uClinux是為控制領域設計的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，它沿襲了主流Linux的大部分特性，并進行了一定幅度的裁減。其設計主要針對沒有內(nèi)存管理單元(MMU)的微處理器，例如基于ARM7TDMI內(nèi)核的S3C44B0X。

       嵌入式Linux系統(tǒng)通常由三部份組成：Bootloader、Kernel和File System。其中Bootloader是在系統(tǒng)啟動之后、Kernel運行之前所執(zhí)行的段代碼，其任務是為調(diào)用Kernel準備必要的軟硬件環(huán)境。由此可見，Bootloader是非常依賴于硬件和操作系統(tǒng)的。所謂依賴于硬件，是指Bootloader的實現(xiàn)與處理器體系架構(gòu)和板級硬件資源密切相關(guān)；所謂依賴于操作系統(tǒng)，是指不同操作系統(tǒng)的內(nèi)核對調(diào)用方式和運行環(huán)境有不同的要求。

       理論上，uClinux在引導時并非一定需要一個獨立于Kernel Image的Bootloader Im age。然而將Bootloader與Kernel分開設計能夠使軟件架構(gòu)更加清晰，也有助于靈活地支持多種引導方式，實現(xiàn)必要的輔助功能。uClinux Bootloader的主要任務可概括如下：

       ● 引導和初始化
       ● 加載uClinux Kernel
       ● 設置內(nèi)核啟動參數(shù)
       ● 調(diào)用uClinux Kernel
       ● 輔助功能：文件、Flash燒寫、人機界面等

       對于常見架構(gòu)的處理器，一般都能找到現(xiàn)成的Bootloader，但其結(jié)構(gòu)往往較為復雜，且仍需要針對具體的目標板進行移植。當然，也可以選擇自行開發(fā)Bootloader。由于Bootloader Image在物理上獨立于Kernel Image，因此不一定跟隨Linux選用GNU作為開發(fā)工具。對于ARM處理器，完全可以使用ADS或RVDS等集成環(huán)境來開發(fā)Bootloader。

       1．引導和初始化

       1．1 硬件初始化階段一
       S3C44B0X在上電或復位后，程序從位于地址0x0的Reset Exception Vector處開始執(zhí)行，因此需要在這里放置Bootloader的條指令：b ResetHandler，跳轉(zhuǎn)到標號ResetHandler處進行階段的硬件初始化，主要內(nèi)容為：關(guān)WDT，關(guān)中斷，配置PLL和時鐘，初始化Memory Controller。這里比較重要的是配置PLL的輸出頻率，S3C44B0X能夠支持66MHz；如果目標板上使用DRAM/SDRAM，應當據(jù)此計算刷新頻率等相關(guān)參數(shù)。

       1．2 建立異常向量表
       ARM7TDMI內(nèi)核規(guī)定：包括Reset Exception Vector在內(nèi)的異常向量表的基地址是0x0，所以存放Bootloader的Flash基地址也必須是0x0；而S3C44B0X處理器又不支持Remap，這意味著一旦發(fā)生中斷，程序就要跳轉(zhuǎn)到Flash中的異常向量表(中斷屬于異常的一種)。uClinux會在RAM里建立自己的二級異常向量表(基地址缺省為0x0C000000)；所以編寫B(tài)ootloader時，0x0處的異常向量表只需簡單地包含向二級異常向量表的跳轉(zhuǎn)：       b ResetHandler  ;Reset Handler   
       ldr pc,=0x0c000004 ;Undefined Instruction Handler   
       ldr pc,=0x0c000008 ;Software Interrupt Handler   
       ldr pc,=0x0c00000c ;Prefetch Abort Handler   
       ldr pc,=0x0c000010 ;Data Abort Handler   
       b .   ;Reserved   
       ldr pc,=0x0c000018 ;IRQ Handler&n bsp;  
       ldr pc,=0x0c00001c ;FIQ Handler

       如果在Bootloader運行過程中不必響應中斷，那么上面的配置已能滿足要求。如果某些Bootloader功能要求使用中斷(例如用Timer Interrupt實現(xiàn)定時)，那么Bootloader必須在同樣的位置建立自己的二級異常向量表，以便同uClinux保持一致。這張表應存放在Flash中，并由Bootloader復制到RAM地址0x0C000000處。

       1．3 初始化各種處理器模式
       ARM7TDMI內(nèi)核支持7種處理器模式：User，F(xiàn)IQ，IRQ，Supervisor，Abort，System和Undefined。Bootloader需要依次切換到每種模式，初始化該模式的程序狀態(tài)寄存器(SPSR)和堆棧指針(SP)。S3C44B0X在上電或復位后處于Supervisor模式；本步驟中應該在切換回Supervisor模式，即Bootloader后續(xù)部份仍將運行在Supervisor模式下。

       1．4 section重定位
       對于ADS或RVDS等開發(fā)工具，一個ARM程序通常由RO、RW和ZI三個section組成，其中RO是代碼和常量，RW是已初始化的全局變量，ZI是未初始化的全局變量(在GNU中對應的概念是TEXT、DATA和BSS)。RO代碼既可以在Flash中運行，也可以在RAM中運行?？紤]到Bootloader可能需要燒寫Flash，而燒寫時處理器無法從Flash中讀取指令，因此應將RO和RW復制到RAM中，并將ZI清零。RO復制完畢之后，程序就可以跳轉(zhuǎn)到RAM中運行。若不考慮燒寫Flash，則Bootloader不必復制RO，程序始終在Flash中運行。

       1．5 填寫中斷向量表
       中斷向量表一般位于RAM地址的端，存放著各個ISR的入口地址。由于IRQ Exception為全部中斷所共用，因此必須在IRQ Exception服務例程中根據(jù)中斷狀態(tài)寄存器來判斷中斷源并調(diào)用相應的ISR。各個ISR的入口地址需要在這一步里填寫。

       另外，S3C44B0X的中斷控制器支持Vectored和Non-Vectored兩種中斷處理模式，其中前者是Samsung自行開發(fā)的模式，并不被大多數(shù)ARM處理器所支持。考慮到代碼的可移植性，上面只討論了Non-Vectored Mode。 1．6 硬件初始化階段二
       遵循“必要”原則繼續(xù)對硬件資源進行初始化，包括S3C44B0X內(nèi)置的GPIO、Cache、中斷控制器和UART等。Bootloader中暫未用到的設備可以留待使用之前再進行初始化。

       S3C44B0X內(nèi)置有數(shù)據(jù)/指令合一的8KB Cache，且允許按照地址范圍設置兩個Non-Cacheable的區(qū)間。合理的配置是打開對RAM地址區(qū)間的Cache，關(guān)閉對其它地址區(qū)間的Cache，以避免可能存在的Cache一致性問題。

       1．7 建立人機界面
       引導過程的一步是在串行終端上建立人機交互界面。常見的做法是先等待固定的時間，若未接收到用戶輸入，則直接從Flash中加載或調(diào)用uClinux Kernel；若接收到用戶輸入，則顯示菜單模式或命令行模式的交互界面，并等待進一步的命令。

       2． 加載uClinux Kernel
       Bootloa der是否需要執(zhí)行加載操作，取決于uClinux Kernel Image的類型。根據(jù)不同的配置方式，可以生成以下幾種uClinux Kernel Image：

       2．1 非壓縮，非XIP
       XIP(eXecute In Place)是指在存放代碼的位置上就地運行程序；而非XIP就是指在運行之前需要對代碼進行重定位。該類型的uClinux Kernel Image以非壓縮格式存放在Flash中，需由Bootloader加載到RAM然后調(diào)用。該類型在開發(fā)調(diào)試階段為常用。

       2．2 非壓縮，XIP
       該類型的uClinux Kernel Image以非壓縮格式存放在Flash中，不需加載，由Bootloader直接調(diào)用。復制Data段和清零BSS段的工作由Kernel自行完成。該類型常用于RAM空間非常有限的系統(tǒng)中，缺點是程序在Flash中運行的速度稍慢。

       2．3 RAM自解壓
       壓縮格式的uClinux Kernel Image由開頭的一段自解壓代碼和其后的壓縮數(shù)據(jù)組成。由于是以壓縮格式存放，因此Kernel只能以非XIP方式運行。RAM自解壓的uClinux Kernel Image存放在Flash中，由Bootloader加載到RAM中的臨時空間，然后調(diào)用自解壓代碼。Kernel被解壓到終的目標空間然后運行；壓縮鏡像所占據(jù)的臨時空間在隨后由uClinux回收利用。該類型占用Flash較少，且運行速度較快，在終產(chǎn)品中更為常見。

       2．4 ROM自解壓
       解壓縮代碼也能夠以XIP的方式在Flash中運行。ROM自解壓的uClinux Kernel Image存放在Flash中，不需加載，由Bootloader直接調(diào)用其自解壓代碼，將uClinux Kernel解壓到終的目標空間并運行之。與RAM自解壓相比，ROM自解壓并不真正節(jié)省RAM，而且解壓縮的速度較慢，因此實用價值不大。

       3．設置內(nèi)核啟動參數(shù)
       Linux 2.4版本以后的內(nèi)核都期望以標記列表(tagged list)的形式來接收啟動參數(shù)。每個標記存放在一個tag結(jié)構(gòu)中，每個tag結(jié)構(gòu)由標識被傳遞參數(shù)的tag_header結(jié)構(gòu)以及隨后的參數(shù)值組成。通常由Bootloader設置的啟動參數(shù)有：ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_SERIAL等。啟動參數(shù)的標記列表以ATAG_CORE開始，以ATAG_NONE結(jié)束，代碼示例如下。其中0x0C000100是內(nèi)核啟動參數(shù)在RAM中的基地址，Bootloader應當將要傳遞的啟動參數(shù)復制到該處RAM中；指針params的類型是struct tag。宏tag_next()以指向當前標記的指針為參數(shù)，計算下一個標記的起始地址。     paRAMs = (struct tag *)0x0C000100;
       params->hdr.tag = ATAG_CORE;
       params->hdr.size = tag_size(tag_core);
       params->u.core.flags = 0;
       params->u.core.pagesize = 0;
       params->u.core.rootdev = 0;
       params = tag_next(params);
  & nbsp;   
       params->hdr.tag = ATAG_NONE;
       params->hdr.size = 0;

       對應地，在Linux內(nèi)核源碼arch/armnommu/mach-s3c44b0/arch.c中設置內(nèi)核啟動參數(shù)在RAM中的基地址：
       MACHINE_START (S3C44B0, "44B0")
      
       BOOT_PARAMS (0x0C000100)
      
       MACHINE_END

       4．調(diào)用uClinux Kernel
       Bootloader調(diào)用Kernel的方法是直接跳轉(zhuǎn)到其條指令處。對于ARM處理器，在跳轉(zhuǎn)時應當滿足下列條件：r0＝0；r1＝Machine ID；禁止IRQ和FIQ；處理器運行在Supervisor模式；關(guān)閉MMU；關(guān)閉Data Cache。

       對于S3C44B0X，它沒有MMU，其Cache是指令與數(shù)據(jù)合一的，因此只能全部關(guān)閉。各種ARM處理器的Machine ID均由www.arm.linux.org.uk分配；S3C44B0X的Machine ID是178。據(jù)此，用C代碼實現(xiàn)的Kernel調(diào)用示例如下，其中r0和r1的值通過參數(shù)傳遞：
       void (*CallKernel)(int zero, int mach) = (void (*)(int, int))KERNEL_ADDR;
       CallKernel(0, 178);

       5． 輔助功能
       完整的Bootloader還應該允許更新Flash中存放的uClinux Kernel Image以及Bootloader自身。為此，必要的輔助功能包括：從主機文件到目標板的RAM；用RAM中的數(shù)據(jù)燒寫Flash；以及實現(xiàn)上述操作所需的人機交互接口，這里就不贅述了。

參考文獻：
[1] 李善平，劉文峰等，Linux與嵌入式系統(tǒng)，清華大學出版社，2003年1月
[2] 詹榮開，嵌入式系統(tǒng)Boot Loader技術(shù)內(nèi)幕，2003年12月
[3] ARM Architecture Reference Manual, ARM, 2000
[4] S3C44B0X RISC Microprocessor User's Manual, Samsung, 2002

[5] ARM7TDMI datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/ARM7TDMI_139812.html.
[6] S3C44B0X datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/S3C44B0X_589522.html.