可重定目標的嵌入式集成開發(fā)平臺設計

引 言

嵌入式應用軟件的開發(fā)與通用計算機軟件開發(fā)不同，由于受資源約束，嵌入式軟件開發(fā)一般需要在專門的開發(fā)平臺上進行交叉開發(fā)(cross developing)。同時，由于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)及嵌入式軟件的調試也非常復雜，因而迫切需要強有力的集成開發(fā)平臺(Integrated Development En-vironment，IDE)作為支持，以保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性，保障軟件質量，并縮短開發(fā)時間。因而，對MCU系統(tǒng)開發(fā)平臺和開發(fā)環(huán)境的研究近年來備受重視，出現了比較著名的嵌入式開發(fā)軟件，如ImageCraft公司的IC-CAVR、Freescale公司的CodeWarrior等。當前，在我國高等院校及嵌入式系統(tǒng)產品的研發(fā)企業(yè)中，絕大多數都使用國外的嵌入式系統(tǒng)集成開發(fā)平臺。原因很簡單：MCU絕大多數是進口的，國外集成開發(fā)平臺功能完善、穩(wěn)定。另外，由于嵌入式系統(tǒng)集成開發(fā)平臺具有芯片相關性，這就為我國研制嵌入式系統(tǒng)集成開發(fā)平臺增加了難度。因此，開發(fā)具有自主知識產權的嵌入式系統(tǒng)集成開發(fā)平臺是一件很有意義且具有挑戰(zhàn)性的工作。從2001年開始，蘇州大學在Motorola M68HC08系列MCU上嘗試開展這一工作，并開發(fā)了MT-HC08／S08型嵌入式集成開發(fā)平臺，命名為“MT-IDE For Motorola HC08／S08”。為了克服開發(fā)平臺適用范圍的局限性，通過實驗確定，開發(fā)平臺模塊可分為“與芯片無關”和“與芯片有關”兩大部分，這樣就可徹底地分割開來，實現可重定目標。因而，在先前研究的基礎上又成功研發(fā)了可重定目標的集成開發(fā)平臺(SdIDE)，且已成功應用于Freescale HC08／S08／S12、M*Core、C*Core、ColdFire及ARM等系列MCU芯片。本文主要介紹這項成果，并對開發(fā)平臺的可重定性和通用性的關鍵技術給出必要的闡述。

1 設計思路

考慮到GNU Tools是開源軟件，且完全覆蓋編譯開發(fā)工具(如gcc等)、調試工具(如gdb)等)和軟件工程工具(如make等)，可有效地開發(fā)嵌入式系統(tǒng)。因而，選擇GNU Tools作為IDE的交叉開發(fā)工具，會有較好的推廣前景。在設計過程中，重點考慮以下三個方面。

1.1 編程調試器方案的確定

在早期的MCU開發(fā)中，程序固化于EPROM中，擦除時間較長，操作繁瑣，程序調試困難。為解決此問題，仿真器技術得以較快發(fā)展，用軟件來模擬目標系統(tǒng)中MCU的運行情況，但是使用仿真器往往把目標硬件與軟件獨立開來，難以實現100％的硬件模擬。

片內Flash 儲器的使用，使得嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)可以不再使用仿真器，而是直接調試目標系統(tǒng)。Flash存儲器雖然有寫入、擦除次數、壽命方面的限制，但一般都可以達到10萬次以上，故開發(fā)過程中不必顧及Flash的壽命問題。目前單片機內Flash都是可以在線編程的，即在線寫入、擦除，在線調試程序。由此可見，如今嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)可以徹底脫離仿真器方式。所以，本文設計的編程調試器是充分利用Flash存儲器特點，直接面向目標系統(tǒng)的編程調試方式(如BKGD模式)。

1.2 開發(fā)平臺的通用性

一般嵌入式集成開發(fā)平臺都與具體的單片機相關，很多集成開發(fā)平臺只能針對一種MCU芯片，移植起來非常不方便。本文在開發(fā)平臺的通用性上做了較深入研究，使其便于移植。在硬件相關部分盡可能對GNU Tools開發(fā)工具所支持的系列MCU通用，與MCU有相關性的參數由PC機方的IDE軟件處理，使IDE與MCU相對獨立。考慮到許多筆記本電腦沒有串行口，編程調試器與PC機的接口采用USB，以提高適用性。本文給出嵌入式系統(tǒng)集成開發(fā)平臺SdIDE，把系列MCU的下載與調試接口設計在一塊評估板上，可以適用于多種MCU型號，對新型號也給出了加入方法。

1.3 開發(fā)平臺的可移植性

嵌入式開發(fā)平臺一般針對某一廠商生產的MCU，或針對某一系列MCU。但其中運行于PC方的IDE在工程管理、編輯功能上具有公用性，編譯設置、下載與調試等功能雖然與硬件相關，但可以通過調用參數數據庫的方式，用軟件的方法避免其直接與硬件打交道，提高IDE的可移植性。一種嵌入式開發(fā)平臺可以盡可能地做到對某一系列MCU通用，但很難做到適用所有的MCU。因而，沒計一個可以方便移植到其他系列MCU平臺上的IDE是很有意義的。本文在IDE可移植性方面做了大量的研究工作，并成功地將其移植到Freescale HC08／S08／S12系列微控制器、M*Core核的MMC2107微控制器、C*Core核的CCM3118微控制器、ColdFire核的MCF5271微控制器和ARM核的AT91RM9200微控制器上。

2 SdIDE集成開發(fā)平臺的軟件功能設計

可重定目標集成開發(fā)平臺SdIDE是一個高度集成的標準的Win32界面，包含編輯器、編譯匯編鏈接器、調試器、工程管理、Flash在線編程及程序下載等交叉工具，采用Visual C++MFC編寫。該集成開發(fā)平臺包含工程管理、編輯、編譯、鏈接、程序下載與調試等功能，為了使其具有可重定目標的特性，因而在其功能模塊上將其劃分為公共模塊和私有模塊兩大部分。下面具體介紹各個模塊的功能及其軟件設計思想。

2.1 SdIDE公共模塊

這里公共模塊是指與編譯器和目標MCU無關的模塊，實現工程管理與編輯功能。設計時，一定要把它們與整個系統(tǒng)切割開來，便于移植。

2.1.1 源文件編輯模塊

提供源文件編輯，支持剪切、復制、查找、替換，完全支持中文和語法高亮顯示(Syntax Highlight)。此部分主要的技術難點是語法高亮顯示，以及如何解決半個漢字問題。使用MFC的RichEdit控件可以解決此問題，但沒有語法高亮功能。作者在RichEdit的基礎上編寫了語法高亮類，使用效果較好。

2.1.2 工程管理

在SdIDE集成開發(fā)平臺中，工程是一個非常重要的概念，它是用戶組織一個應用的所有源文件、設置編譯鏈接選項、生成調試信息文件和最終目標文件的一個基本結構；提供對源文件、庫文件以及其他輸入文件的管理，并含有編譯與鏈接等設置。

2.2 SdIDE私有模塊

私有模塊是指與編譯器和目標MCU相關的模塊，實現編譯、鏈接、程序下載與調試等功能。為了滿足可移植性，采用數據耦合的方式設計。

2.2.1 交叉編譯模塊

包括C／C++編譯器、匯編器、鏈接器、目標文件格式轉換工具等。編譯模塊根據選用的MCU型號調用GNU移植過來的m68hcll、m68k、arm、mcore或ccore等編譯器，編譯成功后生成標準的Motorola S-record文件或Bin文件等。匯編器將匯編語言程序轉換為可重定位目標代碼(如Elf格式，執(zhí)行時鏈接文件格式)，易于定位和鏈接。鏈接器根據鏈接定位信息，將可重定位的目標模塊鏈接成一個單一的、絕對定位的目標程序，鏈接后的目標程序可以包含調試信息。

2.2.2 程序下載模塊

在PC方編寫下載界面，通過設定MCU的環(huán)境變量及公用參數，分析S格式文件后通過TBDML寫入頭，把數據下載到空白芯片。

2.2.3 調 試

與過去的仿真方式不同，本開發(fā)環(huán)境的調試是通過BDM頭直接對MCU中的程序進行調試。BDM頭除實現Flash寫入、擦除功能外，還可以在應用程序運行時，動態(tài)地獲取CPU、存儲器等瞬態(tài)信息。BDM調試工具與單片機的通信通過雙向的BKGD引腳實現。調試模式有兩種：單步調試和斷點調試。

3 SdIDE可重定目標的技術要點

3.1 GCC編譯器的基本特點及其調用的方法

該開發(fā)環(huán)境使用的是由GNU移植的GCC編譯器。GCC是由美國自由軟件基金(FSF)開發(fā)和維護的軟件，它是一個跨平臺的C語言編譯器，完全兼容ANSIC，支持目前大多數CPU體系，具有開放的開發(fā)模式，且性能優(yōu)異。SdIDE通過建立子進程的方式調用該編譯器，具體方法如下：把GCC所支持的所有編譯器目錄放在該開發(fā)環(huán)境的安裝目錄下，采用線程管道的方法來捕獲由“make.exe-f”命令對makefile腳本文件(是針對GCC編譯器支持的所有MCU而編寫的較通用的腳本文件)進行編譯的輸出信息流，并顯示在SdIDE的信息輸出窗口中。如果捕獲的編譯輸出信息出現任何錯誤，包括源文件語法錯誤和其他錯誤，則編譯、鏈接操作立刻終止，并在輸出窗的Build子窗口中提示錯誤。若是語法錯誤，則用戶可以通過雙擊錯誤提示行來定位引起錯誤的源文件行，并且用語法高亮顯示。

3.2 更換編譯器的設計

為了實現SdIDE可重定目標的特性，最主要的是要安排好如何編寫較通用的makefile腳本文件，這樣SdIDE開發(fā)環(huán)境可根據所選定的MCU型號來調用一個新的編譯器工具集。因而，在makefile中所有使用編譯器名的地方都用同一個變量來代替。更換編譯器時，只需修改變量定義的地方，其他所有引用這個變量的地方不用改變。makefile是編程人員和make之間的接口，本設計通過寫makefile文件來說明各模塊的依賴關系。makefile文件要嚴格按其書寫規(guī)則來編寫，其中的內容大致可分成宏定義區(qū)和基于依賴關系的指令區(qū)兩大部分。宏定義區(qū)主要是定義一些變量，可以在makefile的任何地方被引用；在建立makefile之后，就可以使用make命令來完成所需的編譯工作。

在SdIDE開發(fā)環(huán)境中更換編譯器的軟件設計思路如下：

① 把GCC支持的編譯器目錄全部放在開發(fā)環(huán)境的安裝目錄下，以便程序調用。

② 把Cygwin.dll復制SYSTEM32目錄下。為了在Windows平臺上構建GNU工具鏈，需要安裝Cygwin。Cygwin是一個基于DLL的Unix仿真層(位于Win32之上)。它提供了Unix風格的環(huán)境，包括Bashe外殼和GNU工具，這樣就可以建立交叉編譯器工具。

③ 在選定目標平臺(即目標芯片)后，程序自動確定所需要調用的編譯器，把編譯器名賦給一個全局變量——CompilerName。

④ 更換makefile腳本文件中的編譯器名。主要是將makefile腳本文件中用到編譯器名的地方全部用變量來替換，即在makefile文件的宏定義區(qū)定義一個變量，如COMPILERPREFIX=CompilerName。在makefile文件中用到編譯器名的地方用$(COMPILERPREFIX)替代即可，其他地方基本上可以不變。

3.3 更換編譯參數

若需要編譯命令定義一組編譯參數選項，且這組編譯參數選項會被多個規(guī)則(或編譯器命令)引用，那么可把這組參數選項賦值給一個變量，把這個變量放在所有引用它的地方。當需要改變參數選項時，只需要在變量賦值的地方改變一下。變量可在makefile文件的宏定義區(qū)定義，定義變量的方法與3.2小節(jié)相同。

4 編程調試器的設計方案

4.1 程序下載

SdIDE提供系列MCU的程序下載與調試，系列MCU通過串行接口、BDM或監(jiān)控模式進行程序下載與調試。

程序下載部分的功能，在該集成開發(fā)平臺中也是根據所選的MCU型號不同，決定調用不同的程序下載模塊來實現。例如：若對AT91RM9200T和MCF5271微控制器進行程序下載，則使用JTAG頭下載，因而調用其相應的下載模塊程序。下面以Freescale S08／S12系列微控制器的下載為例，闡述BDM方式下載。該方式對FreescaleS08／S12系列MCU都是可行的，它們都有BKGD引腳，支持背景調試和程序下載。

下載程序的功能包括S19文件分析模塊以及Flash存儲器的擦除和寫入模塊；但采用BDM頭下載時還要包括TBDML通信模塊，該模塊負責通過USB接口將PC方的S-record機器碼寫入到空白的Flash存儲器的指定區(qū)域。S19文件分析模塊則負責對S-record標準的S19文件進行分析，將文件的內容轉換成方便傳輸的格式，以及判斷文件中程序的起始地址、頁數、是否越界等。下載程序先將Flash擦寫程序數據和用戶程序數據寫入RAM的指定區(qū)域，當一頁的用戶程序數據寫入到事先分配的RAM區(qū)后，則可通過調用tbdml動態(tài)鏈接庫函數來實現擦除和寫入操作。BDM頭下載程序的工作流程如圖1所示。

4.2 程序調試

程序調試是IDE的重要功能之一，也是開發(fā)嵌入式集成開發(fā)平臺的難點之一。下面簡要介紹本開發(fā)系統(tǒng)所實現的調試功能。

斷點設置：在調試狀態(tài)下，用戶可以使程序的執(zhí)行停留在設置了斷點的代碼行上，系統(tǒng)提供各寄存器的值、程序中定義的變量值以及Flash中相應地址的值等信息。設置了斷點的代碼行將以紅色高亮顯示。

斷點調試：設置斷點后，用戶可進入斷點調試模式。在斷點調試模式下，當前即將執(zhí)行的代碼行將以紅色高亮顯示，如圖2所示。同時在SdIDF集成開發(fā)平臺的右側會出現3個用于調試的信息窗口：Register窗口中顯示的是各寄存器的當前值(各寄存器的值會自動顯示)；Watch窗口中顯示的是變量的值(在變量地址中輸入變量名，例如I1，按回車即可)；Memory窗口中顯示的是存儲器中的內容(在地址中輸入Flash地址，例如0x8000，按回車即可)，如圖3所示。在斷點調試狀態(tài)下，系統(tǒng)提供相關的命令：設置斷點、清除斷點、退出調試、單步步人、單步步過和執(zhí)行。

結 語

一個可重定目標的嵌入式集成開發(fā)平臺研制的難點在于IDE的可重定性和編程調試器的實現。針對GCC編譯器所支持的系列MCU，本文介紹的開發(fā)環(huán)境實現了IDE可重定目標、編程調試器，形成了目前較通用的嵌入式集成開發(fā)平臺SdIDE，且擴展性較好，價格低廉，已經被國內許多高等院校和一批中小企業(yè)所采用，并已投入批量生產。但是，完善、升級以及對新型芯片的適應還需進一步工作。在我國目前的情況下，開發(fā)具有自主知識產權的嵌入式集成開發(fā)平臺是一項意義重大、艱難且漫長的工作，希望本文可以起到借鑒和拋磚引玉的作用。