微處理器系統結構與嵌入式系統設計課件

2022/11/181第十一章

基于ARM的軟件系統設計1、嵌入式軟件系統結構及工作流程2、嵌入式軟件系統的引導和加載

S3C2440啟動過程、BootLoader基本概念、

U-boot的分析與移植3、嵌入式Linux操作系統

嵌入式操作系統、嵌入式Linux內核4、Linux下驅動程序設計示例

打開串口、設置串口、讀寫串口、關閉串口2022/11/101第十一章基于ARM的軟件系統設計1第十一章結束第十一章結束2022/11/183嵌入式軟件系統結構簡單的嵌入式應用

若嵌入式系統的功能需求比較簡單，嵌入式系統軟件只需完成較簡單的監(jiān)控、驅動和處理功能，則不需要嵌入式操作系統的支持。如基于8051的應用：玩具、家電、汽車等的控制系統復雜的嵌入式應用

若嵌入式系統的功能需求比較復雜，需要圖形用戶界面、網絡管理、存儲管理、進程/線程管理或需要支持二次開發(fā)等，則通過嵌入式操作系統的幫助，可以加快嵌入式系統軟件的開發(fā)進度和可靠性。如基于ARM的應用：手機、PDA2022/11/103嵌入式軟件系統結構簡單的嵌入式應用2022/11/184簡單嵌入式系統軟件結構不需要使用操作系統，基于裸機開發(fā)典型單任務程序架構（1）從CPU復位時的指定地址開始執(zhí)行；（2）跳轉至匯編代碼startup處執(zhí)行；（3）跳轉至用戶主程序main執(zhí)行，在main中完成：a.初試化各硬件設備；b.初始化各軟件模塊；c.進入死循環(huán)（無限循環(huán)），調用各模塊的處理函數2022/11/104簡單嵌入式系統軟件結構不需要使用操作系2022/11/185用戶主程序和各模塊的處理函數都以C語言完成。用戶主程序最后都進入了一個死循環(huán)，直到系統停電或者出現重大錯誤。voidmain(void){ ……//變量、參數等的定義及說明

X_init(); //系統初始化，一般為匯編代碼

While(1)X();//超級循環(huán)}2022/11/105用戶主程序和各模塊的處理函數都以C語言2022/11/186復雜嵌入式系統軟件的一般結構ARM+M+I/OHAL、底層封裝、部分由OS提供BOOTLOAD2022/11/106復雜嵌入式系統軟件的一般結構ARM+M2022/11/187復雜嵌入式系統軟件工作流程2022/11/107復雜嵌入式系統軟件工作流程2022/11/188S3C2440啟動方式

三星公司的S3C2440支持NorFlash和NandFlash啟動,可以通過硬件跳線(引腳OM[1:0])設置啟動方式。具體含義如下:OM[1：0]=00時，處理器從NANDFlash啟動OM[1：0]=01時，處理器從16位寬度的NorFlash啟動OM[1：0]=10時，處理器從32位寬度的NorFlash啟動OM[1：0]=11時，處理器從TestMode啟動2022/11/108S3C2440啟動方式 三星公司2022/11/189S3C2440NandFlashS3C2440NandFlash啟動過程

在系統上電后,NandFlash控制器會自動的把NandFlash上的前4KU-BOOT數據搬移到內部SRAM的地址最低端(此SRAM被稱為Steppingstone)； CPU從內部RAM的0x00000000位置開始啟動并在uboot啟動代碼的前4K里完成S3C2440的核心配置，然后把U-BOOT剩余部分搬到RAM中運行；2022/11/109S3C2440NandFlash2022/11/1810引導程序BootLoader是嵌入式系統在加電啟動后執(zhí)行的第一段代碼，功能類似pc機的BIOS和OSLoader，通常需要固化在目標板中；主要負責CPU、存儲器及相關硬件的初始化，以及將裝載操作系統映像到內存中，然后跳轉到規(guī)定的地址啟動操作系統運行。Bootloader是嚴重依賴硬件而實現的，每一種不同體系結構的處理器都有不同的Bootloader，甚至同一種處理器的外圍硬件配置不同，其Bootloader也有差別。因此開發(fā)特定的Bootloader是構建嵌入式linux系統之前的一項必要的基礎工作。2022/11/1010引導程序BootLoader是嵌入式2022/11/1811Bootloader的運行步驟Stage1（匯編實現）基本硬件設備初始化：CPU時鐘頻率，寄存器，存儲器數據寬度、訪問周期、刷新周期，中斷系統，I/O端口等；為第二階段準備RAM空間，設置堆棧；復制第二階段代碼到RAM中，并跳轉到第二階段入口點Stage2（C實現）初始化本階段要使用的硬件設備，實現對板級驅動的支持；檢測系統內存映射；將內核鏡像和根文件系統鏡像從flash讀到RAM中；為內核設置啟動參數；將PC指針指向內核的入口處，調用內核。掛載文件系統；2022/11/1011Bootloader的運行步驟Sta2022/11/1812Linux環(huán)境下BootLoader種類BootloaderMonitor描

述x86ARMPowerPCLILO否Linux磁盤引導程序是否否GRUB否GNU的LILO替代程序是否否Loadlin否從DOS引導Linux是否否ROLO否從ROM引導Linux而不需要BIOS是否否Etherboot否通過以太網卡啟動Linux系統的固件是否否LinuxBIOS否完全替代BUIS的Linux引導程序是否否BLOB否LART等硬件平臺引導程序否是否U-boot是通用引導程序是是是RedBoot是基于eCos的引導程序是是是2022/11/1012Linux環(huán)境下BootLoade2022/11/1813U-boot的分析與移植 U-boot全稱UniversalBootLoader，支持ARM體系等多種處理器，包含常見的外設的驅動，是一個開源的、功能強大的板極支持包；由德國DENX軟件工程中心的WolfgangDenk維護。 U-boot啟動時處于正常的啟動加載模式，但是它會延時指定時間（單位秒）等待終端用戶按下任意鍵而切換到下載模式，如果在指定時間內用戶沒有按鍵，則繼續(xù)啟動操作系統。2022/11/1013U-boot的分析與移植 U-bo2022/11/1814U-boot主要包括以下目錄board：該目錄存放了U-Boot支持的一些已有開發(fā)板的信息。每一個開發(fā)板都以一個子目錄出現在當前目錄中，如SMDK2410子目錄中存放與2410開發(fā)板相關的配置文件，但由于自行設計的目標板即使與已有開發(fā)板使用相同處理器，但其他硬件配置不一定相同，所以需要參考該目錄下的內容來進行修改，例如根據使用的Flash存儲器的寬度和容量，可以修改flash.c中對應的參數。common：該目錄存放的是U-Boot命令行界面下支持的各條命令的實現源碼。每一條命令都對應一個文件，例如bootm命令對應就是cmd_bootm.c。通常主要關心與內核引導有關的cmd_boot.c和cmd_bootm.c等代碼。cpu：該目錄存放了U-Boot支持的CPU類型。每一款U-Boot下支持的CPU在該目錄下對應一個子目錄，比如S3C2440A采用的是ARM920T內核，則子目錄arm920t下即是對該處理器核的支持源碼。CPU相關的文件主要是初始化一個執(zhí)行環(huán)境，包括中斷的初始化。其中有一個重要文件start.s，該文件是一個匯編源文件，它是整個U-Boot執(zhí)行的第一段代碼，它的功能是將整個U-Boot目標代碼重定位，也就是將U-Boot轉移至內存中去運行。2022/11/1014U-boot主要包括以下目錄boar2022/11/1815U-boot主要包括以下目錄drivers：U-Boot支持的各種設備驅動程序都放在該目錄，比如各種網卡、支持CFI的Flash、串口和USB等。fs:該目錄存放U-Boot支持的文件系統，例如fat、fdos、jffs2、cramfs、ext2和reiserfs等。include：U-Boot使用的頭文件，還有對各種硬件平臺支持的匯編文件，系統的配置文件和對文件系統支持的文件。該目錄下configs目錄有與開發(fā)板相關的配置頭文件。該目錄下的asm目錄有與CPU體系結構相關的頭文件，ARM對應的是asm-arm。lib_xxx:與體系結構相關的庫文件。與ARM相關的庫放在lib_arm中。net：與網絡協議棧相關的代碼，BOOTP協議、TFTP協議、RARP協議和NFS文件系統的實現。tools：生成U-Boot的工具，如：mkimage，crc等等。doc：文檔目錄。U-Boot有非常完善的文檔，推薦參考閱讀。2022/11/1015U-boot主要包括以下目錄driv2022/11/1816U-boot的運行過程分析 U-Boot的階段一代碼通常放在start.s文件中，用匯編語言寫成，其主要功能是設置處理器狀態(tài)、初始化中斷和內存時序、對整個U-Boot目標代碼進行重新定位。階段一剛開始的代碼是處理器的異常處理向量表：.globl_start ；系統復位的位置，由U-Boot.ld決定_start:breset ；0x00000000，各個異常向量對應的跳轉代碼 ldrpc,_undefined_instruction；0x00000004，未定義指令異常 ldr pc,_software_interrupt ；0x00000008，軟件中斷異常 ldr pc,_prefetch_abort ；0x0000000c，預取中止異常 ldr pc,_data_abort ；0x00000010，數據中止異常 ldr pc,_not_used ；0x00000014，未使用 ldr pc,_irq ；0x00000018，中斷異常 ldr pc,_fiq ；0x0000001c，快速中斷異常 …………當發(fā)生各類異常時，CPU將執(zhí)行interrupts.c中對應定義的中斷處理函數。2022/11/1016U-boot的運行過程分析 U-Bo2022/11/1817U-boot的運行過程分析reset /*setthecputoSVC32mode*/ mrs r0,cpsr bic r0,r0,#0x1f orr r0,r0,#0xd3 msr cpsr,r0 ;進入SVC管理模式，關閉中斷和快速中斷

…………

；關閉看門狗、禁止中斷、配置處理器內部時鐘、配置內存區(qū)控制寄；存器、

代碼搬移 ldr pc,_start_armboot ;轉C代碼，stage1結束的_start_armboot:.wordstart_armboot階段二：start_armboot()在board.c中定義，是Bootloader中的C語言開始的函數，也是整個啟動代碼中C語言的主函數，它類似于Linux內核的start_kernel()，是一種系統初始化的接口函數：調用一系列初始化函數完成CPU的基本設置、開發(fā)板初始化、中斷向量初始化、環(huán)境變量初始化、串口初始化等；配置可用的Flash區(qū)；內存初始化；I2C、LCD、video、音頻等外圍設備初始化；網絡設備初始化等等，最后進入U-Boot命令行。2022/11/1017U-boot的運行過程分析reset2022/11/1818嵌入式操作系統2022/11/1018嵌入式操作系統2022/11/1819嵌入式實時操作系統RTlinux及其他嵌入式實時LinuxuC/OSIIeCOSVxworks（windriversystems公司）QNX（QNXsoftwaresystems公司）pSOSOS/9VRTXThreadX嵌入式非實時操作系統一些嵌入inux系統WindowsCE、Embeddedwindowsxp（Microsoft公司）PalmOS（Palm公司）EPOC（Symbian公司)2022/11/1019嵌入式實時操作系統2022/11/1820Linux嵌入式操作系統 Linux是一個類Unix（Unix-like）的、免費的、源代碼開放的、符合POSIX（PortableOperatingSystemInterfaceStandard）標準規(guī)范的操作系統；

嚴格來說，Linux指由LinuxTorvalds維護的（及通過主要鏡像網站發(fā)布的）內核，而整個Linux系統的其它大部分都建立在GNU軟件之上；嵌入式Linux內核為特殊的硬件配置、或為了支持特別的應用而經過特別的裁剪的修改過的Linux內核；通常具有不同于工作站與服務器的內核配置；嵌入式Linux系統基于Linux內核的嵌入式系統；嵌入式Linux發(fā)行套件開發(fā)嵌入式Linux系統的平臺；各種為了在嵌入式系統中使用而剪裁過的應用軟件；2022/11/1020Linux嵌入式操作系統 Linux2022/11/1821Linux內核的發(fā)展歷史1991年11月，芬蘭赫爾辛基大學的學生LinusTorvalds寫了個小程序，取名為Linux，放在互聯網上。他表達了一個愿望，希望借此搞出一個操作系統的“內核”來，這完全是一個偶然事件；1993，在一批高水平黑客的參與下，誕生了Linux1.0版；1994年，Linux的第一個商業(yè)發(fā)行版Slackware問世；1996年，美國國家標準技術局的計算機系統實驗室確認Linux版本1.2.13（由OpenLinux公司打包）符合POSIX標準；2001年，Linux2.4版內核發(fā)布；2003年，Linux2.6版內核發(fā)布；……Linux內核版本號由3位數字組成r.x.y第1位數字r為主版本號

第2位數字x為說明版本類型的次版本號，如果x為偶數，則表示為產品化版本，為奇數時表示為實驗版本第3位數字y為修改號，表示錯誤修補的次數2022/11/1021Linux內核的發(fā)展歷史1991年12022/11/1822幾種流行的LinuxOS發(fā)行版本2022/11/1022幾種流行的LinuxOS發(fā)行版本2022/11/1823嵌入式Linux系統結構圖

嵌入式Linux具有分層的體系結構，一般可分為3小層及內核空間和用戶空間兩大塊，每一層模塊都屏蔽了其以下各層的具體細節(jié)，只對上層提供功能接口或圖形界面。上層模塊不需要知道其以下各層模塊的實現方式，只需要利用下層提供的接口完成相應功能即可。這樣的層次模型大大增加了嵌入式Linux的安全性、穩(wěn)定性、裁減或增添模塊的便利性。2022/11/1023嵌入式Linux系統結構圖2022/11/1824Linux內核的各子系統之間的關系

嵌入式Linux內核一般可以分為4個部分：進程調度管理、內存管理、文件系統和設備驅動程序，它們之間的關系如上圖所示。進程調度處于中心位置，其他所有子系統都依賴于它。在嵌入式系統中，嵌入式Linux的實時性能改造與進程調度有很大的關系，調度策略的算法直接關系到系統的實時性能。2022/11/1024Linux內核的各子系統之間的關系2022/11/1825嵌入式Linux中的文件系統結構

嵌入式Linux的文件系統建立在塊設備上，不采用驅動器號或驅動器名稱來標識，而是采用了樹形結構，每個獨立文件系統為一個子樹，組成樹形的層次化的結構。當引入新的文件系統時，嵌入式Linux通過掛載方式將其連接到某個目錄，從而使不同的文件系統組合成一個整體成為可能。2022/11/1025嵌入式Linux中的文件系統結構2022/11/1826嵌入式Linux內核移植如果一個系統是可以在不同的硬件平臺上運行，那么這個系統就是可移植的。Linux內核移植指根據自己的硬件平臺對內核源代碼進行修改，同時對內核進行裁剪，編譯出適合自己硬件平臺的內核鏡像文件。Linux內核源代碼包括多個目錄：（1）arch：包括硬件特定內核代碼，如arm、mips等；（2）drivers：包含硬件驅動代碼；（3）include：通用頭文件及針對不同平臺的特定頭文件；（4）init：內核初始化代碼；（5）ipc：進程間通信代碼；（6）kernel：內核核心代碼；（7）mm：內存管理代碼；（8）net：與網絡協議棧相關的代碼；（9）fs：文件系統相關代碼，如nfs、vfat等；（10）lib：庫文件，與平臺無關的strlen、strcpy等2022/11/1026嵌入式Linux內核移植如果一個系統2022/11/1827Linux下驅動程序設計示例Linux操作系統對串口有著很好的支持，其中的串口驅動程序對用戶屏蔽了底層硬件的相關信息，而且為用戶提供了一系列的標準調用函數，極大的方便了串口通信的操作。用戶編寫串口應用程序的時候不需要考慮硬件相關的問題，只需要根據Linux操作系統提供的調用函數來實現自己需要的功能。在Linux操作系統下，串口是被當做文件來對待的，因此對它進行數據收發(fā)等效于對文件進行讀寫操作。對串口的操作一般分為四個步驟：打開串口、設置串口、讀寫串口和關閉串口。2022/11/1027Linux下驅動程序設計示例Linu2022/11/1828(1)打開串口在ARM平臺中Linux操作系統下的串口設備文件為/dev/ttySAC0。

intfd;

fd=open("/dev/ttySAC0",O_RDWR) ; /*以讀寫方式打開串口*/ if(fd==-1) ;/*如果打開串口錯誤則輸出提示信息*/ {

perror("Can'tOpenSerialPort"); }2022/11/1028(1)打開串口在ARM平臺中Linu2022/11/1829(2)設置串口與無操作系統的情況下對串口進行初始化設置類似，在Linux下最基本的串口設置工作主要包括波特率、校驗位和停止位的設置，其設置方式主要是對structtermios結構體各成員值進行設置。在不同應用中通常需要設置的波特率及數據格式等參數都不一樣，可以將結構體成員賦值的功能編寫成函數，通過對該函數入口參數的修改，即可方便的實現不同的設置。2022/11/1029(2)設置串口與無操作系統的情況下對2022/11/1830波特率設置函數voidset_speed(intfd,intspeed){ inti; intstatus;

structtermios Opt;

tcgetattr(fd,&Opt); /*得到機器原端口的默認設置*/ for(i=0;i<sizeof(speed_arr)/sizeof(int);i++){ if(speed==name_arr[i]){

tcflush(fd,TCIOFLUSH);

cfsetispeed(&Opt,speed_arr[i]);

cfsetospeed(&Opt,speed_arr[i]); status=tcsetattr(fd,TCSANOW,&Opt); if(status!=0){ perror("tcsetattrfd1"); return; }

tcflush(fd,TCIOFLUSH); } }}2022/11/1030波特率設置函數voidset_sp2022/11/1831數據格式設置函數intset_Parity(intfd,intdatabits,intstopbits,intparity){

structtermiosoptions; if(tcgetattr(fd,&options)!=0){ perror("SetupSerial1"); return(FALSE); }options.c_cflag&=~CSIZE;switch(databits) //設置數據位個數 {case7:options.c_cflag|=CS7; //設置數據位為7位

break;case8:options.c_cflag|=CS8; //設置數據位為8位

break;default:fprintf(stderr,"Unsupporteddatasizen");return(FALSE); }2022/11/1031數據格式設置函數intset_Pa2022/11/1832數據格式設置函數switch(stopbits) //設置停止位個數 {case1:options.c_cflag&=~CSTOPB; //設置停止位為1位

break;

case2:options.c_cflag|=CSTOPB; //設置停止位為2位

break;default:fprintf(stderr,"Unsupportedstopbitsn");return(FALSE); }}2022/11/1032數據格式設置函數switch(st2022/11/1833switch(parity) //設置校驗位屬性{case'n':case'N':options.c_cflag&=~PARENB;//關閉奇偶校驗options.c_iflag&=~INPCK;//關閉輸入奇偶校驗檢測

break;

case'o':case'O':options.c_cflag|=(PARODD|PARENB);//設置為奇效驗options.c_iflag|=INPCK; //打開輸入奇偶校驗檢測

break;

case'e':case'E':options.c_cflag|=PARENB; //打開奇偶校驗options.c_cflag&=~PARODD; //設置為偶效驗options.c_iflag|=INPCK; //打開輸入奇偶校驗檢測

break;default:fprintf(stderr,"Unsupportedparityn");//不能識別的校驗類型return(FALSE);}2022/11/1033switch(parity) 2022/11/1834(3)讀寫串口實現數據傳輸從串口發(fā)送數據：使用文件操作write函數實現數據發(fā)送，示例程序如下： char buffer[1024]; int Length; int writeByte; writeByte=write(fd,buffer,Length)；功能：將發(fā)送緩沖區(qū)buffer中Length大小的數據從串口發(fā)出。從串口接收數據：使用文件操作read函數實現數據接收，示例程序如下： char buffer[1024]; int Length; int readByte; readByte=read(fd,buffer,Length);功能：讀取串口接收到的Length大小的數據，并放到接收緩沖區(qū)buffer中。2022/11/1034(3)讀寫串口實現數據傳輸從串口發(fā)送2022/11/1835(4)關閉串口

關閉串口就是關閉設備文件，使用文件操作close函數實現。 close（fd）；2022/11/1035(4)關閉串口 關閉串口就是關閉設備2022/11/1836第十一章

基于ARM的軟件系統設計1、嵌入式軟件系統結構及工作流程2、嵌入式軟件系統的引導和加載

S3C2440啟動過程、BootLoader基本概念、

U-boot的分析與移植3、嵌入式Linux操作系統

嵌入式操作系統、嵌入式Linux內核4、Linux下驅動程序設計示例

打開串口、設置串口、讀寫串口、關閉串口2022/11/101第十一章基于ARM的軟件系統設計1第十一章結束第十一章結束2022/11/1838嵌入式軟件系統結構簡單的嵌入式應用

若嵌入式系統的功能需求比較簡單，嵌入式系統軟件只需完成較簡單的監(jiān)控、驅動和處理功能，則不需要嵌入式操作系統的支持。如基于8051的應用：玩具、家電、汽車等的控制系統復雜的嵌入式應用

若嵌入式系統的功能需求比較復雜，需要圖形用戶界面、網絡管理、存儲管理、進程/線程管理或需要支持二次開發(fā)等，則通過嵌入式操作系統的幫助，可以加快嵌入式系統軟件的開發(fā)進度和可靠性。如基于ARM的應用：手機、PDA2022/11/103嵌入式軟件系統結構簡單的嵌入式應用2022/11/1839簡單嵌入式系統軟件結構不需要使用操作系統，基于裸機開發(fā)典型單任務程序架構（1）從CPU復位時的指定地址開始執(zhí)行；（2）跳轉至匯編代碼startup處執(zhí)行；（3）跳轉至用戶主程序main執(zhí)行，在main中完成：a.初試化各硬件設備；b.初始化各軟件模塊；c.進入死循環(huán)（無限循環(huán)），調用各模塊的處理函數2022/11/104簡單嵌入式系統軟件結構不需要使用操作系2022/11/1840用戶主程序和各模塊的處理函數都以C語言完成。用戶主程序最后都進入了一個死循環(huán)，直到系統停電或者出現重大錯誤。voidmain(void){ ……//變量、參數等的定義及說明

X_init(); //系統初始化，一般為匯編代碼

While(1)X();//超級循環(huán)}2022/11/105用戶主程序和各模塊的處理函數都以C語言2022/11/1841復雜嵌入式系統軟件的一般結構ARM+M+I/OHAL、底層封裝、部分由OS提供BOOTLOAD2022/11/106復雜嵌入式系統軟件的一般結構ARM+M2022/11/1842復雜嵌入式系統軟件工作流程2022/11/107復雜嵌入式系統軟件工作流程2022/11/1843S3C2440啟動方式

三星公司的S3C2440支持NorFlash和NandFlash啟動,可以通過硬件跳線(引腳OM[1:0])設置啟動方式。具體含義如下:OM[1：0]=00時，處理器從NANDFlash啟動OM[1：0]=01時，處理器從16位寬度的NorFlash啟動OM[1：0]=10時，處理器從32位寬度的NorFlash啟動OM[1：0]=11時，處理器從TestMode啟動2022/11/108S3C2440啟動方式 三星公司2022/11/1844S3C2440NandFlashS3C2440NandFlash啟動過程

在系統上電后,NandFlash控制器會自動的把NandFlash上的前4KU-BOOT數據搬移到內部SRAM的地址最低端(此SRAM被稱為Steppingstone)； CPU從內部RAM的0x00000000位置開始啟動并在uboot啟動代碼的前4K里完成S3C2440的核心配置，然后把U-BOOT剩余部分搬到RAM中運行；2022/11/109S3C2440NandFlash2022/11/1845引導程序BootLoader是嵌入式系統在加電啟動后執(zhí)行的第一段代碼，功能類似pc機的BIOS和OSLoader，通常需要固化在目標板中；主要負責CPU、存儲器及相關硬件的初始化，以及將裝載操作系統映像到內存中，然后跳轉到規(guī)定的地址啟動操作系統運行。Bootloader是嚴重依賴硬件而實現的，每一種不同體系結構的處理器都有不同的Bootloader，甚至同一種處理器的外圍硬件配置不同，其Bootloader也有差別。因此開發(fā)特定的Bootloader是構建嵌入式linux系統之前的一項必要的基礎工作。2022/11/1010引導程序BootLoader是嵌入式2022/11/1846Bootloader的運行步驟Stage1（匯編實現）基本硬件設備初始化：CPU時鐘頻率，寄存器，存儲器數據寬度、訪問周期、刷新周期，中斷系統，I/O端口等；為第二階段準備RAM空間，設置堆棧；復制第二階段代碼到RAM中，并跳轉到第二階段入口點Stage2（C實現）初始化本階段要使用的硬件設備，實現對板級驅動的支持；檢測系統內存映射；將內核鏡像和根文件系統鏡像從flash讀到RAM中；為內核設置啟動參數；將PC指針指向內核的入口處，調用內核。掛載文件系統；2022/11/1011Bootloader的運行步驟Sta2022/11/1847Linux環(huán)境下BootLoader種類BootloaderMonitor描

述x86ARMPowerPCLILO否Linux磁盤引導程序是否否GRUB否GNU的LILO替代程序是否否Loadlin否從DOS引導Linux是否否ROLO否從ROM引導Linux而不需要BIOS是否否Etherboot否通過以太網卡啟動Linux系統的固件是否否LinuxBIOS否完全替代BUIS的Linux引導程序是否否BLOB否LART等硬件平臺引導程序否是否U-boot是通用引導程序是是是RedBoot是基于eCos的引導程序是是是2022/11/1012Linux環(huán)境下BootLoade2022/11/1848U-boot的分析與移植 U-boot全稱UniversalBootLoader，支持ARM體系等多種處理器，包含常見的外設的驅動，是一個開源的、功能強大的板極支持包；由德國DENX軟件工程中心的WolfgangDenk維護。 U-boot啟動時處于正常的啟動加載模式，但是它會延時指定時間（單位秒）等待終端用戶按下任意鍵而切換到下載模式，如果在指定時間內用戶沒有按鍵，則繼續(xù)啟動操作系統。2022/11/1013U-boot的分析與移植 U-bo2022/11/1849U-boot主要包括以下目錄board：該目錄存放了U-Boot支持的一些已有開發(fā)板的信息。每一個開發(fā)板都以一個子目錄出現在當前目錄中，如SMDK2410子目錄中存放與2410開發(fā)板相關的配置文件，但由于自行設計的目標板即使與已有開發(fā)板使用相同處理器，但其他硬件配置不一定相同，所以需要參考該目錄下的內容來進行修改，例如根據使用的Flash存儲器的寬度和容量，可以修改flash.c中對應的參數。common：該目錄存放的是U-Boot命令行界面下支持的各條命令的實現源碼。每一條命令都對應一個文件，例如bootm命令對應就是cmd_bootm.c。通常主要關心與內核引導有關的cmd_boot.c和cmd_bootm.c等代碼。cpu：該目錄存放了U-Boot支持的CPU類型。每一款U-Boot下支持的CPU在該目錄下對應一個子目錄，比如S3C2440A采用的是ARM920T內核，則子目錄arm920t下即是對該處理器核的支持源碼。CPU相關的文件主要是初始化一個執(zhí)行環(huán)境，包括中斷的初始化。其中有一個重要文件start.s，該文件是一個匯編源文件，它是整個U-Boot執(zhí)行的第一段代碼，它的功能是將整個U-Boot目標代碼重定位，也就是將U-Boot轉移至內存中去運行。2022/11/1014U-boot主要包括以下目錄boar2022/11/1850U-boot主要包括以下目錄drivers：U-Boot支持的各種設備驅動程序都放在該目錄，比如各種網卡、支持CFI的Flash、串口和USB等。fs:該目錄存放U-Boot支持的文件系統，例如fat、fdos、jffs2、cramfs、ext2和reiserfs等。include：U-Boot使用的頭文件，還有對各種硬件平臺支持的匯編文件，系統的配置文件和對文件系統支持的文件。該目錄下configs目錄有與開發(fā)板相關的配置頭文件。該目錄下的asm目錄有與CPU體系結構相關的頭文件，ARM對應的是asm-arm。lib_xxx:與體系結構相關的庫文件。與ARM相關的庫放在lib_arm中。net：與網絡協議棧相關的代碼，BOOTP協議、TFTP協議、RARP協議和NFS文件系統的實現。tools：生成U-Boot的工具，如：mkimage，crc等等。doc：文檔目錄。U-Boot有非常完善的文檔，推薦參考閱讀。2022/11/1015U-boot主要包括以下目錄driv2022/11/1851U-boot的運行過程分析 U-Boot的階段一代碼通常放在start.s文件中，用匯編語言寫成，其主要功能是設置處理器狀態(tài)、初始化中斷和內存時序、對整個U-Boot目標代碼進行重新定位。階段一剛開始的代碼是處理器的異常處理向量表：.globl_start ；系統復位的位置，由U-Boot.ld決定_start:breset ；0x00000000，各個異常向量對應的跳轉代碼 ldrpc,_undefined_instruction；0x00000004，未定義指令異常 ldr pc,_software_interrupt ；0x00000008，軟件中斷異常 ldr pc,_prefetch_abort ；0x0000000c，預取中止異常 ldr pc,_data_abort ；0x00000010，數據中止異常 ldr pc,_not_used ；0x00000014，未使用 ldr pc,_irq ；0x00000018，中斷異常 ldr pc,_fiq ；0x0000001c，快速中斷異常 …………當發(fā)生各類異常時，CPU將執(zhí)行interrupts.c中對應定義的中斷處理函數。2022/11/1016U-boot的運行過程分析 U-Bo2022/11/1852U-boot的運行過程分析reset /*setthecputoSVC32mode*/ mrs r0,cpsr bic r0,r0,#0x1f orr r0,r0,#0xd3 msr cpsr,r0 ;進入SVC管理模式，關閉中斷和快速中斷

…………

；關閉看門狗、禁止中斷、配置處理器內部時鐘、配置內存區(qū)控制寄；存器、

代碼搬移 ldr pc,_start_armboot ;轉C代碼，stage1結束的_start_armboot:.wordstart_armboot階段二：start_armboot()在board.c中定義，是Bootloader中的C語言開始的函數，也是整個啟動代碼中C語言的主函數，它類似于Linux內核的start_kernel()，是一種系統初始化的接口函數：調用一系列初始化函數完成CPU的基本設置、開發(fā)板初始化、中斷向量初始化、環(huán)境變量初始化、串口初始化等；配置可用的Flash區(qū)；內存初始化；I2C、LCD、video、音頻等外圍設備初始化；網絡設備初始化等等，最后進入U-Boot命令行。2022/11/1017U-boot的運行過程分析reset2022/11/1853嵌入式操作系統2022/11/1018嵌入式操作系統2022/11/1854嵌入式實時操作系統RTlinux及其他嵌入式實時LinuxuC/OSIIeCOSVxworks（windriversystems公司）QNX（QNXsoftwaresystems公司）pSOSOS/9VRTXThreadX嵌入式非實時操作系統一些嵌入inux系統WindowsCE、Embeddedwindowsxp（Microsoft公司）PalmOS（Palm公司）EPOC（Symbian公司)2022/11/1019嵌入式實時操作系統2022/11/1855Linux嵌入式操作系統 Linux是一個類Unix（Unix-like）的、免費的、源代碼開放的、符合POSIX（PortableOperatingSystemInterfaceStandard）標準規(guī)范的操作系統；

嚴格來說，Linux指由LinuxTorvalds維護的（及通過主要鏡像網站發(fā)布的）內核，而整個Linux系統的其它大部分都建立在GNU軟件之上；嵌入式Linux內核為特殊的硬件配置、或為了支持特別的應用而經過特別的裁剪的修改過的Linux內核；通常具有不同于工作站與服務器的內核配置；嵌入式Linux系統基于Linux內核的嵌入式系統；嵌入式Linux發(fā)行套件開發(fā)嵌入式Linux系統的平臺；各種為了在嵌入式系統中使用而剪裁過的應用軟件；2022/11/1020Linux嵌入式操作系統 Linux2022/11/1856Linux內核的發(fā)展歷史1991年11月，芬蘭赫爾辛基大學的學生LinusTorvalds寫了個小程序，取名為Linux，放在互聯網上。他表達了一個愿望，希望借此搞出一個操作系統的“內核”來，這完全是一個偶然事件；1993，在一批高水平黑客的參與下，誕生了Linux1.0版；1994年，Linux的第一個商業(yè)發(fā)行版Slackware問世；1996年，美國國家標準技術局的計算機系統實驗室確認Linux版本1.2.13（由OpenLinux公司打包）符合POSIX標準；2001年，Linux2.4版內核發(fā)布；2003年，Linux2.6版內核發(fā)布；……Linux內核版本號由3位數字組成r.x.y第1位數字r為主版本號

第2位數字x為說明版本類型的次版本號，如果x為偶數，則表示為產品化版本，為奇數時表示為實驗版本第3位數字y為修改號，表示錯誤修補的次數2022/11/1021Linux內核的發(fā)展歷史1991年12022/11/1857幾種流行的LinuxOS發(fā)行版本2022/11/1022幾種流行的LinuxOS發(fā)行版本2022/11/1858嵌入式Linux系統結構圖

嵌入式Linux具有分層的體系結構，一般可分為3小層及內核空間和用戶空間兩大塊，每一層模塊都屏蔽了其以下各層的具體細節(jié)，只對上層提供功能接口或圖形界面。上層模塊不需要知道其以下各層模塊的實現方式，只需要利用下層提供的接口完成相應功能即可。這樣的層次模型大大增加了嵌入式Linux的安全性、穩(wěn)定性、裁減或增添模塊的便利性。2022/11/1023嵌入式Linux系統結構圖2022/11/1859Linux內核的各子系統之間的關系

嵌入式Linux內核一般可以分為4個部分：進程調度管理、內存管理、文件系統和設備驅動程序，它們之間的關系如上圖所示。進程調度處于中心位置，其他所有子系統都依賴于它。在嵌入式系統中，嵌入式Linux的實時性能改造與進程調度有很大的關系，調度策略的算法直接關系到系統的實時性能。2022/11/1024Linux內核的各子系統之間的關系2022/11/1860嵌入式Linux中的文件系統結構

嵌入式Linux的文件系統建立在塊設備上，不采用驅動器號或驅動器名稱來標識，而是采用了樹形結構，每個獨立文件系統為一個子樹，組成樹形的層次化的結構。當引入新的文件系統時，嵌入式Linux通過掛載方式將其連接到某個目錄，從而使不同的文件系統組合成一個整體成為可能。2022/11/1025嵌入式Linux中的文件系統結構2022/11/1861嵌入式Linux內核移植如果一個系統是可以在不同的硬件平臺上運行，那么這個系統就是可移植的。Linux內核移植指根據自己的硬件平臺對內核源代碼進行修改，同時對內核進行裁剪，編譯出適合自己硬件平臺的內核鏡像文件。Linux內核源代碼包括多個目錄：（1）arch：包括硬件特定內核代碼，如arm、mips等；（2）drivers：包含硬件驅動代碼；（3）include：通用頭文件及針對不同平臺的特定頭文件；（4）init：內核初始化代碼；（5）ipc：進程間通信代碼；（6）kernel：內核核心代碼；（7）mm：內存管理代碼；（8）net：與網絡協議棧相關的代碼；（9）fs：文件系統相關代碼，如nfs、vfat等；（10）lib：庫文件，與平臺無關的strlen、strcpy等2022/11/1026嵌入式Linux內核移植如果一個系統2022/11/1862Linux下驅動程序設計示例Linux操作系統對串口有著很好的支持，其中的串口驅動程序對用戶屏蔽了底層硬件的相關信息，而且為用戶提供了一系列的標準調用函數，極大的方便了串口通信的操作。用戶編寫串口應用程序的時候不需要考慮硬件相關的問題，只需要根據Linux操作系統提供的調用函數來實現自己需要的功能。在Linux操作系統下，串口是被當做文件來對待的，因此對它進行數據收發(fā)等效于對文件進行讀寫操作。對串口的操作一般分為四個步驟：打開串口、設置串口、讀寫串口和關閉串口。2022/11/1027Linux下驅動程序設計示例Linu2022/11/1863(1)打開串口在ARM平臺中Linux操作系統下的串口設備文件為/dev/ttySAC0。

intfd;

fd=open("/dev/ttySAC0",O_RDWR) ; /*以讀寫方式打開串口*/ if(fd==-1) ;/*如果打開串口錯誤則輸出提示信息*/ {

perror("Can'tOpenSerialPort"); }2022/11/1028(1)打開串口在ARM平臺中Linu2022/11/1864(2)設置串口與無操作系統的情況下對串口進行初始化設置類似，在Linux下最基本的串口設置工作主要包括波特率、校驗位和停止位的設置，其設置方式主要是對structtermios結構體各成員值進行設置。在不同應用中通常需要設置的波特率及數據格式等參數都不一樣，可以將結構體成員賦值的功能編寫成函數，通過對該函數入口參數的修改，即可方便的實現不同的設置。2022/11/1029(2)設置串口與無操作系統的情況下對2022/11/1865波特率設置函數voidset_speed(intfd,intspeed){ inti; intstatus;

structtermios Opt;

tcgetattr(fd,&Opt); /*得到機器原端口的默認設置*/ for(i=0;i<sizeof(speed_arr)/sizeof(int);i++){ if(speed==name_arr[i]){

tcflush(fd,TCIOFLUSH);

cfsetispeed(&Opt,speed_arr[i]);

cfsetospeed(&Opt,speed_arr[i]); status=tcsetattr(fd,TCSANOW,&Opt); if(status!=0){ perror("tcsetattrfd1"); return; }

tcflush(fd,TCIOFLUSH); } }}2022/11/1030波特率設置函數voidset_sp2022/11/1866數據格式設置函數intset_Parity(intfd,intdatabits,intstopbits,int