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基于32位微處理器和μClinux的c系統(tǒng)

電子設(shè)計(jì) ? 來(lái)源:郭婷 ? 作者:電子設(shè)計(jì) ? 2018-11-30 08:17 ? 次閱讀
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進(jìn)入20世紀(jì)90年代,嵌入式技術(shù)全面展開(kāi),目前已成為通信和消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品的共同發(fā)展方向。在通信領(lǐng)域,數(shù)字技術(shù)正在全面取代模擬技術(shù)。在廣播電視領(lǐng)域,美國(guó)已開(kāi)始由模擬電視向數(shù)字電視轉(zhuǎn)變,歐洲的DVB(數(shù)字電視廣播)技術(shù)已在全球大多數(shù)國(guó)家推廣。數(shù)字音頻廣播(DAB)也已進(jìn)入商品化試播階段。而軟件、集成電路和新型元器件在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的作用日益重要。所有上述產(chǎn)品中,都離不開(kāi)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,在工業(yè)監(jiān)測(cè)、控制等各個(gè)領(lǐng)域,嵌入式系統(tǒng)將越來(lái)越多地支持互聯(lián)網(wǎng)功能。人們對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)的功能和可靠性都提出了越來(lái)越高的要求。嵌入式系統(tǒng)無(wú)疑是當(dāng)前最熱門(mén)最有發(fā)展前途的IT應(yīng)用領(lǐng)域之一。嵌入式系統(tǒng)用在一些特定專(zhuān)用設(shè)備上,通常這些設(shè)備的硬件資源(如處理器、存儲(chǔ)器等)非常有限,并且對(duì)成本很敏感,有時(shí)對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)要求很高等。

本文對(duì)基于32位微處理器和μClinux的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行了研究,從硬件核心-32位微處理器的選型,其他硬件部分的設(shè)計(jì),系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě),嵌入式操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)的移植,完成了對(duì)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)從計(jì)劃設(shè)計(jì)到開(kāi)發(fā)調(diào)試的完整過(guò)程的研究。

1 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

μClinux的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。本系統(tǒng)采用韓國(guó)三星公司的S3C44B0X[2]微處理器,外擴(kuò)一片norflash芯片HY29LV160B、nandflash芯片K9F2808u和SDRAM芯片 HY57V561620,JTAG接口RS232串口;帶有開(kāi)關(guān)量采集模塊、模擬量采集模塊和以太網(wǎng)通信模塊;采用μClinux嵌入式操作系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。μClinux是一個(gè)完全符合GNU/GPL公約的操作系統(tǒng),完全開(kāi)放源代碼,現(xiàn)在由Line公司支持維護(hù)。μClinux的發(fā)音是you-see-linux,它的名字來(lái)自于希臘字母μ和英文大寫(xiě)字母C結(jié)合。μ代表"微小"之意,字母C代表"控制器",所以從字面上就可以看出它的含義,即"微控制領(lǐng)域中的Linux系統(tǒng)".μClinux的具體特點(diǎn)包括:適合嵌入式環(huán)境開(kāi)發(fā)。一般而言,嵌入式系統(tǒng)自身所具有的簡(jiǎn)約性,導(dǎo)致對(duì)于所選用的操作系統(tǒng)的多任務(wù)、大內(nèi)存管理等方面的功能都沒(méi)有明確需求。

硬件系統(tǒng)上使用了兩種類(lèi)型的Flash,一種是norflash,另一種是nandflash.norflash適宜連續(xù)大容量存儲(chǔ),價(jià)格相對(duì)便宜;相比較,nandflash隨機(jī)存儲(chǔ)速度快、價(jià)格高。所以在本系統(tǒng)中結(jié)合兩種Flash的優(yōu)勢(shì),將移植的操作系統(tǒng)存放在norflash之中,nandflash則是用來(lái)存儲(chǔ)應(yīng)用程序的代碼和常量,保證用戶(hù)的程序在掉電后不丟失。

該方案設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單,硬件電路中采用韓國(guó)三星公司的S3C44BOX微處理器,8 KB Cache、可選的內(nèi)部SRAM、2通道UART、8通道10 bit ADC、71個(gè)通用I/O口、2個(gè)可編程32 bit定時(shí)器,能夠基于芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜的系統(tǒng)。其架構(gòu)滿(mǎn)足了μClinux正常運(yùn)行的基本要求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為使該系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性,在μClinux平臺(tái)上設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)中各個(gè)任務(wù)在宏觀上按照一定的關(guān)系并行工作,CPU資源得到充分利用,系統(tǒng)可靠性得到很大的保證,方便組織開(kāi)發(fā)任務(wù)。在μClinux平臺(tái)上,軟件設(shè)計(jì)工作主要包括:Bootloader的移植、μClinux在S3C44B0X上的移植、驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)和應(yīng)用程序的編寫(xiě)。

2.1 Bootloader的移植

Bootloader是嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的第一個(gè)環(huán)節(jié),bootloader說(shuō)白了就BSP(板級(jí)支持包),起作用無(wú)非就是:首先初始化硬件(包括io,特殊功能寄存器),接著把嵌入式操作系統(tǒng)加載(拷貝)到內(nèi)存中(一段代碼拷貝程序),然后運(yùn)行嵌入式系統(tǒng)。Blob是Boot Loader Object的縮寫(xiě),是一款功能強(qiáng)大的Bootloader.MBA44B0是一款基于S3C44B0的開(kāi)發(fā)板。本文將以運(yùn)行在MBA44B0開(kāi)發(fā)板上的Blob的源代碼為基礎(chǔ),再針對(duì)自己的開(kāi)發(fā)板進(jìn)行Blob的移植。

Blob編譯后的代碼定義最大為64 KB,并且這64 KB又分成兩個(gè)階段來(lái)執(zhí)行。第一階段的代碼在start.s中定義,大小為1 KB,它包括從系統(tǒng)上電后在0x00000000地址開(kāi)始執(zhí)行的部分,并運(yùn)行在Flash中,包括對(duì)S3C44B0的一些寄存器的初始化和將Blob第二階段代碼從Flash拷貝到SDRAM中。余下63 KB代碼都是第二階段的代碼。其起始文件為T(mén)rampoline.s,被復(fù)制到SDRAM后,就從第一階段跳到這個(gè)文件開(kāi)始執(zhí)行剩余部分代碼。這個(gè)階段最大為63 KB,單詞trampoline詞義為"蹦床",所以在這個(gè)程序中進(jìn)行一些BSS段設(shè)置、堆棧的初始化等工作后,最后跳轉(zhuǎn)到Main.c進(jìn)入C函數(shù)。

2.2 μClinux的移植

作為操作系統(tǒng)的核心,μClinux內(nèi)核負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),決定著系統(tǒng)的各種性能。μClinux內(nèi)核采用模塊化的組織結(jié)構(gòu),通過(guò)增減內(nèi)核模塊的方式來(lái)增減系統(tǒng)的功能。 μClinux2.4.x發(fā)行包中的內(nèi)核對(duì)S3C44B0X處理器的支持是不完整的,因此,不可能在make config配置選項(xiàng)中選中S3C44B0X目標(biāo)板后,直接編譯它來(lái)得到一個(gè)很好的支持S3C44B0X開(kāi)發(fā)板的內(nèi)核映像。Linux內(nèi)核在PC上以文件的形式存在(保存成磁盤(pán)文件形式),就是所謂的"映像文件".Linux內(nèi)核映像文件最終是要燒錄到目標(biāo)板的flash中。 Linux 內(nèi)核映像文件有兩種:一種是非壓縮版本,叫Image;另一種是它的壓縮版本,叫zImage.zImage是Image經(jīng)過(guò)壓縮形成的,所以它的大小比Image小。為了能使用zImage這個(gè)壓縮版本,必須在它的開(kāi)頭加上解壓縮的代碼,將zImage 解壓縮之后才能執(zhí)行,因此它的執(zhí)行速度比Image要慢。

(1)在Ne.c中函數(shù)ne_probe就是網(wǎng)卡的檢測(cè)函數(shù),如果檢測(cè)到Ne2000兼容的網(wǎng)卡就是return 0,可以參考一下添加的函數(shù)的語(yǔ)法格式,將網(wǎng)卡的基地址、中斷號(hào)都放到這里面定義: #elif defined(CONFIG_ARCH_S3C44B0)

static int once = 0;

if (once)

return -ENXIO;

if (base_addr == 0) {

dev->base_addr = base_addr = ARM_NE2000_BASE;

dev->irq = ARM_NE2000_IRQ;

once++;

}

其中,ARM_NE2000_BASE和ARM_NE2000_IRQ是在配置內(nèi)核的時(shí)候定義的。

(2)ne_probe是被Space.c調(diào)用的,這里網(wǎng)卡的檢測(cè)是從。/drivers/net/Space.c的ethif_probe函數(shù)中實(shí)現(xiàn)的,關(guān)鍵代碼如下:

if (probe_list(dev, eisa_probes) == 0)

return 0;

eisa_probes :在前面定義成全局

static struct devprobe eisa_probes[] __initdata = {

#ifdef CONFIG_DE4X5???????????? /* DEC DE425, DE434, DE435 adapters */

{de4x5_probe, 0},

#endif

……

{NULL, 0},

};

添加的函數(shù)是:

if (probe_list(dev, arm_probes) == 0)

return 0;

并定義:

static struct devprobe arm_probes[] __initdata = {

#ifdef CONFIG_ARM

{ne_probe, 0},

#endif

{NULL, 0},

(3)地址偏移的問(wèn)題

同樣是在ne.c中ne_probe1的代碼中。為了更好地說(shuō)明所修改的地方,首先應(yīng)該先介紹一下硬件的配置和連接。這里8019在S3C44B0的Bank 5上,工作在跳線模式,所以起始基地址就是0x0a000600.還有一點(diǎn)需要特別注意的是:8019工作在16位模式下,數(shù)據(jù)線一對(duì)一地連接,地址線錯(cuò)開(kāi)一位,即8019的A0連接S3C44B0的A1……這樣,8019的基地址(Reg0的地址)是0x0a000600,Reg1的地址就是0x0a000602……所以地址不是連續(xù)增加的,那么對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序要做相應(yīng)的修改。

#elif defined(CONFIG_ARM)

#define EI_SHIFT(x) ((x)*2)

其中EI_SHIFT可以查看到8390.h的定義。

也有直接訪問(wèn)外部的代碼,所以要添加的還有:

#ifdef CONFIG_ARM

regd = inb_p(ioaddr + 0x0d*2);

outb_p(0xff, ioaddr + 0x0d*2); :函數(shù)outb_p和inb_p訪問(wèn)外部IO的函數(shù)

#else

regd = inb_p(ioaddr + 0x0d);

outb_p(0xff, ioaddr + 0x0d);

這樣就被解決了地址偏移的問(wèn)題,偏移地址就是計(jì)算機(jī)里的內(nèi)存分段后,在段內(nèi)某一地址相對(duì)于段首地址(段地址)的偏移量。 如8086存儲(chǔ)系統(tǒng)中 20位的物理地址(就是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)際地址)=16位的段地址*16+16位的偏移量 數(shù)據(jù)段DS寄存器的值=0088H 偏移地址=22H 那么偏移后的地址等于 0088H*16+22H=00880+22H=008A2H這里采用預(yù)處理來(lái)添加自己的代碼,不直接在原有的代碼上修改,可以保證代碼的完整性和可移植性,也較容易比較和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

主程序和μClinux中的系統(tǒng)文件放在同一個(gè)程序下,進(jìn)行編譯即可。為了提高執(zhí)行效率,可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用修改μClinux的部分常用代碼,甚至剪切掉某些不必要的代碼。

基于μClinux的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件的設(shè)計(jì)方案在硬件上簡(jiǎn)潔可靠;軟件可維護(hù)性好,可擴(kuò)展性好,有利于系統(tǒng)的后續(xù)開(kāi)發(fā),降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。隨著嵌入式產(chǎn)品研究的深入,網(wǎng)絡(luò)接口芯片的研究也會(huì)快速發(fā)展,使智能化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更趨向簡(jiǎn)單、標(biāo)準(zhǔn)、成熟。可以看出,嵌入式μClinux操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)將會(huì)得到更大的發(fā)展和更廣闊的應(yīng)用。

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