基于ARM的嵌入式Linux應用程序開發(fā)研究

0 引 言

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

1 ARM處理器及開發(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、市場化的神話。據(jù)統(tǒng)計，全球有103家巨型IT公司在采用ARM技術(shù)，20家最大的半導體，一商中有19家是ARM的用戶。ARM系列芯片已經(jīng)被廣泛的應用于移動電活、手持式計算機以及各種各樣的嵌入式應用領(lǐng)域，成為世界上銷量最大的32位微處理器。ARM已成為業(yè)界實際的RISC芯片標準。

　　ARM系列處理器根據(jù)各自特點應用于不同領(lǐng)域。從應用的角度上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；RTC(real timeclock)；LCD控制器；PWM輸出等各項指標。

　　本文使用的是ARM9，其性能遠遠高過ARM7。開發(fā)板使用的是廣州斯道信息技術(shù)有限公司的開發(fā)板，中央處理器是三星公司的S3C2410。ARM9具有以下特點：5級流水線；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)是嵌入式應用軟件的基礎和開發(fā)平臺，它的出現(xiàn)解決了嵌入式軟件開發(fā)標準化的難題。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)具有一些獨特的優(yōu)勢：層次結(jié)構(gòu)及內(nèi)核完全開放；強大的網(wǎng)絡支持功能；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)會以Linux的GRUB作為引導裝入器來選擇啟動二者。此時若直接刪除Linux分區(qū)，會導致系統(tǒng)無法啟動Windows或者是需要用行命令才能啟動Windows?？梢韵仁褂锰摂M機安裝Linux系統(tǒng)，練習使用，熟悉后再在PC上安裝。

3應用程序開發(fā)

　　一般嵌入式開發(fā)流程如圖1所示。

　　這里省略前面三步，從開發(fā)應用程序開始。

3.1交叉開發(fā)環(huán)境建立

　　對嵌入式系統(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用程序的開發(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開發(fā)，然后建立交叉開發(fā)平臺。

　　交叉編譯器(cross-compiler)是進行交叉平臺開發(fā)的主要軟件工具。它是運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)上運行的目標代碼的編譯器。 要建立交叉開發(fā)環(huán)境，主要需要幾個工具包：gcc，glib，binutils，gdb等。一般開發(fā)板都提供這些工具，如果不是使用的開發(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。在安裝過程中，由于軟件包之間的依賴關(guān)系，系統(tǒng)可能會警告還有哪些沒有安裝，可以忽略這些警告。

3.2 U-Boot

　　在U-Boot(UniversalBootloader)之前，先介紹一下Bootloader。簡單的說，Bootloader就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前的一段引導程序，類似于PC中的BIOS。通過它，可以完成對應硬件設備的初始化，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)核做好準備。

　　U-Boot是遵循GPL條款的開放源碼項目，它不僅僅支持嵌人式Linux系統(tǒng)的引導，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)，就目前來看，U-Boot對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；基本輔助功能(操作系統(tǒng)接口功能；可靈活設置、傳遞多個關(guān)鍵參數(shù)給操作系統(tǒng)；支持目標板多種存儲方式；CRC32校驗)；設備驅(qū)動；上電自檢功能；特殊功能(XIP內(nèi)核引導)。

　　U-Boot移植主要分為兩步：配置主板和設置Flash和SDRAM時序。

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make的不同命令實現(xiàn)的，一般分為3步：(1)內(nèi)核配置。主要是用戶用于為目標板選擇處理器架構(gòu)的選項。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。在第一次編譯時發(fā)生，產(chǎn)生"．de-pend"文件，運行"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，下載在開發(fā)板即可。

　　一般來說與開發(fā)板通信有3種方式：網(wǎng)絡下載(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，然后將PC和開發(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Minicom。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，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是開源軟件，所以運行在其下的應用軟件也是開源軟件，不管是哪一類的都免費獲得源代碼?？梢灾苯釉谝延械脑创a上進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等多種編程語言。其下的文本編輯器是Vi和Emacs，二者均有強大的編輯功能。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。

　　編寫軟件的過程與在其他系統(tǒng)下沒有什么不同，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)過編譯、鏈接生成可以在嵌入式系統(tǒng)上運行的代碼，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)試功能更強大，性能更優(yōu)秀，但是有的價格昂貴，額外的設備增加了成本。而ARM的JTAG端口實現(xiàn)在CPU內(nèi)部調(diào)試，通過端口發(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移位寄存器單元。當芯片處于調(diào)試狀態(tài)時候，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來。通過這些邊界掃描寄存器單元，可以實現(xiàn)對芯片輸入輸出信號的觀察和控制，它提供了一個便捷的方式用于觀測和控制所需要調(diào)試的芯片。通過JTAG接口可以方便地對目標系統(tǒng)進行測試，同時，還可以實現(xiàn)Flash的編程，是非常受人歡迎的調(diào)試方式。

4結(jié) 論

　　主機從網(wǎng)絡下載mp3格式歌曲，通過串口(或tftp)傳送到開發(fā)板上，用經(jīng)過調(diào)試的播放器，結(jié)合教研室開發(fā)的功率放大器，很好的實現(xiàn)了播放音頻的功能。

　　在此基礎上，還可以進一步開發(fā)視頻播放功能。除了播放器應用軟件，還可以根據(jù)存儲器的大小增加其他應用程序。