock1却缺失了。这造成了E-Boot的参数无法正常保存，最终导致无法正常下载和保存WinCE镜像文件。通过实验发现如果强行保存E-Boot的参数，将造成U-Boot的损坏，整个系统将彻底无法启动。 最终，将定制好的镜像文件NK.nb0直接下载到所对应的内存地址后运行，这样WinCE的启动就成功了。另外，必须注意的一点就是，在加载镜像文件之前，必须先将待用的内存空间擦除，否则可能导致系统启动出错。 3.2 Linux在U-Boot下的启动 在嵌入式Linux系统中，主要分为两个部分：系统内核与根文件系统。其中系统内核包含了操作系统的主要功能、额外功能模块和设备驱动程序。而根文件系统则是内核在加载了之后第一个挂载的文件系统。它是一个特殊的文件系统，如果它无法被正常挂载，则可能导致整个Linux系统启动失败。 为了使linux可以在U-Boot下启动，我们需要做如下一些修改。 首先，我们应保证Linux内核能获取到正确的启动参数。启动参数往往是 bootloader中设置的，Linux内核通过读取bootloader中预设的启动参数来寻找根文件系统的位置。为了读取正确的启动参数，必须要对Linux内核做一个处理。mkimage工具是编译U-Boot时产生的一个工具，它会在原来的可执行镜像文件上增加一个0x40字节的文件头，用于指定诸如CPU架构、操作系统、文件类型、是否压缩、入口地址等各类信息。使用了mkimage工具以后，再搭配使用U-Boot控制台中的命令，就能读取到启动参数了。 其次，在vivi中，最底层的文件系统是bon。vivi有一套bon命令，用于格式化Flash并创建bon文件系统，而MTD（Memory Technology Device）则可以与之共存。最后可以将bon或MTD作为根文件系统。如果不使用vivi的bon文件系统，那么必须在某个地方存放Flash的分区信息。这时，最大的可能就是存放在Linux内核中。如果要直接使用MTD，则可以通过修改代码，在Linux内核中指定分区信息。在找到根文件系统后，Linux便能正常启动了。 3.3 uCOS在U-Boot下的启动 用ARM Develop Suite编译后的uCOS系统可以得到一个二进制的可执行文件 system.bin，下载到编译时设置的入口内存地址即可运行。uCOS的YAFFS文件系统需要bon文件系统的支持，可以用vivi来完成建立bon文件系统的工作，而且必须用汇编语言在U-Boot的start.S文件中对CPU进行初始化，否则将造成uCOS实验无法正常运行。 至此，WinCE、Linux、uCOS三个操作系统在U-Boot下都可以正常启动了。为了更好的完善多系统启动平台，我们还进行了以下三个方面的补充。首先，显示方面主要包含LCD驱动程序，并且在系统启动时显示bmp文件格式的单色 Logo，在屏幕下方显示7种颜色的色块，以验证屏幕是否正常工作。其次，为方便用户的使用，也可以通过触摸屏直接选择需要启动的系统，无需连接PC主机。主要包含加载触摸屏驱动程序，读取校准参数，反馈用户操作，启动系统或者接受用户从键盘发出的命令来启动系统。最后，在系统具有密码保护的情况下，拒绝未经授权的用户登录U-Boot的命令行。因为U-Boot的nand命令组可以对Flash进行格式化操作，这给学校机房的管理带来很多不便。 4 运行效果 在系统启动后，启动界面如图2所示。用户可以根据相关提示选择希望启动的操作系统，如果用户放弃选择，则默认进入uCOS操作系统。之后，我们又随机进行了一些测试，测试结果表明：每种系统都可以正常、稳定的运行。本平台为支持多操作系统的可视化教学实验平台，主要具有以下功能： （1）在同一设备上实现WinCE、Linux、uCOS操作系统的共存和选择启动。 （2）在系统启动时显示产品Logo。 （3）对bootloader命令行实施密码保护，禁止未经授权用户更改Flash中的系统数据。 （4）用户可以通过PC主机和平台的串口通讯选择需要启动的系统。 （5）用户可以通过触摸屏直接选择需要启动的系统，无需连接PC主机。 
图2 启动界面效果图 5 结束语 本文以博创公司的UP-NETARM2410-S作为硬件支持，以 U-Boot作为系统的 Bootloader，在原平台的基础上提供更为友好、更为实用的启动界面，能在同一台设备上完成WinCE、Linux和 uCOS多操作系统的选择启动，而且启动的每个系统都可以正常、稳定的运行。本文所提出的多系统启动具有良好的推广价值，可适用于多种嵌入式平台。 本文创新点：实现了基于S3C2410开发板，WinCE、Linux和 uCOS多操作系统的选择启动，不仅具有友好、方便的图形化用户操作界面，而且用户可脱离 PC主机直接选择需要启动的系统。启动后的每个系统都可以正常、稳定的运行。 作者：薛小艳，支小莉 来源：《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第7-2期 |
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