基于A(yíng)RM的嵌入式Linux移植真實(shí)體驗（1）――基本概念
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ARM是Advanced RISC Machines（高級精簡(jiǎn)指令系統處理器）的縮寫(xiě)，是ARM公司提供的一種微處理器知識產(chǎn)權（IP）核。
ARM的應用已遍及工業(yè)控制、消費類(lèi)電子產(chǎn)品、通信系統、網(wǎng)絡(luò )系統、無(wú)線(xiàn)系統等各類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)?；贏(yíng)RM 技術(shù)的微處理器應用約占據了32位RISC 微處理器75％以上的市場(chǎng)份額。揭開(kāi)你的手機、MP3、 PDA，嘿嘿，里面多半藏著(zhù)一個(gè)基于A(yíng)RM的微處理器！
ARM內核的數個(gè)系列（ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore、Xscale、StrongARM），各自滿(mǎn)足不同應用領(lǐng)域的需求，無(wú)孔不入的滲入嵌入式系統各個(gè)角落的應用。這是一個(gè)ARM的時(shí)代！
下面的圖片顯示了ARM的隨處可見(jiàn)：
有人的地方就有江湖（《武林外傳》），有嵌入式系統的地方就有ARM。
構建一個(gè)復雜的嵌入式系統，僅有硬件是不夠的，我們還需要進(jìn)行操作系統的移植。我們通常在A(yíng)RM平臺上構建Windows CE、Linux、Palm OS等操作系統，其中Linux具有開(kāi)放源代碼的優(yōu)點(diǎn)。
下圖顯示了基于A(yíng)RM嵌入式系統中軟件與硬件的關(guān)系：
日前，筆者作為某嵌入式ARM（硬件）/Linux（軟件）系統的項目負責人，帶領(lǐng)項目組成員進(jìn)行了下述工作：
(1)基于A(yíng)RM920T內核S3C2410A CPU的電路板設計；
(2)ARM處理下底層軟件平臺搭建：
a.Bootloader的移植；
b.嵌入式Linux操作系統內核的移植；
c.嵌入式Linux操作系統根文件系統的創(chuàng )建；
d.電路板上外設Linux驅動(dòng)程序的編寫(xiě)。
本文將真實(shí)地再現本項目開(kāi)發(fā)過(guò)程中作者的心得，以便與廣大讀者共勉。第一章將簡(jiǎn)單地介紹本ARM開(kāi)發(fā)板的硬件設計，第二章分析Bootloader的移植方法，第三章敘述嵌入式 Linux的移植及文件系統的構建方法，第四章講解外設的驅動(dòng)程序設計，第五章給出一個(gè)已構建好的軟硬件平臺上應用開(kāi)發(fā)的實(shí)例。
如果您有良好的嵌入式系統開(kāi)發(fā)基礎，您將非常容易領(lǐng)會(huì )本文講解地內容。即便是您從來(lái)沒(méi)有嵌入式系統的開(kāi)發(fā)經(jīng)歷，本文也力求讓您讀起來(lái)不覺(jué)得生澀。您可以通過(guò)如下email與作者聯(lián)系：21cnbao@21cn.com。
2.ARM體系結構
作為一種RISC體系結構的微處理器，ARM微處理器具有RISC體系結構的典型特征。還具有如下增強特點(diǎn)：
(l)在每條數據處理指令當中，都控制算術(shù)邏輯單元(ALU)和移位器，以使ALU和移位器獲得最大的利用率；
(2)自動(dòng)遞增和自動(dòng)遞減的尋址模式，以?xún)?yōu)化程序中的循環(huán)；
(3)同時(shí)Load和Store多條指令，以增加數據吞吐量；
(4)所有指令都條件執行，以增大執行吞吐量。
ARM體系結構的字長(cháng)為32位，它們都支持Byte(8位)、Halfword(16位)和Word(32位)3種數據類(lèi)型。
ARM處理器支持7種處理器模式，如下表：
大部分應用程序都在User模式下運行。當處理器處于User模式下時(shí)，執行的程序無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)一些被保護的系統資源，也不能改變模式，否則就會(huì )導致一次異常。對系統資源的使用由操作系統來(lái)控制。
User模式之外的其它幾種模式也稱(chēng)為特權模式，它們可以完全訪(fǎng)問(wèn)系統資源，可以自由地改變模式。其中的FIQ、IRQ、supervisor、Abort和undefined 5種模式也被稱(chēng)為異常模式。在處理特定的異常時(shí)，系統進(jìn)入這幾種模式。這5種異常模式都有各自的額外的寄存器，用于避免在發(fā)生異常的時(shí)候與用戶(hù)模式下的程序發(fā)生沖突。
還有一種模式是system模式，任何異常都不會(huì )導致進(jìn)入這一模式，而且它使用的寄存器和User模式下基本相同。它是一種特權模式，用于有訪(fǎng)問(wèn)系統資源請求而又需要避免使用額外的寄存器的操作系統任務(wù)。
程序員可見(jiàn)的ARM寄存器共有37個(gè)：31個(gè)通用寄存器以及6個(gè)針對ARM處理器的不同工作模式所設立的專(zhuān)用狀態(tài)寄存器，如下圖：
ARM9采用5級流水線(xiàn)操作：指令預取、譯碼、執行、數據緩沖、寫(xiě)回。ARM9設置了16個(gè)字的數據緩沖和4個(gè)字的地址緩沖。這5級流水已被很多的RISC處理器所采用，被看作RISC結構的“經(jīng)典”。
3.硬件設計
3.1 S3C2410A微控制器
電路板上的ARM微控制器S3C2410A采用了ARM920T核，它由ARM9TDMI、存儲管理單元MMU和高速緩存三部分組成。其中，MMU可以管理虛擬內存，高速緩存由獨立的16KB地址和16KB數據高速Cache組成。ARM920T有兩個(gè)內部協(xié)處理器：CP14和CP15。CP14用于調試控制，CP15用于存儲系統控制以及測試控制。
S3C2410A集成了大量的內部電路和外圍接口：
Ø LCD控制器(支持STN和TFT帶有觸摸屏的液晶顯示屏)
Ø SDRAM控制器
Ø 3個(gè)通道的UART
Ø 4個(gè)通道的DMA
Ø 4個(gè)具有PWM功能的計時(shí)器和一個(gè)內部時(shí)鐘
Ø 8通道的10位ADC
Ø 觸摸屏接口
Ø I2C總線(xiàn)接口
Ø 12S總線(xiàn)接口
Ø 兩個(gè)USB主機接口
Ø 一個(gè)USB設備接口
Ø 兩個(gè)SPI接口
Ø SD接口
Ø MMC卡接口
S3C2410A集成了一個(gè)具有日歷功能的RTC和具有PLL(MPLL和UPLL)的芯片時(shí)鐘發(fā)生器。MPLL產(chǎn)生主時(shí)鐘，能夠使處理器工作頻率最高達到203MHz。這個(gè)工作頻率能夠使處理器輕松運行WinCE、Linux等操作系統以及進(jìn)行較為復雜的信息處理。UPLL則產(chǎn)生實(shí)現USB模塊的時(shí)鐘。
下圖顯示了S3C2410A的集成資源和外圍接口：
我們需要對上圖中的AHB總線(xiàn)和APB總線(xiàn)的概念進(jìn)行一番解釋。ARM核開(kāi)發(fā)的目的，是使其作為復雜片上系統的一個(gè)處理單元來(lái)應用的，所以還必須提供一個(gè)ARM與其它片上宏單元通信的接口。為了減少不必要的設計資源的浪費，ARM公司定義了AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)總線(xiàn)規范，它是一組針對基于A(yíng)RM核的、片上系統之間通信而設計的、標準的、開(kāi)放協(xié)議。
在A(yíng)MBA總線(xiàn)規范中，定義了3種總線(xiàn)：
(l)AHB—Advanced High Performace Bus，用于高性能系統模塊的連接，支持突發(fā)模式數據傳輸和事務(wù)分割；
(2)ASB—Advanced System Bus，也用于高性能系統模塊的連接，支持突發(fā)模式數據傳輸，這是較老的系統總線(xiàn)格式，后來(lái)由AHB總線(xiàn)替代；
(3)APB—Advanced PeriPheral Bus，用于較低性能外設的簡(jiǎn)單連接，一般是接在A(yíng)HB或ASB系統總線(xiàn)上的第二級總線(xiàn)。
典型的AMBA總線(xiàn)系統如下圖：
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S3C2410A將系統的存儲空間分成8個(gè)bank，每個(gè)bank的大小是128M字節，共1G字節。Bank0到bank5的開(kāi)始地址是固定的，用于ROM或SRAM。bank6和bank7可用于ROM、SRAM或SDRAM。所有內存塊的訪(fǎng)問(wèn)周期都可編程，外部Wait也能擴展訪(fǎng)問(wèn)周期。下圖給出了S3C2410A的內存組織：
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下圖給出了S3C2410A的數據總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和片選電路：
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SDRAM控制信號、集成USB接口電路：
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內核與存儲單元供電電路（S3C2410A對于片內的各個(gè)部件采用了獨立的電源供給，內核采用1.8V供電，存儲單元采用3.3V獨立供電）：
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JTAG標準通過(guò)邊界掃描技術(shù)提供了對電路板上每一元件的功能、互聯(lián)及相互間影響進(jìn)行測試的方法，極大地方便了系統電路的調試。
測試接入端口TAP的管腳定義如下：
Ø TCK：專(zhuān)用的邏輯測試時(shí)鐘，時(shí)鐘上升沿按串行方式對測試指令、數據及控制信號進(jìn)行移位操作，下降沿用于對輸出信號移位操作；
Ø TMS：測試模式選擇，在TCK上升沿有效的邏輯測試控制信號；
Ø TDI：測試數據輸入，用于接收測試數據與測試指令；
Ø TDO：測試數據輸出，用于測試數據的輸出。
S3C2410A調試用JTAG接口電路：
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3.2 SDRAM存儲器
SDRAM被用來(lái)存放操作系統（從FLASH解壓縮拷入）以及存放各類(lèi)動(dòng)態(tài)數據，采用SAMSUNG公司的K4S561632，它是4Mxl6bitx4bank的同步DRAM，容量為32MB。用2片K4S561632實(shí)現位擴展，使數據總線(xiàn)寬度達到32bit，總容量達到64MB，將其地址空間映射在S3C2410A的bank6。
SDRAM 所有的輸入和輸出都與系統時(shí)鐘CL K上升沿同步，由輸入信號RA S、CA S、WE組合產(chǎn)生SDRAM 控制命令，其基本的控制命令如下：
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SDRAM 在具體操作之前首先必須通過(guò)MRS命令設置模式寄存器，以便確定SDRAM 的列地址延遲、突發(fā)類(lèi)型、突發(fā)長(cháng)度等工作模式；再通過(guò)ACT命令激活對應地址的組，同時(shí)輸入行地址；然后通過(guò)RD 或WR 命令輸入列地址，將相應數據讀出或寫(xiě)入對應的地址；操作完成后用PCH 命令或BT 命令中止讀或寫(xiě)操作。在沒(méi)有操作的時(shí)候，每隔一段時(shí)間必須用ARF命令刷新數據，防止數據丟失。
下圖給出了SDRAM的連接電路：
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3.3 FLASH存儲器
NOR和NAND是現在市場(chǎng)上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。
NOR的特點(diǎn)是芯片內執行(XIP，Execute In Place)，即應用程序可直接在Flash閃存內運行，不必把代碼讀到系統RAM中。NOR的傳輸效率很高，在1~4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫(xiě)入和擦除速度大大影響了它的性能。
NAND結構能提供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，并且寫(xiě)入和擦除的速度也很快。應用NAND的困難在于Flash的管理和需要特殊的系統接口，S3C2410A內嵌了NAND FLASH控制器。
S3C2410A支持從GCS0上的NOR FLASH啟動(dòng)（16位或32位）或從NAND FLASH啟動(dòng)，需要通過(guò)OM0和OM1上電時(shí)的上下拉來(lái)設置：
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在系統中分別采用了一片NOR FLASH(28F640)和NAND FLASH(K9S1208)，電路如下圖：
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3.4串口
S3C2410內部集成了UART控制器，實(shí)現了并串轉換。外部還需提供CMOS/TTL電平與RS232之間的轉換：
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3.5以太網(wǎng)
以太網(wǎng)控制芯片采用CIRRUS LOGIC公司生產(chǎn)的CS8900A，其突出特點(diǎn)是使用靈活，其物理層接口、數據傳輸模式和工作模式等都能根據需要而動(dòng)態(tài)調整，通過(guò)內部寄存器的設置來(lái)適應不同的應用環(huán)境。它符合IEEE803.3以太網(wǎng)標準，帶有傳送、接收低通濾波的10Base-T連接端口，支持10Base2，10Base5和10Base-F的AUI接口，并能自動(dòng)生成報頭，自動(dòng)進(jìn)行CRC檢驗，在沖突后自動(dòng)重發(fā)。
CS8900A支持的傳輸模式有I/O和Memory模式。當CS8900A有硬件復位或軟件復位時(shí),它將默認成為8位工作模式。因此，要使CS8900A工作于16位模式，系統必須在訪(fǎng)問(wèn)之前提供給總線(xiàn)高位使能管腳(/SBHE)一個(gè)由高到低、再由低到高變化的電平。
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3.6 USB接口
USB 系統由USB 主機（USB Host）、USB集線(xiàn)器（USB Hub）和USB設備（USB Device）組成。USB 和主機系統的接口稱(chēng)作主機控制器（Host Controller），它是由硬件和軟件結合實(shí)現的。根集線(xiàn)器是綜合于主機系統內部的，用以提供USB的連接點(diǎn)。USB的設備包括集線(xiàn)器（Hub）和功能器件（Function）。
S3C2410A集成了USB host和USB device，外部連接電路如下圖：
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3.7電源
LDO(Low Dropout)屬于DC/DC變換器中的降壓變換器，它具有低成本、低噪聲、低功耗等突出優(yōu)點(diǎn)，另外它所需要的外圍器件也很少，通常只有 1~2 個(gè)旁路電容。
在電路板上我們分別用兩個(gè)LDO來(lái)實(shí)現5V向3.3V（存儲接口電平）和1.8V（ARM內核電平）的轉換。
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up監控電路采用MAX708芯片，提供上電、掉電以及降壓情況下的復位輸出及低電平有效的人工復位輸出：
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3.8其它
SN74LVTH62245A提供總線(xiàn)驅動(dòng)和緩沖能力：
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S3C2410A集成LCD液晶顯示器控制電路，外部引出接口：
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觸摸屏有電阻式、電容式等，其本質(zhì)是一種將手指在屏幕上的觸點(diǎn)位置轉化為電信號的傳感器。手指觸到屏幕，引起觸點(diǎn)位置電阻或電容的變化，再通過(guò)檢測這一電性變化，從而獲得手指的坐標位置。通過(guò)S3C2410A集成的AD功能，完成電信號向屏幕坐標的轉化，觸摸屏接口如下：
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鍵盤(pán)則直接利用CPU的可編程I/O口，若連接 mxn鍵盤(pán)，則需要m+n個(gè)可編程I/O口，由軟件實(shí)現鍵盤(pán)掃描，識別按鍵：
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3.9整體架構
下圖呈現了ARM處理器及外圍電路的整體設計框架：
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4.小結
本章講解了基于S3C2410A ARM處理器電路板硬件設計的基本組成，為后續各章提供了總體性的準備工作。
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