微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)：第11章 嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程

1、第十一章2022/7/16嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程選擇芯片繪制原理圖PCB布線制作PCB調(diào)試硬件板移植系統(tǒng)軟件編寫(xiě)應(yīng)用軟件嵌入式軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的嵌入式應(yīng)用若嵌入式系統(tǒng)的功能需求比較簡(jiǎn)單，嵌入式系統(tǒng)軟件只需完成較簡(jiǎn)單的監(jiān)控、驅(qū)動(dòng)和處理功能，則不需要嵌入式操作系統(tǒng)的支持。如基于8051的應(yīng)用：玩具、家電、汽車(chē)等的控制系統(tǒng)復(fù)雜的嵌入式應(yīng)用若嵌入式系統(tǒng)的功能需求比較復(fù)雜，需要圖形用戶界面、網(wǎng)絡(luò)管理、存儲(chǔ)管理、進(jìn)程/線程管理或需要支持二次開(kāi)發(fā)等，則通過(guò)嵌入式操作系統(tǒng)的幫助，可以加快嵌入式系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)進(jìn)度和可靠性。如基于ARM的應(yīng)用：手機(jī)、 PDA簡(jiǎn)單嵌入式系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)不需要使用操作系統(tǒng)，基于裸機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)上

2、電后轉(zhuǎn)移到main函數(shù)入口，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)入工作循環(huán)直到系統(tǒng)停電或者出現(xiàn)重大錯(cuò)誤。void main(void) /變量、參數(shù)等的定義及說(shuō)明 X_init( ); /系統(tǒng)初始化，一般為匯編代碼While(1) X( ); /超級(jí)循環(huán)復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)軟件的一般結(jié)構(gòu)ARM+M+I/OHAL、底層封裝、部分由OS提供BOOTLOAD復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)軟件工作流程嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)功能處理器管理存儲(chǔ)管理中斷管理時(shí)間管理任務(wù)擴(kuò)展管理文件管理嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTlinux及其他嵌入式實(shí)時(shí)LinuxuC/OS IIeCOSVxworks （wind river systems公司）QNX

3、（QNX software systems公司）pSOSOS/9VRTXThreadX嵌入式非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 一些嵌入inux系統(tǒng)Windows CE、Embedded windows xp（Microsoft）Palm OS （Palm公司）EPOC （Symbian公司)LINUX嵌入式操作系統(tǒng)Linux是一個(gè)類Unix（Unix-like）的、免費(fèi)的、源代碼開(kāi)放的、符合POSIX（Portable Operating System Interface Standard）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的操作系統(tǒng)；嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，Linux指由Linux Torvalds維護(hù)的（及通過(guò)主要鏡像網(wǎng)站發(fā)布的）內(nèi)核，而整個(gè)Li

4、nux系統(tǒng)的其它大部分都建立在GNU軟件之上；嵌入式Linux內(nèi)核為特殊的硬件配置、或?yàn)榱酥С痔貏e的應(yīng)用而經(jīng)過(guò)特別的裁剪的修改過(guò)的Linux內(nèi)核；通常具有不同于工作站與服務(wù)器的內(nèi)核配置；嵌入式Linux系統(tǒng)基于Linux內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)；嵌入式Linux發(fā)行套件開(kāi)發(fā)嵌入式Linux系統(tǒng)的平臺(tái)；各種為了在嵌入式系統(tǒng)中使用而剪裁過(guò)的應(yīng)用軟件；LINUX內(nèi)核的發(fā)展歷史1991年11月，芬蘭赫爾辛基大學(xué)的學(xué)生 Linus Torvalds寫(xiě)了個(gè)小程序，取名為L(zhǎng)inux，放在互聯(lián)網(wǎng)上。他表達(dá)了一個(gè)愿望，希望借此搞出一個(gè)操作系統(tǒng)的“內(nèi)核”來(lái)，這完全是一個(gè)偶然事件；1993，在一批高水平黑客的參與下，誕生了

5、Linux 1.0 版 ；1994年，Linux 的第一個(gè)商業(yè)發(fā)行版 Slackware 問(wèn)世；1996年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室確認(rèn) Linux 版本 1.2.13（由 Open Linux 公司打包）符合 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)；2001年，Linux2.4版內(nèi)核發(fā)布 ；2003年，Linux2.6版內(nèi)核發(fā)布；Linux內(nèi)核版本號(hào)由3位數(shù)字組成r.x.y第1位數(shù)字r為主版本號(hào) 第2位數(shù)字x為說(shuō)明版本類型的次版本號(hào)，如果x為偶數(shù)，則表示為產(chǎn)品化版本，為奇數(shù)時(shí)表示為實(shí)驗(yàn)版本 第3位數(shù)字y為修改號(hào)，表示錯(cuò)誤修補(bǔ)的次數(shù) 幾種流行的Linux OS發(fā)行版本交叉編譯在一種機(jī)器上編譯可在另一種機(jī)

6、器上運(yùn)行的程序如：pc機(jī)上編譯ARM可執(zhí)行程序。Arm-linux-gcc輸出支持ARM體系結(jié)構(gòu)的Elf文件引導(dǎo)程序BootLoader是嵌入式系統(tǒng)在加電啟動(dòng)后執(zhí)行的第一段代碼，功能類似pc機(jī)的BIOS和OS Loader，通常需要固化在目標(biāo)板中；主要負(fù)責(zé)CPU、存儲(chǔ)器及相關(guān)硬件的初始化，以及將裝載操作系統(tǒng)映像到內(nèi)存中，然后跳轉(zhuǎn)到規(guī)定的地址啟動(dòng)操作系統(tǒng)運(yùn)行。 Bootloader是嚴(yán)重依賴硬件而實(shí)現(xiàn)的，每一種不同體系結(jié)構(gòu)的處理器都有不同的Bootloader，甚至同一種處理器的外圍硬件配置不同，其Bootloader也有差別。因此開(kāi)發(fā)特定的Bootloader是構(gòu)建嵌入式linux系統(tǒng)之前的一

7、項(xiàng)必要的基礎(chǔ)工作。Bootloader的開(kāi)發(fā)Stage1（匯編實(shí)現(xiàn)）基本硬件設(shè)備初始化：CPU時(shí)鐘頻率，寄存器，存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寬度、訪問(wèn)周期、刷新周期，中斷系統(tǒng)，I/O端口等；為第二階段準(zhǔn)備RAM空間；復(fù)制第二階段代碼到RAM中；設(shè)置堆棧；并跳轉(zhuǎn)到第二階段入口點(diǎn)；Stage2（C實(shí)現(xiàn)）初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)板級(jí)驅(qū)動(dòng)的支持；檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)存映射；將內(nèi)核鏡像和根文件系統(tǒng)鏡像從flash讀到RAM中；為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)；將PC指針指向內(nèi)核的入口處，調(diào)用內(nèi)核。掛載文件系統(tǒng)；Linux 環(huán)境下BootLoader種類BootloaderMonitor描 述x86ARMPowerPCLILO否Li

8、nux磁盤(pán)引導(dǎo)程序是否否GRUB否GNU的LILO替代程序是否否Loadlin否從DOS引導(dǎo)Linux是否否ROLO否從ROM引導(dǎo)Linux而不需要BIOS是否否Etherboot否通過(guò)以太網(wǎng)卡啟動(dòng)Linux系統(tǒng)的固件是否否LinuxBIOS否完全替代BUIS的Linux引導(dǎo)程序是否否BLOB否LART等硬件平臺(tái)的引導(dǎo)程序否是否U-boot是通用引導(dǎo)程序是是是RedBoot是基于eCos的引導(dǎo)程序是是是u-bootuboot全稱 Universal Boot Loader，支持ARM體系等多種處理器，包含常見(jiàn)的外設(shè)的驅(qū)動(dòng)，是一個(gè)開(kāi)源的、功能強(qiáng)大的板極支持包；由德國(guó)DENX軟件工程中心的Wolf

9、gang Denk維護(hù)。u-boot啟動(dòng)時(shí)處于正常的啟動(dòng)加載模式，但是它會(huì)延時(shí)指定時(shí)間（單位秒）等待終端用戶按下任意鍵而切換到下載模式，如果在指定時(shí)間內(nèi)用戶沒(méi)有按鍵，則繼續(xù)啟動(dòng)操作系統(tǒng)。u-boot主要包括以下目錄：include：U-Boot頭文件，其configs子目錄下是與目標(biāo)板相關(guān)的配置頭文件； board：目標(biāo)板相關(guān)文件，包含SDRAM、Flash驅(qū)動(dòng)等；cpu：與處理器相關(guān)文件，如網(wǎng)口、中斷初始化等； lib_xxx：處理器體系相關(guān)的文件，如lib_ppc, lib_arm目錄分別包含與PowerPC、ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件；driver： 通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)，如CFI FLASH驅(qū)動(dòng)

10、；net：與網(wǎng)絡(luò)功能相關(guān)的文件目錄，如bootp,nfs,tftp； post：上電自檢文件目錄。 doc：U-Boot的說(shuō)明文檔；examples：可在U-Boot下運(yùn)行的示例程序；tools 用于創(chuàng)建U-Boot S-RECORD和BIN鏡像文件的工具S3C2440啟動(dòng)方式韓國(guó)三星公司的S3C2440支持Nor Flash和Nand Flash啟動(dòng), 可以通過(guò)硬件跳線(引腳OM1:0)設(shè)置啟動(dòng)方式。具體含義如下:OM1：0=00時(shí)，處理器從NAND Flash啟動(dòng)OM1：0=01時(shí)，處理器從16位寬度的Nor Flash啟動(dòng)OM1：0=10時(shí)，處理器從32位寬度的Nor Flash啟動(dòng)OM

11、1：0=11時(shí)，處理器從Test Mode啟動(dòng)S3C2440 Nand Flash啟動(dòng)過(guò)程：在系統(tǒng)上電后,Nand Flash控制器會(huì)自動(dòng)的把Nand Flash上的前4K U-BOOT數(shù)據(jù)搬移到內(nèi)部SRAM的地址最低端(此SRAM被稱為Steppingstone)；CPU從內(nèi)部RAM的0 x00000000位置開(kāi)始啟動(dòng)并在uboot啟動(dòng)代碼的前4K里完成S3C2440的核心配置，然后把U-BOOT剩余部分搬到RAM中運(yùn)行； S3C2440 Nand Flash嵌入式Linux系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 嵌入式Linux具有分層的體系結(jié)構(gòu)，一般可分為3小層及內(nèi)核空間和用戶空間兩大塊，每一層模塊都屏蔽了其以下各

12、層的具體細(xì)節(jié)，只對(duì)上層提供功能接口或圖形界面。上層模塊不需要知道其以下各層模塊的實(shí)現(xiàn)方式，只需要利用下層提供的接口完成相應(yīng)功能即可。這樣的層次模型大大增加了嵌入式Linux的安全性、穩(wěn)定性、裁減或增添模塊的便利性。Linux內(nèi)核的各子系統(tǒng)之間的關(guān)系 嵌入式Linux內(nèi)核一般可以分為4個(gè)部分：進(jìn)程調(diào)度管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，它們之間的關(guān)系如上圖所示。進(jìn)程調(diào)度處于中心位置，其他所有子系統(tǒng)都依賴于它。在嵌入式系統(tǒng)中，嵌入式Linux的實(shí)時(shí)性能改造與進(jìn)程調(diào)度有很大的關(guān)系，調(diào)度策略的算法直接關(guān)系到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。嵌入式Linux中的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 嵌入式Linux的文件系統(tǒng)建立在塊設(shè)備上，

13、不采用驅(qū)動(dòng)器號(hào)或驅(qū)動(dòng)器名稱來(lái)標(biāo)識(shí)，而是采用了樹(shù)形結(jié)構(gòu)，每個(gè)獨(dú)立文件系統(tǒng)為一個(gè)子樹(shù)，組成樹(shù)形的層次化的結(jié)構(gòu)。當(dāng)引入新的文件系統(tǒng)時(shí)，嵌入式Linux通過(guò)掛載方式將其連接到某個(gè)目錄，從而使不同的文件系統(tǒng)組合成一個(gè)整體成為可能。嵌入式LINUX內(nèi)核移植如果一個(gè)系統(tǒng)是可以在不同的硬件平臺(tái)上運(yùn)行，那么這個(gè)系統(tǒng)就是可移植的。Linux內(nèi)核移植指根據(jù)自己的硬件平臺(tái)對(duì)內(nèi)核源代碼進(jìn)行修改，同時(shí)對(duì)內(nèi)核進(jìn)行裁剪，編譯出適合自己硬件平臺(tái)的內(nèi)核鏡像文件。Linux內(nèi)核源代碼包括多個(gè)目錄：（1）arch：包括硬件特定內(nèi)核代碼，如arm、mips等；（2）drivers：包含硬件驅(qū)動(dòng)代碼；（3）include：通用頭文件及針

14、對(duì)不同平臺(tái)的特定頭文件；（4）init：內(nèi)核初始化代碼；（5）ipc：進(jìn)程間通信代碼；（6）kernel：內(nèi)核核心代碼；（7）mm：內(nèi)存管理代碼；（8）net：與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧相關(guān)的代碼；（9）fs：文件系統(tǒng)相關(guān)代碼，如nfs、vfat等；（10）lib：庫(kù)文件，與平臺(tái)無(wú)關(guān)的strlen、strcpy等嵌入式LINUX的配置與編譯 對(duì)linux內(nèi)核的裁剪是通過(guò)內(nèi)核配置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在內(nèi)核配置過(guò)程中可以選擇自己需要的功能，而取消掉自己不需要的功能，這樣可以在滿足自己需要的同時(shí)盡可能的縮小內(nèi)核鏡像的大小，這在嵌入式開(kāi)發(fā)中是至關(guān)重要的。 對(duì)linux進(jìn)行配置的方法是：在終端下進(jìn)入內(nèi)核源代碼目錄，輸入命令make menuconfig進(jìn)入內(nèi)核配置窗口；配置完畢后，在終端命令行下輸入命令make即可在linux內(nèi)核目錄/arch/*/boot文件夾下生成內(nèi)核