嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：文章設(shè)計(jì)了嵌入式集成開發(fā)環(huán)境的層次結(jié)構(gòu);給出GCC重定向的一般方法并設(shè)計(jì)了通用交叉編譯接口;給出GDB移植的一般方法并設(shè)計(jì)了通用調(diào)試接口。在此基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了PLAEmbeddedIDE v1.0嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境原型系統(tǒng)。

1 引言

日益成熟的硬件技術(shù)以及更加復(fù)雜化的應(yīng)用需求，使得軟件逐步取代硬件成為嵌入式系 統(tǒng)系統(tǒng)的主要組成部分[7]。嵌入式軟件系統(tǒng)的開發(fā)是否能跟上市場(chǎng)需求的變化成為制約嵌入 式產(chǎn)品能否占據(jù)市場(chǎng)的關(guān)鍵因素。因此，設(shè)計(jì)一種較為通用的，高度集成的，同時(shí)具備良好 擴(kuò)展性的嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境對(duì)于提高嵌入式軟件開發(fā)效率非常重要[1][4]。

本文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境 PLAEmbeddedIDE v1.0，是基于Windows 環(huán) 境的，集編輯器、交叉編譯器、交叉調(diào)試器等工具為一體的，具備擴(kuò)展性的嵌入式軟件集成 開發(fā)環(huán)境。

2 PLAEmbeddedIDE 的層次結(jié)構(gòu)

PLAEmbeddedIDE 采用分層的模塊化結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，從上至下分別是用戶 界面層、配置實(shí)體層、接口層、功能層。其中，功能層又分為兩大部分：工具集和可重用組 件庫(kù)。用戶界面接收用戶的輸入對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置，通過(guò)配置實(shí)體設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，接口層通 過(guò)傳遞過(guò)來(lái)的配置參數(shù)，對(duì)工具進(jìn)行必要的配置，并加載恰當(dāng)?shù)墓ぞ咄瓿捎脩魟?dòng)作。

3 PLAEmbeddedIDE 的交叉編譯器模塊

3.1 交叉編譯器后端重定向機(jī)制

可重定向編譯器是快速開發(fā)交叉編譯器的平臺(tái)[2]，以最常用的可重定向編譯器GCC 為 例，圖2 是GCC 后端重定向的原理圖。

GCC 后端與目標(biāo)相關(guān)部分的源碼insn-*，是由后端代碼生成器gen*(文件名以gen 開 頭的c 源程序)讀入3 個(gè)目標(biāo)描述文件自動(dòng)產(chǎn)生的，如圖2 中右側(cè)所示。這些生成器gen* 相當(dāng)于目標(biāo)描述文件的解釋程序，對(duì)目標(biāo)描述文件進(jìn)行分析和處理。目標(biāo)描述文件由 machine.md、machine.h、和machine.c 構(gòu)成，是insn-*文件描述內(nèi)容的抽象形式，與insn-* 文件相比，目標(biāo)描述文件更容易書寫和理解。

gen*程序?qū)崿F(xiàn)了從目標(biāo)機(jī)描述文件到GCC 后 端的自動(dòng)生成。 重定向交叉編譯器時(shí)，gen*讀入目標(biāo)描述文件生成相應(yīng)的insn-*，然后將這些insn-*與 GCC 的其它源程序(與目標(biāo)不相關(guān)的代碼)共同編譯鏈接，生成最終的交叉編譯器。用戶 在基于GCC 構(gòu)建新的交叉編譯器時(shí)，需要做的工作就是編寫或改寫三個(gè)目標(biāo)描述文件，修 改相關(guān)編譯選項(xiàng)即可[5]。

3.2 交叉編譯器的接口設(shè)計(jì)

基于 GCC 構(gòu)建的交叉編譯器是一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用程序，當(dāng)用戶調(diào)用的時(shí)候，GCC 作為后 臺(tái)程序運(yùn)行[5]，完成編譯功能之后，將返回結(jié)果傳送給用戶界面。因此，還需要向上層用戶 界面提供通用的編譯接口，PLAEmbeddedIDE 通過(guò)調(diào)用這些接口來(lái)完成各項(xiàng)編譯工作。 根據(jù)集成開發(fā)環(huán)境對(duì)交叉編譯器的功能要求，本文設(shè)計(jì)了通用的編譯接口函數(shù) InvokeComplier( )供上層GUI 調(diào)用。部分代碼如下：

4 PLAEmbeddedIDE 交叉調(diào)試器模塊

4.1 GDB 的移植

GDB 的移植工作主要集中在與目標(biāo)相關(guān)的代碼編寫[3][6]，下面將分別就GDB 源碼中與 目標(biāo)相關(guān)的文件，講述如何進(jìn)行移植代碼的編寫。

(1)GDB-6.3/gdb/ARCH-tdep.c 該文件的主要作用是初始化gdbarch 結(jié)構(gòu)，ARCH 代表目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)的名稱。gdbarch 結(jié)構(gòu)是在gdbarch.c 文件中定義的，用于存放與目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息。mcore-tedp.c 文件 的初始化函數(shù)是_initialize_mcore_tdep(void)，這個(gè)函數(shù)在GDB 啟動(dòng)的時(shí)候被調(diào)用。當(dāng)GDB 讀入類型為bfd_arch_ARCH 的可執(zhí)行文件時(shí)，將調(diào)用類型bfd_arch_ARCH 指向的函數(shù)： ARCH_gdbarch_init(),ARCH_dump_tdep()。其中，函數(shù)ARCH_gdbarch_init()主要負(fù)責(zé)完成 gdbarch 結(jié)構(gòu)的部分初始化工作，ARCH_dump_tdep()負(fù)責(zé)顯示有關(guān)目標(biāo)信息(可以省略)。

(2)GDB-6.3/gdb/ARCH-TOS-tdep.c 該文件主要對(duì)上面(1)中建立的gdbarch 結(jié)構(gòu)根據(jù)操作系統(tǒng)的特性進(jìn)一步初始化。其 中ARCH 代表的意義與(1)中相同，TOS 代表目標(biāo)平臺(tái)采用的操作系統(tǒng)名稱。該文件的初 始化函數(shù)void _initialize_more_uclinux_tdep (void) 也是在GDB初始化的時(shí)候被調(diào)用執(zhí)行的。

該初始化函數(shù)通過(guò)調(diào)用gdbarch_regiSTer_osabi ()向全局鏈表gdb_osabi_handler_list 上注冊(cè)函 數(shù)mcore_uclinux_init_abi()。注冊(cè)過(guò)的函數(shù)將被初始化函數(shù)ARCH_gdbarch_init()中的 gdbarch_init_osabi()調(diào)用執(zhí)行。

(3)GDB-6.3/gdb/ARCH-NAT.c 和GDB-6.3/gdb/ARCH-TOS-NAT.c

這兩個(gè)文件是與操作系統(tǒng)相關(guān)的，其中文件ARCH-NAT.c 中的函數(shù)側(cè)重于目標(biāo)體系結(jié) 構(gòu)，支持多種操作系統(tǒng)，文件ARCH-TOS-NAT.c 中的函數(shù)則針對(duì)某種目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)上的某 種操作系統(tǒng)，實(shí)際編寫時(shí)可以靈活掌握。

(4)GDB-6.3/gdb/config/ARCH/ARCH.mt

這個(gè)文件是設(shè)置一些生成目標(biāo)GDB 時(shí)，需要跟目標(biāo)操作系統(tǒng)有關(guān)的文件。

(5)GDB-6.3/gdb/config/ARCH/tm-ARCH.h 和GDB-6.3/gdb/config/ARCH/tm-TOS.h

這兩個(gè)文件是分別與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)和與操作系統(tǒng)相關(guān)的頭文件，這些頭文件將被很多相 關(guān)文件所包含。通過(guò)在這些頭文件中設(shè)置相應(yīng)的宏或其他的定義，起到對(duì)其他相關(guān)文件設(shè)置 的作用。

(6)GDB-6.3/config.sub 和GDB-6.3/gdb/configure.tgt

修改config.sub 和configure.tgt 文件，在config.sub 中添加相應(yīng)目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)的處理腳本， 同時(shí)在configure.tgt 中指定交叉調(diào)試器的名稱等信息。修改完成后，就可以利用make 工具， 運(yùn)行“./configure –target=ARCH”命令生成可以直接運(yùn)行的新的交叉調(diào)試器了。[!--empirenews.page--]

4.2 交叉調(diào)試器的接口設(shè)計(jì)

為了向上層 PLAEmbeddedIDE 隱藏調(diào)試器實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，與交叉編譯器類似，需要設(shè)計(jì) 通用的調(diào)試接口。

根據(jù)集成開發(fā)環(huán)境對(duì)交叉調(diào)試器的功能要求，部分設(shè)計(jì)的接口函數(shù)如下：

??SEttarget(BSTR TargetType, unsigned long baudRate, BSTR comPort)

功能描述：設(shè)置目標(biāo)板類型、通信波特率、串口號(hào)、并連接目標(biāo)板;

??InvokeDebugger( unsigned long hWnd, BSTR Path, BSTR filename, BSTR TargetType)

功能描述：調(diào)用針對(duì)當(dāng)前目標(biāo)類型的GDB，并打開被調(diào)試文件; ??

DownloadFile() 功能描述：將被調(diào)試程序下載到目標(biāo)板上;

??SendExecCmd(unsigned long cmd) 功能描述：向GDB發(fā)送跟蹤調(diào)試的命令，比如繼續(xù)、跳過(guò)、跳入等等; ??DumpRegisters(BSTR *pReg) 功能描述：獲取當(dāng)前所有寄存器的值; ??

ReadMemory (unsigned long startAddress, unsigned longend Address, BSTR * pMemData ) 功能描述：取得指定地址區(qū)間的內(nèi)存值;

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)開放源碼的工具集 GNU 的重定向，實(shí)現(xiàn)了開放式、可擴(kuò)展的嵌入式軟件集 成開發(fā)環(huán)境的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境原型系統(tǒng)PLAEmbeddedIDE v1.0，包括了編碼、編譯、調(diào)試等嵌入式軟件開發(fā)中所需要的各項(xiàng)服務(wù)。用戶通過(guò)用戶界面調(diào)用通用的編譯接口和調(diào)試接口，可以方便地調(diào)用與目標(biāo)相對(duì)應(yīng)的交叉編譯器和交叉調(diào)試 器，能夠大大簡(jiǎn)化嵌入式軟件開發(fā)的過(guò)程、提高開發(fā)效率。

該系統(tǒng)已經(jīng)成功運(yùn)用于 Mcore 和ARM 兩個(gè)系列目標(biāo)處理器的嵌入式軟件開發(fā)中。但在 以后的開發(fā)過(guò)程中，需要不斷擴(kuò)展所支持的處理器類型，增加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，還需要不 斷豐富集成開發(fā)環(huán)境的模版等進(jìn)一步完善工作。