用GNU工具開發(fā)基于ARM的嵌入式系統(tǒng)

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內核的處理器產品，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。內部采用ARM920T內核，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%26;#215;16位的 SDRAM和2片4M%26;#215;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，F(xiàn)lash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內置的UART控制器，圖略。

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%26;amp;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)。 分別用如下命令生成目標文件： arm-linux-gcc-c-O2-o init.o init.s arm-linux-gcc-c-O2-o xmrecever.o xmrecever.c arm-linux-gcc-c-O2-o flash.o flash.c 其中-c命令表示只生成目標代碼，不進行連接;-o 命令指明目標文件的名稱;-O2表示采用二級優(yōu)化，采用優(yōu)化后可使生成的代碼更短，運行速度更快。如果項目包含很多文件，則需要編寫makefile文件。關于makefile的內容，請感興趣的讀者參考相關資料。 (3)編寫連接腳本文件 　　gcc等編譯器內置有缺省的連接腳本。如果采用缺省腳本，則生成的目標代碼需要操作系統(tǒng)才能加載運行。為了能在嵌入式系統(tǒng)上直接運行，需要編寫自己的連接腳本文件。編寫連接腳本，首先要對目標文件的格式有一定了解。GNU編譯器生成的目標文件缺省為elf格式。elf文件由若干段(section)組成，如不特殊指明，由C源程序生成的目標代碼中包含如下段：.text(正文段)包含程序的指令代碼;.data(數(shù)據(jù)段)包含固定的數(shù)據(jù)，如常量、字符串;.bss(未初始化數(shù)據(jù)段)包含未初始化的變量、數(shù)組等。C++源程序生成的目標代碼中還包括.fini(析構函數(shù)代碼)和.init(構造函數(shù)代碼)等。有關elf文件格式，讀者可自行參考相關資料。連接器的任務就是將多個目標文件的.text、.data和.bss等段連接在一起，而連接腳本文件是告訴連接器從什么地址開始放置這些段。例如筆者的引導程序連接文件link.lds為： ENTRY(begin) SECTION { .=0x00300000; .text : { *(.text) } .data: { *(.data) } .bss: { *(.bss) } } 　　其中，ENTRY(begin)指明程序的入口點為begin標號;.=0x00300000指明目標代碼的起始地址為0x00300000，這一段地址為MX1的片內RAM;.text : { *(.text) }表示從0x00300000開始放置所有目標文件的代碼段，隨后的.data: { *(.data) }表示數(shù)據(jù)段從代碼段的末尾開始，再后是.bss段。 (4)用連接器生成最終目標文件 　　有了連接腳本文件，如下命令可生成最終的目標文件： arm-linux-ld-nostadlib-o bootstrap.elf-T link.lds init.o xmrecever.o flash.o 其中，ostadlib表示不連接系統(tǒng)的運行庫，而是直接從begin入口;-o指明目標文件的名稱;-T指明采用的連接腳本文件;最后是需要連接的目標文件列表。 (5)生成二進制代碼 　　連接生成的elf文件還不能直接下載執(zhí)行，通過objcopy工具可生成最終的二進制文件： arm-linux-objcopy-O binary bootstrap.elf bootstrap.bin 其中-Obinary指定生成為二進制格式文件。Objcopy還可以生成S格式的文件，只需將參數(shù)換成-O srec。如果想將生成的目標代碼反匯編，還可以用objdump工具： arm-linux-objdump-D bootstrap.elf 　　至此，所生成的目標文件就可以直接寫入Flash中運行了。如果要通過自舉模式下載，還需要轉換為自舉模式的文件格式，相關轉換工具可以在摩托羅拉的網(wǎng)站上找到。 　　掌握了GNU工具后，開發(fā)者就可以開發(fā)或移植C或C++代碼的程序。用戶可以不需要操作系統(tǒng)，直接開發(fā)簡單應用程序。但對于更復雜的應用來說，操作系統(tǒng)必不可少。目前流行的源代碼公開的操作系統(tǒng)如Linux、μC/OS都可以用GNU工具編譯。ARM的Linux已有很多成熟的版本，可以支持 ARM720、ARM920、 ARM1020等多種處理器，讀者可從www.uclinux.org或www.armdevzone.com上獲取最新信息。Linux移植過程中和處理器相關的代碼都放在arch/arm目錄下。對于內核，用戶需要做的是設定自己系統(tǒng)的內存映像，RAM起始地址，I/O地址空間和虛擬I/O地址空間，參看arch/arm/mach-integrator/arch.c文件。除了內核外，用戶還需要為自己的系統(tǒng)編制各種各樣的驅動程序。 4 調試工具 　　Linux下的GNU調試工具主要是gdb、gdbserver和kgdb。其中gdb和gdbserver可完成對目標板上Linux下應用程序的遠程調試。gdbserver是一個很小的應用程序，運行于目標板上，可監(jiān)控被調試進程的運行，并通過串口與上位機上的gdb通信。開發(fā)者可以通過上位機的gdb輸入命令，控制目標板上進程的運行，查看內存和寄存器的內容。gdb5.1.1以后的版本加入了對ARM處理器的支持，在初始化時加入-target==arm參數(shù)可直接生成基于ARM平臺的gdbserver。gdb工具可以從ftp://ftp.gnu.org/pub/gnu /gdb/上下載。 　　對于Linux內核的調試，可以采用kgdb工具，同樣需要通過串口與上位機上的gdb通信，對目標板的Linux內核進行調試。由于篇幅所限，感興趣的讀者可以從http://oss.sgi.com/projects/kgdb/上了解具體的使用方法。 結束語 　　本文以一個具體的實例為例，對GNU工具中的常用功能作了介紹。其實GNU工具的功能還遠不止這些，更進一步的操作有：針對不同處理器，不同算法的軟件優(yōu)化、高效的內嵌匯編、大型項目管理功能等。相信GNU能成為越來越多開發(fā)人員的選擇。