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1 引言 嵌入式系統是近年來計算機學科領域一個新的發展方向。尼葛洛龐帝曾在2001年時預言，嵌入式智能電腦將是繼PC和Internet之后的最偉大發明。在當今社會中，嵌入式系統已經廣泛滲透到我們的工作、生活中的各個領域。隨著消費電子行業的飛速發展，嵌入式系統工程師的需求量越來越大，相關課程的學習和培訓也越來越多。在眾多品牌嵌入式教學實驗平臺的實際使用過程中，筆者發現了一些問題。 首先是目前的設備利用率不高。大多數設備提供的bootloader只能安裝一個操作系統，這讓用戶能接觸到的內容非常有限。其次，由于參加各類競賽活動的設備對操作系統的需求比較多樣，因此每次都必須花時間給設備重新安裝所需的操作系統。然而，這樣的改動又會對日常的教學活動帶來一些不便，操作系統的更改將可能導致課程實驗無法正常進行。最后，由于安裝操作系統的單一性，使一些初次接觸嵌入式系統的用戶對它產生了一些狹隘的認識，無法更大地激發大家的學習興趣。 如果能夠實現在一臺嵌入式教學實驗平臺上安裝多個操作系統，系統之間彼此互不干擾，并且能夠根據用戶的要求啟動不同的系統，那么上述這些問題將會得到很好的解決。當然，在實際的應用中，我們也可以在某個嵌入式平臺上安裝多操作系統，從而方便的在不同系統間切換來解決問題。為此，筆者對正在使用的S3C2410開發板做了一些改動，并根據它的實際情況考慮了一套完整的解決方案。 本文首先分析了為何選用U-Boot作為Bootloader, 之后詳細介紹了每種嵌入式操作系統在U-Boot下啟動所需的一些修改，最后給出了實現的效果圖。 2 Bootloader的選擇 嵌入式系統的啟動如同PC機的啟動一樣，有一個固定的步驟，通常我們把實現這個啟動步驟的程序稱為bootloader。bootloader對于嵌入式系統的重要性猶如BIOS對于PC那樣。如果沒有一個正確的bootloader，系統可能將無法啟動。目前，比較常用的bootloader有vivi、U-Boot、E-Boot、blob等，其中E-Boot為Microsoft Windows CE啟動專用的bootloader，無法啟動其他操作系統。因此，在設計之初選擇一個合適的bootloader非常有必要。考慮到 vivi缺少以太網接口芯片AX8876的驅動程序等原因，我們最終決定使用 U-Boot作為開發的bootloader。 U-Boot，全稱Universal Boot Loader，是遵循GPL條款的開放源碼項目。從 FADSROM、8xxROM、PPCBOOT逐步發展演化而來。目前，它支持Linux、VxWorks，QNX，ARTOS，LynxOS等眾多嵌入式操作系統。這是U-Boot中 Universal的一層含義，另外一層含義則是U-Boot除了支持PowerPC系列的處理器外，還能支持MIPS、x86、ARM、XScale等常用系列的處理器。這兩個特點正是U-Boot項目的開發目標，即支持盡可能多的嵌入式處理器和嵌入式操作系統。目前U-Boot的最新版本為 1.2.0，我們也以U-Boot 1.2.0作為系統的bootloader。與DOS等操作系統類似，U-Boot也具有一個命令行控制臺，用戶可以通過U-Boot的內建指令來完成一系列的操作，包括傳輸、讀寫、運行等。 3 多系統啟動的設計 在多系統啟動的研究過程中涉及U-Boot、vivi、WinCE、Linux、uCOS等多個系統或軟件，其整體框架如下圖1所示。 
圖1 多系統啟動的整體設計圖 該平臺的開發過程中涉及了系統的啟動方式、設備驅動程序更改、Linux根文件系統、WinCE和Linux系統的配置和編譯、多操作系統的安裝等多項具體內容。下面我們將詳細介紹每種系統在U-Boot下啟動所需的一些改動。 3.1 WinCE在U-Boot下的啟動 一般情況下，安裝WinCE的步驟是先燒寫Nboot到block0，再燒寫tocblock1到 block1，然后燒寫E-Boot到block2，最后用E-Boot通過以太網接口燒寫 WinCE鏡像文件。其中Nboot是實現從Nand Flash啟動，tocblock1則負責保存 E-Boot中設置的各項參數。使用了U-Boot之后，U-Boot代替了Nboot的功能，但tocblock1卻缺失了。這造成了E-Boot的參數無法正常保存，最終導致無法正常下載和保存WinCE鏡像文件。通過實驗發現如果強行保存E-Boot的參數，將造成U-Boot的損壞，整個系統將徹底無法啟動。 最終，將定制好的鏡像文件NK.nb0直接下載到所對應的內存地址后運行，這樣WinCE的啟動就成功了。另外，必須注意的一點就是，在加載鏡像文件之前，必須先將待用的內存空間擦除，否則可能導致系統啟動出錯。 3.2 Linux在U-Boot下的啟動 在嵌入式Linux系統中，主要分為兩個部分：系統內核與根文件系統。其中系統內核包含了操作系統的主要功能、額外功能模塊和設備驅動程序。而根文件系統則是內核在加載了之后第一個掛載的文件系統。它是一個特殊的文件系統，如果它無法被正常掛載，則可能導致整個Linux系統啟動失敗。 為了使linux可以在U-Boot下啟動，我們需要做如下一些修改。 首先，我們應保證Linux內核能獲取到正確的啟動參數。啟動參數往往是 bootloader中設置的，Linux內核通過讀取bootloader中預設的啟動參數來尋找根文件系統的位置。為了讀取正確的啟動參數，必須要對Linux內核做一個處理。mkimage工具是編譯U-Boot時產生的一個工具，它會在原來的可執行鏡像文件上增加一個0x40字節的文件頭，用于指定諸如CPU架構、操作系統、文件類型、是否壓縮、入口地址等各類信息。使用了mkimage工具以后，再搭配使用U-Boot控制臺中的命令，就能讀取到啟動參數了。 其次，在vivi中，最底層的文件系統是bon。vivi有一套bon命令，用于格式化Flash并創建bon文件系統，而MTD（Memory Technology Device）則可以與之共存。最后可以將bon或MTD作為根文件系統。如果不使用vivi的bon文件系統，那么必須在某個地方存放Flash的分區信息。這時，最大的可能就是存放在Linux內核中。如果要直接使用MTD，則可以通過修改代碼，在Linux內核中指定分區信息。在找到根文件系統后，Linux便能正常啟動了。 3.3 uCOS在U-Boot下的啟動 用ARM Develop Suite編譯后的uCOS系統可以得到一個二進制的可執行文件 system.bin，下載到編譯時設置的入口內存地址即可運行。uCOS的YAFFS文件系統需要bon文件系統的支持，可以用vivi來完成建立bon文件系統的工作，而且必須用匯編語言在U-Boot的start.S文件中對CPU進行初始化，否則將造成uCOS實驗無法正常運行。 至此，WinCE、Linux、uCOS三個操作系統在U-Boot下都可以正常啟動了。為了更好的完善多系統啟動平臺，我們還進行了以下三個方面的補充。首先，顯示方面主要包含LCD驅動程序，并且在系統啟動時顯示bmp文件格式的單色 Logo，在屏幕下方顯示7種顏色的色塊，以驗證屏幕是否正常工作。其次，為方便用戶的使用，也可以通過觸摸屏直接選擇需要啟動的系統，無需連接PC主機。主要包含加載觸摸屏驅動程序，讀取校準參數，反饋用戶操作，啟動系統或者接受用戶從鍵盤發出的命令來啟動系統。最后，在系統具有密碼保護的情況下，拒絕未經授權的用戶登錄U-Boot的命令行。因為U-Boot的nand命令組可以對Flash進行格式化操作，這給學校機房的管理帶來很多不便。 4 運行效果 在系統啟動后，啟動界面如圖2所示。用戶可以根據相關提示選擇希望啟動的操作系統，如果用戶放棄選擇，則默認進入uCOS操作系統。之后，我們又隨機進行了一些測試，測試結果表明：每種系統都可以正常、穩定的運行。本平臺為支持多操作系統的可視化教學實驗平臺，主要具有以下功能： （1）在同一設備上實現WinCE、Linux、uCOS操作系統的共存和選擇啟動。 （2）在系統啟動時顯示產品Logo。 （3）對bootloader命令行實施密碼保護，禁止未經授權用戶更改Flash中的系統數據。 （4）用戶可以通過PC主機和平臺的串口通訊選擇需要啟動的系統。 （5）用戶可以通過觸摸屏直接選擇需要啟動的系統，無需連接PC主機。
圖2 啟動界面效果圖 5 結束語 本文以博創公司的UP-NETARM2410-S作為硬件支持，以 U-Boot作為系統的 Bootloader，在原平臺的基礎上提供更為友好、更為實用的啟動界面，能在同一臺設備上完成WinCE、Linux和 uCOS多操作系統的選擇啟動，而且啟動的每個系統都可以正常、穩定的運行。本文所提出的多系統啟動具有良好的推廣價值，可適用于多種嵌入式平臺。 本文創新點：實現了基于S3C2410開發板，WinCE、Linux和 uCOS多操作系統的選擇啟動，不僅具有友好、方便的圖形化用戶操作界面，而且用戶可脫離 PC主機直接選擇需要啟動的系統。啟動后的每個系統都可以正常、穩定的運行。 作者：薛小艷，支小莉 來源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第7-2期 |
