| 摘要 介紹如何利用GNU的工具開發(fā)基于ARM的嵌入式系統(tǒng),以及使用編譯器、連接器和調試工具的具體方法,為廣大嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員提供一種低成本的開發(fā)手段。 關鍵詞 ARM GNU MC928MX1 gcc gdb gdbserver 當前,ARM公司的32位RISC處理器,以其內(nèi)核耗電少、成本低、功能強、特有16/32位雙指令集,已成為移動通信、手持計算、多媒體數(shù)字消費等嵌入式解決方案的RISC標準,市場占有率超過了75 %。多家公司都推出了自己的基于ARM內(nèi)核的處理器產(chǎn)品,越來越多的開發(fā)人員開始了針對ARM平臺的開發(fā)。通常開發(fā)人員需要購買芯片廠商或第三方提供的開發(fā)板,還需要購買開發(fā)軟件,如C編譯器或者集成了實時操作系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境。開發(fā)板的價格從數(shù)百到上千美元,而編譯器、實時操作系統(tǒng)價格更是動輒數(shù)千到數(shù)萬美元。這樣,在開發(fā)初期,軟硬件上的投資就需要上萬美元,對于國內(nèi)大多數(shù)開發(fā)人員來說,無疑是太貴了。 慶幸的是,GNU所倡導的自由軟件給開發(fā)者帶來了福音。1984 年,旨在開發(fā)一個類似 Unix 的,并且是完全免費的完整操作系統(tǒng)和配套工具：GNU 系統(tǒng)（發(fā)音為"guh-NEW"）。GNU的操作系統(tǒng)和開發(fā)工具都是免費的,遵循GNU 通用公共許可證 (GPL)協(xié)議,任何人都可以從網(wǎng)上獲取全部的源代碼。關于GNU和公共許可證協(xié)議的詳細資料,讀者可參看GNU網(wǎng)站的中文介紹：http://www.gnu.org/home.cn.html。 除了大家熟知的Linux操作系統(tǒng)外,GNU的軟件還包括編譯器（gcc,g++）、二進制轉換工具（objdump,objcopy）、調試工具（gdb,gdbserver,kgdb）和基于不同硬件平臺的開發(fā)庫。GNU開發(fā)工具的主要缺點是采用命令行方式,用戶掌握和使用比較困難,不如基于Windows系統(tǒng)的開發(fā)工具好用。但是,GNU工具的復雜性是由于它更貼近編譯器和操作系統(tǒng)的底層,并提供了更大的靈活性。一旦學習和掌握了相關工具,也就了解了系統(tǒng)設計的基礎知識,為今后的開發(fā)工作打下基礎。GNU的開發(fā)工具都是免費的,遵循GPL協(xié)議,任何人都可以從網(wǎng)上獲取。筆者參與了一個基于ARM平臺的嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā),采用的是摩托羅拉龍珠系列的MC928MX1。從測試代碼、引導程序、嵌入式Linux移植、應用程序、圖形界面都可以用GNU工具進行開發(fā),不需要在開發(fā)工具上做額外的投入。本文所介紹的開發(fā)方法同樣適用于其它公司的基于ARM的產(chǎn)品。 1 硬件平臺 MC928MX1（以下簡稱MX1）是摩托羅拉公司基于ARM核心的第一款MCU,主要面向高端嵌入式應用。內(nèi)部采用ARM920T內(nèi)核,并集成了SDRAM/Flash、LCD、USB、藍牙（bluetooth）、多媒體閃存卡（MMC）、CMOS攝像頭等控制器。關于MX1的詳細資料,感興趣的讀者可以參考http://www.motorola.com.cn/semiconductors/。作為應用開發(fā)的最小系統(tǒng)必須包括RAM（程序運行空間）、Flash（存放目標代碼）和串行接口（用于調試和下載程序）。MX1提供了6個片選端（CS0~CS5）,內(nèi)置了SDRAM控制器,數(shù)據(jù)寬度32位。在筆者的系統(tǒng)中采用了2片8M×16位的SDRAM和2片4M×16位的同步Flash存儲器,分別接入數(shù)據(jù)線的低16位和高16位,如圖1所示。 圖1中SDRAM接片選端CS2,Flash接片選端CS3,其余為SDRAM/Flash的控制信號。最小系統(tǒng)還包括至少1個串行接口,可以采用MX1內(nèi)置的UART控制器,圖略。 
圖1
2 自舉模式 目前,許多嵌入式處理器都提供了自舉模式（Bootstrap）,供用戶寫入引導代碼。自舉模式利用了固化在芯片內(nèi)部的一段引導程序,當處理器復位時,如果在特定引腳上加信號,則處理器將在復位后執(zhí)行固化ROM中的程序。例如,MX1提供了4條復位引腳,復位時引腳不同的電平組合可以從不同的片選端啟動系統(tǒng)。自舉ROM中的程序完成串口的初始化,然后等待用戶從串口寫入用戶代碼。自舉模式所能接受的是一種專門格式的文本文件,包括數(shù)據(jù)和要寫入/讀出的地址。關于自舉模式的代碼格式,可參考相關芯片的手冊。在摩托羅拉的網(wǎng)站還提供了許多小工具,幫助開發(fā)者將其它格式的文件轉換成為自舉模式格式。通過自舉模式下載的通常是一段和上位機軟件（如超級終端）通信的程序,完成接收數(shù)據(jù)并寫入Flash的操作。寫入的數(shù)據(jù)可以是用戶自己的應用程序、數(shù)據(jù)或者操作系統(tǒng)的內(nèi)核。通過自舉模式下載的引導程序同樣可以用GNU工具開發(fā)。 3 GNU的編譯器和開發(fā)工具 GNU提供的編譯工具包括匯編器as、C編譯器gcc、C++編譯器g++、連接器ld和二進制轉換工具objcopy�；贏RM平臺的工具分別為arm-linux-as、arm-linux-gcc、arm-linux-g++、arm -linux-ld 和arm-linux-objcopy。GNU的所有開發(fā)工具都可以從www.gnu.org上下載,基于ARM的工具可以從www.uclinux.org獲得。GNU的編譯器功能非常強大,共有上百個操作選項,這也是這類工具讓初學者頭痛的原因。不過,實際開發(fā)中只需要用到有限的幾個,大部分可以采用缺省選項。GNU工具的開發(fā)流程如下：編寫C、C++語言或匯編源程序,用gcc或g++生成目標文件,編寫連接腳本文件,用連接器生成最終目標文件（elf格式）,用二進制轉換工具生成可下載的二進制代碼。GNU工具都運行在Linux下,開發(fā)者需要1臺運行Linux的PC作為上位機。由于篇幅所限,不能完整地介紹整個嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)過程,將以第二節(jié)中提到的通過自舉模式下載的引導程序為例,說明開發(fā)的過程。對于像Linux這樣的大系統(tǒng),基本的開發(fā)流程是一樣的。 引導程序將通過自舉模式下載到MX1的片內(nèi)RAM,從地址0x00300000開始并執(zhí)行。完成串口和SDRAM的初始化后,引導程序將等待接收應用程序或操作系統(tǒng)內(nèi)核,將接收到的數(shù)據(jù)放在SDRAM中。數(shù)據(jù)接收完畢后,引導程序將SDRAM中的數(shù)據(jù)寫入Flash,下一次就可以從Flash中直接引導系統(tǒng)了。由于操作系統(tǒng)的內(nèi)核比較大,如Linux有1 MB以上,下載過程必須考慮糾錯。因此,接收部分采用Xmode協(xié)議,可以用Windows下超級終端的Xmode發(fā)送方式發(fā)送文件。 （1） 編寫C、C++語言或匯編源程序 通常匯編源程序用于系統(tǒng)最基本的初始化,如初始化堆棧指針、設置頁表、操作ARM的協(xié)處理器等。初始化完成后就可以跳轉到C代碼執(zhí)行。需要注意的是,GNU的匯編器遵循AT&T的匯編語法,讀者可以從GNU的站點（www.gnu.org）上下載有關規(guī)范。匯編程序的缺省入口是start標號,用戶也可以在連接腳本文件中用ENTRY標志指明其它入口點（見下文關于連接腳本的說明）。 （2） 用gcc或g++生成目標文件 如果應用程序包括多個文件,就需要進行分別編譯,最后用連接器連接起來。如筆者的引導程序包括3個文件：init.s（匯編代碼、初始化硬件） xmrecever.c（通信模塊,采用Xmode協(xié)議）和flash.c（Flash擦寫模塊）。 |
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