用GNU东西开辟基于ARM的嵌入式体系

         本文先容怎样利用GNU的东西开辟基于ARM的嵌入式体系，以及利用编译器、连接器和调试东西的详细要领，为宽大嵌入式体系开辟职员提供一种低本钱的开辟本领。
   

        当前，ARM公司的32位RISC处理惩罚器，以其内核耗电少、本钱低、成果强、特有16/32位双指令集，已成为移动通讯、手持谋略、多媒体数字斲丧等嵌入式办理方案的RISC标准，市场占据率高出了75 %。多家公司都推出了本身的基于ARM内核的处理惩罚器产品，越来越多的开辟职员开始了针对ARM平台的开辟。通常开辟职员必要购买芯片厂商或第三方提供的开辟板，还必要购买开辟软件，如C编译器大概集成了及时操纵体系的开辟环境。开辟板的代价从数百到上千美元，而编译器、及时操纵体系代价更是动辄数千到数万美元。如许，在开辟初期，软硬件上的投资就必要上万美元，对付海内大多数开辟职员来说，无疑是太贵了。

　　光荣的是，GNU所提倡的自由软件给开辟者带来了福音。1984 年，旨在开辟一个雷同 Unix 的，并且是完全免费的完备操纵体系和配套东西：GNU 体系（发音为"guh-NEW"）。GNU的操纵体系和开辟东西都是免费的，依照GNU 通用大众容许证 (GPL)协议，任意人都可以从网上获取全部的源代码。关于GNU和大众容许证协议的细致数据，读者可参看GNU网站的中文先容：http://www.gnu.org/home.cn.html。

　　除了大家熟知的Linux操纵体系外，GNU的软件还包括编译器（gcc，g++）、二进制转换东西（objdump，objcopy）、调试东西（gdb，gdbserver，kgdb）和基于差别硬件平台的开辟库。GNU开辟东西的重要缺点是采取下令行方法，用户掌握和利用比较困难，不如基于Windows体系的开辟东西好用。但是，GNU东西的巨大性是由于它更贴近编译器和操纵体系的底层，并提供了更大的机动性。一旦学习和掌握了相干东西，也就相识了体系计划的底子知识，为以后的开辟事变打下底子。GNU的开辟东西都是免费的，依照GPL协议，任意人都可以从网上获取。笔者参加了一个基于ARM平台的嵌入式Linux体系开辟，采取的是摩托罗拉龙珠系列的MC928MX1。从测试代码、引导步伐、嵌入式Linux移植、应用步伐、图形界面都可以用GNU东西举行开辟，不必要在开辟东西上做分外的投入。本文所先容的开辟要领同样实用于别的公司的基于ARM的产品。

      1 硬件平台

　　MC928MX1（以下简称MX1）是摩托罗拉公司基于ARM内核的第一款MCU，重要面向高端嵌入式应用。内部采取ARM920T内核，并集成了SDRAM/Flash、LCD、USB、蓝牙（bluetooth）、多媒体闪存卡（MMC）、CMOS摄像头等控制器。关于MX1的细致数据，感兴趣的读者可以参考http://www.motorola.com.cn/semiconductors/。作为应用开辟的最小体系必须包括RAM（步伐运行空间）、Flash（存放目标代码）和串行接口（用于调试和下载步伐）。MX1提供了6个片选端（CS0~CS5），内置了SDRAM控制器，数据宽度32位。在笔者的体系中采取了2片8M×16位的SDRAM和2片4M×16位的同步Flash存储器，分别接入数据线的低16位和高16位，如图1所示。

　　图1中SDRAM接片选端CS2，Flash接片选端CS3，别的为SDRAM/Flash的控制信号。最小体系还包括至少1个串行接口，可以采取MX1内置的UART控制器，图略。

       2 自举模式

　  如今，很多嵌入式处理惩罚器都提供了自举模式（Bootstrap），供用户写入引导代码。自举模式利用了固化在芯片内部的一段引导步伐，当处理惩罚器复位时，要是在特定引脚上加信号，则处理惩罚器将在复位后实行固化ROM中的步伐。比方，MX1提供了4条复位引脚，复位时引脚差别的电平组合可以从差别的片选端启动体系。自举ROM中的步伐完成串口的初始化，然后等待用户从串口写入用户代码。自举模式所能担当的是一种专门格局的文本文件，包括数据和要写入/读出的地点。关于自举模式的代码格局，可参考相干芯片的手册。在摩托罗拉的网站还提供了很多小东西，资助开辟者将别的格局的文件转换成为自举模式格局。通过自举模式下载的通常是一段和上位机软件（如超等终端）通讯的步伐，完成吸取数据并写入Flash的操纵。写入的数据可以是用户本身的应用步伐、数据大概操纵体系的内核。通过自举模式下载的引导步伐同样可以用GNU东西开辟。

      3 GNU的编译器和开辟东西

　  GNU提供的编译东西包括汇编器as、C编译器gcc、C++编译器g++、连接器ld和二进制转换东西objcopy。基于ARM平台的东西分别为arm-linux-as、arm-linux-gcc、arm-linux-g++、arm -linux-ld 和arm-linux-objcopy。GNU的全部开辟东西都可以从www.gnu.org上下载，基于ARM的东西可以从www.uclinux.org得到。GNU的编译器成果非常强大，共有上百个操纵选项，这也是这类东西让初学者头痛的缘故起因。不过，实际开辟中只必要用到有限的几个，大部分可以采取缺省选项。GNU东西的开辟流程如下：编写C、C++语言或汇编源步伐，用gcc或g++天生目标文件，编写连接脚本文件，用连接器天生终极目标文件（elf格局），用二进制转换东西天生可下载的二进制代码。GNU东西都运行在Linux下，开辟者必要1台运行Linux的PC作为上位机。由于篇幅所限，不克不及完备地先容整个嵌入式操纵体系的开辟进程，将以第二节中提到的通过自举模式下载的引导步伐为例，阐明开辟的进程。对付像Linux如许的大体系，根本的开辟流程是一样的。

　　引导步伐将通过自举模式下载到MX1的片内RAM，从地点0x00300000开始并实行。完成串口和SDRAM的初始化后，引导步伐将等待吸取应用步伐或操纵体系内核，将吸取到的数据放在SDRAM中。数据吸取完毕后，引导步伐将SDRAM中的数据写入Flash，下一次就可以从Flash中直接引导体系了。由于操纵体系的内核比较大，如Linux有1 MB以上，下载进程必须思量纠错。因此，吸取部分采取Xmode协议，可以用Windows下超等终真个Xmode发送方法发送文件。

    （1）编写C、C++语言或汇编源步伐

　　通常汇编源步伐用于体系最根本的初始化，如初始化堆栈指针、设置页表、操纵ARM的协处理惩罚器等。初始化完成后就可以跳转到C代码实行。必要细致的是，GNU的汇编器依照AT&T的汇编语法，读者可以从GNU的站点（www.gnu.org）上下载有关范例。汇编步伐的缺省入口是start标号，用户也可以在连接脚本文件中用ENTRY标记指明别的入口点（见下文关于连接脚本的阐明）。

    （2）用gcc或g++天生目标文件

　　要是应用步伐包括多个文件，就必要举行分别编译，末了用连接器连接起来。如笔者的引导步伐包括3个文件：init.s（汇编代码、初始化硬件） xmrecever.c（通讯模块，采取Xmode协议）和flash.c（Flash擦写模块）。

分别用如下下令天生目标文件：

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

此中-c下令表现只天生目标代码，不举行连接；-o 下令指明目标文件的名称；-O2表现采取二级优化，采取优化后可使天生的代码更短，运行速率更快。要是项目包括很多文件，则必要编写makefile文件。关于makefile的内容，请感兴趣的读者参考相干数据。

（3）编写连接脚本文件

　　gcc等编译器内置有缺省的连接脚本。要是采取缺省脚本，则天生的目标代码必要操纵体系才华加载运行。为了能在嵌入式体系上直接运行，必要编写本身的连接脚本文件。编写连接脚本，起重要对目标文件的格局有肯定相识。GNU编译器天生的目标文件缺省为elf格局。elf文件由多少段（section）构成，如不特别指明，由C源步伐天生的目标代码中包括如下段：.text（正文段）包括步伐的指令代码；.data(数据段)包括牢固的数据，如常量、字符串；.bss（未初始化数据段）包括未初始化的变量、数组等。C++源步伐天生的目标代码中还包括.fini（析构函数代码）和.init（布局函数代码）等。有关elf文件格局，读者可自行参考相干数据。连接器的任务便是将多个目标文件的.text、.data和.bss等段连接在一起，而连接脚本文件是报告连接器从什么地点开始安排这些段。比方笔者的引导步伐连接文件link.lds为：

ENTRY(begin) 

SECTION 

{ .=0x00300000; 

.text : { *(.text) } 

.data: { *(.data) } 

.bss: { *(.bss) } 

}

　　此中，ENTRY(begin)指明步伐的入口点为begin标号；.=0x00300000指明目标代码的肇始地点为0x00300000，这一段地点为MX1的片内RAM；.text : { *(.text) }表现从0x00300000开始安排全部目标文件的代码段，随后的.data: { *(.data) }表现数据段从代码段的末端开始，再后是.bss段。

（4）用连接器天生终极目标文件

　　有了连接脚本文件，如下下令可天生终极的目标文件：

arm-linux-ld-nostadlib-o bootstrap.elf-T link.lds init.o xmrecever.o flash.o

　  此中，ostadlib表现不毗结合统的运行库，而是直接从begin入口；-o指明目标文件的名称；-T指明采取的连接脚本文件；末了是必要连接的目标文件列表。

（5）天生二进制代码

　　连接天生的elf文件还不克不及直接下载实行，通过objcopy东西可天生终极的二进制文件：

arm-linux-objcopy-O binary bootstrap.elf bootstrap.bin

此中-Obinary指定天生为二进制格局文件。Objcopy还可以天生S格局的文件，只需将参数换成-O srec。要是想将天生的目标代码反汇编，还可以用objdump东西：

arm-linux-objdump-D bootstrap.elf

　　至此，所天生的目标文件就可以直接写入Flash中运行了。要是要通过自举模式下载，还必要转换为自举模式的文件格局，相干转换东西可以在摩托罗拉的网站上找到。

　　掌握了GNU东西后，开辟者就可以开辟或移植C或C++代码的步伐。用户可以不必要操纵体系，直接开辟大略应用步伐。但对付更巨大的应用来说，操纵体系必不可少。如今盛行的源代码公然的操纵体系如Linux、μC/OS都可以用GNU东西编译。ARM的Linux已有很多成熟的版本，可以支持ARM720、ARM920、ARM1020等多种处理惩罚器，读者可从www.uclinux.org或www.armdevzone.com上获取最新信息。Linux移植进程中和处理惩罚器相干的代码都放在arch/arm目次下。对付内核，用户必要做的是设置本身体系的内存映像，RAM肇始地点，I/O地点空间和假造I/O地点空间，参看arch/arm/mach-integrator/arch.c文件。除了内核外，用户还必要为本身的体系方式种种百般的驱动步伐。

　  4 调试东西

　　Linux下的GNU调试东西重要是gdb、gdbserver和kgdb。此中gdb和gdbserver可完成对目标板上Linux下应用步伐的长途调试。gdbserver是一个很小的应用步伐，运行于目标板上，可监控被调试进程的运行，并通过串口与上位机上的gdb通讯。开辟者可以通过上位机的gdb输入下令，控制目标板上进程的运行，查察内存和寄存器的内容。gdb5.1.1以后的版本参加了对ARM处理惩罚器的支持，在初始化时参加－target==arm参数可直接天生基于ARM平台的gdbserver。gdb东西可以从ftp://ftp.gnu.org/pub/gnu/gdb/上下载。

　　对付Linux内核的调试，可以采取kgdb东西，同样必要通过串口与上位机上的gdb通讯，对目标板的Linux内核举行调试。由于篇幅所限，感兴趣的读者可以从http://oss.sgi.com/projects/kgdb/上相识详细的利用要领。

　  结束语

　　本文以一个详细的实例为例，对GNU东西中的常用成果作了先容。着实GNU东西的成果还远不止这些，更进一步的操纵有：针对差别处理惩罚器，差别算法的软件优化、高效的内嵌汇编、大型项目办理成果等。信托GNU能成为越来越多开辟职员的选择。