基于ARM的嵌入式Linux應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)研究

　　0 引 言

　　當(dāng)今社會(huì)，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到人們工作、生活中的各個(gè)領(lǐng)域，嵌入式處理器已占分散處理器市場(chǎng)份額的94%。而嵌入式Linux系統(tǒng)也蓬勃發(fā)展，不僅繼承了Linux源碼開(kāi)放、內(nèi)核穩(wěn)定高效、軟件豐富等優(yōu)勢(shì)，還具備支持廣泛處理器結(jié)構(gòu)和硬件平臺(tái)、占有空間小、成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。

　　1 ARM處理器及開(kāi)發(fā)板

　　在嵌入式領(lǐng)域，ARM已取得了極大的成功，造就了IP核商業(yè)化、市場(chǎng)化的神話。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球有103家巨型IT公司在采用ARM技術(shù)，20家最大的半導(dǎo)體，一商中有19家是ARM的用戶。ARM系列芯片已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于移動(dòng)電活、手持式計(jì)算機(jī)以及各種各樣的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，成為世界上銷量最大的32位微處理器。ARM已成為業(yè)界實(shí)際的RISC芯片標(biāo)準(zhǔn)。

　　ARM系列處理器根據(jù)各自特點(diǎn)應(yīng)用于不同領(lǐng)域。從應(yīng)用的角度上ARM芯片選擇的一般原則：MMU;處理器速度;內(nèi)置存儲(chǔ)器容量;USB接口;GPIO數(shù)量;中斷控制器;IIS(integrate interface ofsound)音頻接口;nWAIT信號(hào);RTC(real timeclock);LCD控制器;PWM輸出等各項(xiàng)指標(biāo)。

　　本文使用的是ARM9，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高過(guò)ARM7。開(kāi)發(fā)板使用的是廣州斯道信息技術(shù)有限公司的開(kāi)發(fā)板，中央處理器是三星公司的S3C2410。ARM9具有以下特點(diǎn)：5級(jí)流水線;采用哈佛結(jié)構(gòu);高速緩存和寫緩存的引入;支持MMU。

　　2嵌入式Linux系統(tǒng)

　　嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它的出現(xiàn)解決了嵌入式軟件開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的難題。嵌入式系統(tǒng)具有操作系統(tǒng)的最基本的功能。目前主流的嵌入式系統(tǒng)有以下兒種：Linux、VxWorks、QNX、Windows CE、Palm OS。

　　嵌入式Linux操作系統(tǒng)具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：層次結(jié)構(gòu)及內(nèi)核完全開(kāi)放;強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能;具備一整套工具鏈;廣泛的硬件支持特性。

　　嵌入式Linux系統(tǒng)有很多種。本文使用的是Red Hat9操作系統(tǒng)。

　　在安裝有Windows和Linux雙系統(tǒng)的PC上，系統(tǒng)會(huì)以Linux的GRUB作為引導(dǎo)裝入器來(lái)選擇啟動(dòng)二者。此時(shí)若直接刪除Linux分區(qū)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng)Windows或者是需要用行命令才能啟動(dòng)Windows?？梢韵仁褂锰摂M機(jī)安裝Linux系統(tǒng)，練習(xí)使用，熟悉后再在PC上安裝。

　　3應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

　　一般嵌入式開(kāi)發(fā)流程如圖1所示。

　　這里省略前面三步，從開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序開(kāi)始。

　　3.1交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境建立

　　對(duì)嵌入式系統(tǒng)而言，只裝備必要的資源是前提條件，這也決定了嵌入式應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)環(huán)境不可能是資源有限的嵌入式系統(tǒng)，只能利用資源豐富的PC開(kāi)發(fā)，然后建立交叉開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

　　交叉編譯器(cross-compiler)是進(jìn)行交叉平臺(tái)開(kāi)發(fā)的主要軟件工具。它是運(yùn)行在一種處理器體系結(jié)構(gòu)上，但是可以生成在另一種不同的處理器體系結(jié)構(gòu)上運(yùn)行的目標(biāo)代碼的編譯器。 要建立交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境，主要需要幾個(gè)工具包：gcc，glib，binutils，gdb等。一般開(kāi)發(fā)板都提供這些工具，如果不是使用的開(kāi)發(fā)板，在網(wǎng)上也是可以下載到全部軟件包的。依次將它們安裝在PC上即可。

　　Linux的軟件安裝方法與Windows不同。Linux中根據(jù)不同的壓縮打包方式使用不同的命令安裝。在安裝過(guò)程中，由于軟件包之間的依賴關(guān)系，系統(tǒng)可能會(huì)警告還有哪些沒(méi)有安裝，可以忽略這些警告。

　　3.2 U-Boot

　　在U-Boot(UniversalBootloader)之前，先介紹一下Bootloader。簡(jiǎn)單的說(shuō)，Bootloader就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前的一段引導(dǎo)程序，類似于PC中的BIOS。通過(guò)它，可以完成對(duì)應(yīng)硬件設(shè)備的初始化，并建立內(nèi)存空間的映射圖的功能，為最終調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)核做好準(zhǔn)備。

　　U-Boot是遵循GPL條款的開(kāi)放源碼項(xiàng)目，它不僅僅支持嵌人式Linux系統(tǒng)的引導(dǎo)，U-Boot中Universal的一層含義就是在于U-Boot支持多種嵌入式操作系統(tǒng)，就目前來(lái)看，U-Boot對(duì)Linux的支持最完善。另外一層含義則是U-Boot支持多種常用系列的處理器。

　　U-Boot支持的主要功能：系統(tǒng)引導(dǎo);基本輔助功能(操作系統(tǒng)接口功能;可靈活設(shè)置、傳遞多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)給操作系統(tǒng);支持目標(biāo)板多種存儲(chǔ)方式;CRC32校驗(yàn));設(shè)備驅(qū)動(dòng);上電自檢功能;特殊功能(XIP內(nèi)核引導(dǎo))。

　　U-Boot移植主要分為兩步：配置主板和設(shè)置Flash和SDRAM時(shí)序。

　　3.3嵌入式Linux系統(tǒng)內(nèi)核編譯和移植

　　嵌入式Linux內(nèi)核的編譯都是通過(guò)make的不同命令實(shí)現(xiàn)的，一般分為3步：(1)內(nèi)核配置。主要是用戶用于為目標(biāo)板選擇處理器架構(gòu)的選項(xiàng)。內(nèi)核支持4種方法的配置，雖然界面不同，但功能是一樣的，其中make menuconfig使用最廣泛;(2)建立依賴關(guān)系。在第一次編譯時(shí)發(fā)生，產(chǎn)生.de-pend文件，運(yùn)行make dep即可;(3)建立內(nèi)核。這里建立的是壓縮的內(nèi)核映像，使用make zIm-age或make bzImage。這樣就完成了編譯，下載在開(kāi)發(fā)板即可。

　　一般來(lái)說(shuō)與開(kāi)發(fā)板通信有3種方式：網(wǎng)絡(luò)下載(tftp，ftp等)，串口下載和USB下載。用tftp下載，需要配置Linux下的tftp服務(wù)，然后將PC和開(kāi)發(fā)板直連線(非網(wǎng)線)即可;用串口下載，需要配置Linux下的串日通信工具M(jìn)inicom。配置的主要是一些重要參數(shù)，如波特率。

　　但是只有系統(tǒng)內(nèi)核是不夠的，要使系統(tǒng)正常啟動(dòng)，還需要加載文件系統(tǒng)，所以需要制作文件系統(tǒng)。可以手工制作，但是工作量太大，一般是把現(xiàn)有文件系統(tǒng)加載到目標(biāo)板，包括制作文件系統(tǒng)鏡像和用NFS加載文件系統(tǒng)方法。

　　開(kāi)發(fā)板上一般已經(jīng)燒寫好了嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核鏡像，文件系統(tǒng)和前面講的U-Boot，在掌握了燒寫方法后，可以自己下載。

　　3.4源程序的獲得、編譯和調(diào)試

　　由于Linux是開(kāi)源軟件，所以運(yùn)行在其下的應(yīng)用軟件也是開(kāi)源軟件，不管是哪一類的都免費(fèi)獲得源代碼?？梢灾苯釉谝延械脑创a上進(jìn)行修改得到符合要求的代碼。論文中使用的就是已有的源代碼，如圖2所示。

　　Linux操作系統(tǒng)支持匯編，C，C++，Basic，F(xiàn)ortran，Pascal，JAVA，PHP等多種編程語(yǔ)言。其下的文本編輯器是Vi和Emacs，二者均有強(qiáng)大的編輯功能。圖形界面的編程用的是Qt或是MiniGUI。利用以上軟件，跟在Windows和其他操作系統(tǒng)下的軟件編寫方法完全相同。

　　編寫軟件的過(guò)程與在其他系統(tǒng)下沒(méi)有什么不同，不同的地方在與編譯和調(diào)試。嵌入式中稱之為交叉編譯和交叉調(diào)試。

　　交叉編譯就是將在PC上編寫好的源代碼經(jīng)過(guò)編譯、鏈接生成可以在嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行的代碼，如圖2所示。

　　在交叉調(diào)試中，調(diào)試器和被調(diào)試程序分別在PC系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)中，這是與一般調(diào)試不同的地方。交叉調(diào)試一般分為軟件調(diào)試和硬件調(diào)試。

　　軟件調(diào)試插入調(diào)試樁的方式進(jìn)行。典型的是GDB調(diào)試器，它分為GdbServer和GdbClient，前者作為調(diào)試樁安裝在arm的嵌入式系統(tǒng)中，后者駐于本地PC中，二者可通過(guò)串口、網(wǎng)口、并口通信。

　　硬件調(diào)試一般都使用的是仿真器，常用的如ROMMonitor、ROMEmulator、In-CircuitEmulator和In-CircuitDebugger。硬件調(diào)試功能更強(qiáng)大，性能更優(yōu)秀，但是有的價(jià)格昂貴，額外的設(shè)備增加了成本。而ARM的JTAG端口實(shí)現(xiàn)在CPU內(nèi)部調(diào)試，通過(guò)端口發(fā)送命令和接收信息。

　　JTAG采用的主要技術(shù)為邊界掃描技術(shù)，它的基本思想就是在靠近芯片的輸入輸出管腳上增加一個(gè)移位寄存器單元。當(dāng)芯片處于調(diào)試狀態(tài)時(shí)候，這些邊界掃描寄存器可以將芯片和外圍的輸入輸出隔離開(kāi)來(lái)。通過(guò)這些邊界掃描寄存器單元，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片輸入輸出信號(hào)的觀察和控制，它提供了一個(gè)便捷的方式用于觀測(cè)和控制所需要調(diào)試的芯片。通過(guò)JTAG接口可以方便地對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)Flash的編程，是非常受人歡迎的調(diào)試方式。

　　4結(jié) 論

　　主機(jī)從網(wǎng)絡(luò)下載mp3格式歌曲，通過(guò)串口(或tftp)傳送到開(kāi)發(fā)板上，用經(jīng)過(guò)調(diào)試的播放器，結(jié)合教研室開(kāi)發(fā)的功率放大器，很好的實(shí)現(xiàn)了播放音頻的功能。

　　在此基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)視頻播放功能。除了播放器應(yīng)用軟件，還可以根據(jù)存儲(chǔ)器的大小增加其他應(yīng)用程序。