嵌入式開發(fā)環(huán)境

第4章嵌入式開發(fā)環(huán)境本章主要內容：1.嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境的建立2.嵌入式程序調試燒寫工具3.Linux操作系統(tǒng)移植4.ARM開發(fā)工具ADS等4.1建立嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境本節(jié)主要介紹Linux操作系統(tǒng)。Linux操作系統(tǒng)和引導程序的編譯，根文件系統(tǒng)的制作等都要在Linux環(huán)境下進行。因此，需要一臺安裝有Linux操作系統(tǒng)的PC作為軟件開發(fā)的機器。如果現(xiàn)在使用的是安裝了Windows的計算機，那么最好的方法就是在Windows里安裝一個虛擬機，然后再在虛擬機里安裝Linux操作系統(tǒng)，這樣既不影響原來的工作環(huán)境，又可建立新的開發(fā)環(huán)境。4.1.1在虛擬機上運行Linux操作系統(tǒng)

PC上常用的虛擬機軟件有VMWare和VirtualPC兩種。根據(jù)實際需求，選擇分配給虛擬機的硬盤空間。RedhatLinux典型的安裝一般是2GB左右，因此選擇8GB的空間就足夠用了。通過共享文件夾的方式，在虛擬機中還可以訪問到Windows下的文件。在虛擬機中可以通過掛起系統(tǒng)的方式，保存當前的工作環(huán)境，當重新啟動虛擬機時，再恢復到前一次的工作環(huán)境，繼續(xù)沒有完成的工作。這樣啟動的速度比重新啟動系統(tǒng)要快得多。在虛擬機上運行Linux如圖4-1所示。圖4-1在虛擬機上云新Linux常用輔助工具

嵌入式Linux一般使用ARM處理器的第一個串口做為默認的控制臺設備，啟動過程中，Linux利用printk向串口輸出啟動信息。在進行引導程序或操作系統(tǒng)移植等工作時，經(jīng)常利用串口輸出的信息進行調試。常用的串口工具有secureCRT、Windows自帶的超級終端和網(wǎng)上可以下載的免費串口工具(如串口助手和丁丁串口工具等)。圖4-2嵌入式系統(tǒng)調試用的串口工具secureCRT的窗口4.2程序調試燒寫工具學習嵌入式開發(fā)的第一個問題通常是想了解程序是怎么燒寫到閃存的。燒寫的方式有兩種，一種方法是用編程器進行燒寫，這通常是在生產(chǎn)中進行的；另一種方法是用通常芯片的JTAG口進行燒寫，在研發(fā)調試過程中一般采用這種方法。4.2.1JTAG燒寫線的制作

JTAG下載線非常簡單，就是利用PC并行端口的輸出帶鎖存的特點，使用軟件通過并口引腳產(chǎn)生JTAG時序。計算機并行口引腳的定義如表4-1所列。表4-1并行口引腳

引腳號名稱類型功能1STROBE輸出選通脈沖，低電平表示數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)有效2~9D0~D7輸出8位數(shù)據(jù)信號線10ACK輸入確認11BUSY輸入高電平表示打印機處于忙狀態(tài)12PE輸入高電平表示打印機的紙用完13SEL輸入高電平表示選擇當前打印機14AUTOFD輸出自動送紙15ERROR輸入低電平表示出現(xiàn)錯誤16INIT輸出初始化17SELIN輸出選擇18~25GND—信號地使用D0~D3作為JTAG接口的TCK、TDI和TMS，用PIN11(BUSY)作為TDO。JTAG接口的另一個信號線TRST(復位信號線)并沒有使用。電路圖如圖4-3所示。圖4-3JTAG下載線電路圖VccP133pF33pFC3C2LPT_TMSLPT_TDILPT_TCK2.2K2.2KR6R72.2KR5J1ARM_JTAG-33pF33pF33pFC7C6C5TDOLPT_TDO4.7FC100.1F+C974HCT244Vcc2.2KR4R3TDO100100R2LPT_TDI100R1LPT_TCK計算機并口12345678910111213141516171819202122232425A18A2A3A4A5A6A7A8Y18Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y81OE2OE2468111317LPT_TMS15LPT_TDO11918161412973512345678C433pFVcc33pFC1燒寫程序Jflash簡介有了前面的下載線，再使用Jflash軟件，就可以把程序燒寫到閃存中。Jflash是使用JTAG口直接寫閃存的流行工具。Jflash在Linux和Windows操作系統(tǒng)中都可以使用，現(xiàn)在主要還是介紹在Linux中的使用。Jflash在S3C2410的嵌入式系統(tǒng)中進行燒寫時在屏幕上的輸出如圖4-4所示。圖4-4閃存燒寫程序JflashJflash命令格式：./jf2410/f:test，test是要燒寫到閃存的文件。從圖4-4中輸出的信息可以看出Jflash的版本是v0.3，嵌入式系統(tǒng)中S3C2410處理器的ID是0x0032409d，這個程序當前支持的閃存有K9S1208(Samsung公司的NandFlash)和28F128J3A(Intel公司的NorFlash)。此外，還支持內存的讀/寫操作，包括硬件存放器的讀/寫，在開發(fā)調試中，這個功能比較有用。4.3Linux操作系統(tǒng)移植Linux操作系統(tǒng)是一個完全開放源代碼的操作系統(tǒng)，用戶可以自己下載、閱讀、修改并重新編譯內核，從而使開發(fā)人員能夠完全自己定制相關的操作系統(tǒng)功能，以適合自己的需要。在Linux操作系統(tǒng)應用到一個新的系統(tǒng)平臺時，需要進行代碼修改，也就是操作系統(tǒng)的移植。嵌入式系統(tǒng)和PC不同之處在于嵌入式系統(tǒng)的硬件設備多種多樣，同時由于資源的限制，操作系統(tǒng)又不能太龐大，因此需要針對具體系統(tǒng)進行裁剪。4.3.1Bootloader概述基于IntelX86體系結構的PC也一樣需要使用Bootloader。計算機上電后從地址0xFFFF0取第一條指令，這個地址存放的就是計算機主板的BIOS。BIOS完成開機時的硬件啟動檢測，然后讀取硬盤的引導扇區(qū)。對于使用Linux操作系統(tǒng)的計算機，引導扇區(qū)上的程序先讀入引導程序LILO或是GRUB，再由引導程序把Linux裝入到內存中，然后把控制權交給Linux。1.Bootloader主要功能包括啟動和下載。啟動功能：所謂啟動功能就是Bootloader從嵌入式系統(tǒng)的固態(tài)存儲器(通常都是Flash)上將操作系統(tǒng)加載到RAM中運行，然后將控制權交給操作系統(tǒng)，之后由操作系統(tǒng)接管系統(tǒng)的初始化和引導操作系統(tǒng)。對于使用Linux操作系統(tǒng)的ARM嵌入式系統(tǒng)，Bootloader必須給Linux準備必要的運行環(huán)境：Bootloader給Linux準備必要的運行環(huán)境①ARM處理器的存放器必須滿足r0=0，r1=設備類序號(machinetypenumber)，r2=啟動參數(shù)taggedlist再ARM中的物理地址。以后的內核用taggedlist的形式來傳遞啟動參數(shù)。啟動參數(shù)從ATAG_CORE開始，至ATAG_NONE結束。②屏蔽所有中斷，ARM處理器運行模式在SVC模式。③MMU必須處于關閉狀態(tài)，數(shù)據(jù)高速緩沖(Datacache)必須關閉。下載功能:在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的過程中，需要移植操作系統(tǒng)、編寫設備驅動等工作，在調試過程中，可能要屢次下載內核映像文件到存儲介質中。Bootloader可以通過串口、USB口或以太網(wǎng)口等通信接口由PC(主機)下載內核映像文件。內核映像文件先下載到SRAM中，這時可以直接轉移到內核映像運行，也可以把內核映像寫到Flash的內核分區(qū)。Bootloader通過串口進行文件傳輸時。使用xmodem、ymodem或zmodem協(xié)議。在開發(fā)調試時，串口傳輸?shù)乃俣缺容^慢。因此，目前比較流行的Bootloader都支持以太網(wǎng)連接，通過TFTP來下載文件。目前用于ARM嵌入式Linux系統(tǒng)比較流行的Bootloader由U-Boot、vivi、Redboot和Blob等。各種Bootloader的實現(xiàn)各有特點，但完成的工作都是類似的。有的主要是在ARM嵌入式系統(tǒng)中使用，如ARMboot、vivi和Blob等；有些支持多種硬件平臺，如U-Boot和Redboot等。如果對Bootloader的功能要求不多，僅是把操作系統(tǒng)從Flash復制到RAM中運行，完全可以自己編寫一個Bootloader。2.常見的一些Bootloader(1)U-Boot(2)vivi(3)RedBoot(4)Blob操作系統(tǒng)目錄結構移植Linux操作系統(tǒng)就是修改平臺相關的源文件，因此要知道這些文件在源代碼樹中的位置，也就是要了解Linux的目錄系統(tǒng)結構，了解各個目錄下源代碼文件的功能。Linux操作系統(tǒng)源代碼非常龐大、復雜，要全部閱讀理解完整的內核代碼幾乎是不可能的。但內核代碼文件的組織是非常清晰的，每一個目錄都對應特定功能。系統(tǒng)的移植只是涉及其中很小一局部代碼。以內核版本2.6為例來了解Linux的目錄結構arch這個目錄中根據(jù)Linux支持的處理器類型設置不同的子目錄，包括arm、mips和i386等。在arch/arm/目錄下，還根據(jù)不同的ARM處理器設置不同的子目錄，如mach-s3c2410等。block這個目錄中是塊設備(如硬盤)的I/O算法相關的文件。crypto加密算法相關的文件目錄。Documentation這個目錄中是內核自帶的幫助文件。drivers設備驅動的目錄，包括串口、IDE和PCI等。fs這個目錄是存放Linux支持的各種文件系統(tǒng)源文件，如EXT3、sysfs和yaffs2等。include內核頭文件目錄。其中目錄asm-XXX是不同處理器結構相關的頭文件，對于ARM處理器是asm-arm。init系統(tǒng)初始化可以分為兩個階段，第一個階段是和處理器結構緊密相關的代碼，根本是用匯編語言寫的；第二個階段是與處理器無關的代碼，用C語言編寫，這局部文件就放在這個目錄中。ipc進程間通信相關文件目錄，如消息隊列、信號量和共享內容等。kernel與結構無關的根本內核文件的目錄。lib內核庫函數(shù)文件目錄。mm內存管理文件目錄。net網(wǎng)絡協(xié)議相關文件目錄，如IPV4、IPV6等。scripts這個目錄存放編譯內核時需要使用到一些腳本文件。security內核平安相關文件目錄。sound音頻相關的文件目錄。use和initramfs文件系統(tǒng)相關的文件目錄。initramfs是一種建立在內存中的文件系統(tǒng)。在根目錄下，還有一個Makefile文件!其他ARM架構通用的代碼:如:arch/arm/kernel：:Linux核心代碼；arch/arm/mm：內存管理代碼；arch/arm/lib：庫函數(shù)；arch/arm/nwfpe：實現(xiàn)浮點計算的代碼；arch/arm/configs：各種硬件平臺的默認配置文件；arch/arm/tools：自動生成各種文件(如機器ID定義文件mach-types等)的腳本；arch/arm/boot：內核啟動的代碼。4.3.3Bootloader與Linux操作系統(tǒng)Bootloader的功能不只是把Linux內核加載到內存，還要將參數(shù)傳遞內核。以后的內核以標記列表(taggedlist)的形式來傳遞啟動參數(shù)。參數(shù)的列表以標記ATAG_CORE開始，以標記ATAG_NONE結束。每個標記由表示被傳遞參數(shù)的tag_header結構以及隨后的參數(shù)值數(shù)據(jù)結構來組成。參數(shù)必須存放在系統(tǒng)的RAM中，推薦放在RAM的前16KB的位置。在嵌入式Linux系統(tǒng)中，常見啟動參數(shù)ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK和ATAG_INITRD等。4.3.4編譯及配置內核Linux內核源代碼修改完成后，就可以進行內核的編譯了。在源代碼根目錄下的Makefile文件需要修改兩個地方：一是指定CPU類型，而是指定使用的編譯器。在Makefile中，修改如下：ARCH=armCROSS_COMPILE=arm-linux-編譯器gcc的版本和Linux內核版本關系密切。從Linux源代碼根目錄下的README可以找到內核對gcc版本的要求。4.3.5制作根文件系統(tǒng)Linux的文件系統(tǒng)有一個根節(jié)點“/〞，這個根節(jié)點存在于內存之中。系統(tǒng)啟動時，要將某一個具體的設備安裝到節(jié)點“/〞上，稱為根設備，根設備上的文件系統(tǒng)就稱為根文件系統(tǒng)。對于PC，這個設備一般是硬盤上的某一個分區(qū)；而對于嵌入式設備，通常就是Flash上的一個分區(qū)。嵌入式系統(tǒng)中常用的根文件系統(tǒng)是cramfs，這是一個只讀的文件系統(tǒng)，由于使用了zlib壓縮算法，整個文件系統(tǒng)可以很小，適合嵌入式系統(tǒng)的要求。但因為它是一個只讀的文件系統(tǒng)，不能隨意增加或刪除文件節(jié)點，因此需要預先用工具mkcrmfs建立文件系統(tǒng)的映像。在BootLoader中，把根文件系統(tǒng)的映像寫到Flash的某個分區(qū)中，然后再啟動Linux時將類似“root=/dev/mtdblock3〞的參數(shù)傳遞給Linux內核。Linux的根文件系統(tǒng)一般包括如下目錄①/bin目錄中存放Linux標準命令和應用程序，如ls、cp等。②/dev目錄中存放設備文件節(jié)點。系統(tǒng)上的每個設備在/dev里都有一個對應的設備文件。這個目錄中的內容對不同版本的Linux操作系統(tǒng)會有所不同。在沒有引入devfs文件系統(tǒng)以前，/dev目錄下的節(jié)點是預先建立好的，即在存儲介質(硬盤、Flash等)上分配了空間。在使用了devfs文件系統(tǒng)以后，目錄/dev下的節(jié)點是動態(tài)建立的。系統(tǒng)剛啟動時，目錄為空，以后每掛載一個設備，就在目錄/dev下增加一個或是幾個節(jié)點。③/etc目錄中存放系統(tǒng)設置文件和其他的系統(tǒng)文件，例如/etc/fstab記錄了啟動時要掛載的文件系統(tǒng)。④/lib目錄中存放系統(tǒng)的動態(tài)鏈接庫文件。庫文件從編譯器(如arm-uclibc-gcc)的目錄中復制相關文件。⑤/mnt用戶臨時掛載文件系統(tǒng)的地方。嵌入式系統(tǒng)的根文件系統(tǒng)通常是使用只讀的文件系統(tǒng)cramfs，而用戶程序可能需要進行升級，同時要存儲采集的數(shù)據(jù)等。因此存儲這些可寫數(shù)據(jù)的Flash分區(qū)一般是掛載到這個目錄下。⑥/proc用于掛載proc文件系統(tǒng)。proc是Linux特殊的文件系統(tǒng)，系統(tǒng)剛上電時，這個目錄為空。系統(tǒng)啟動過程中或是在設備掛載過程中，在目錄/proc中動態(tài)生成各種文件。這個目錄下的文件也是比較特殊的，文件的內容是在讀/寫時根據(jù)系統(tǒng)相關信息生成。⑦/root超級用戶主目錄。⑧/sbin目錄中存放系統(tǒng)管理程序，如fsck和mount等；⑨/tmp目錄中存放不同的程序執(zhí)行時產(chǎn)生的臨時文件。但由于根文件系統(tǒng)為只讀文件系統(tǒng)，因此必須在這個目錄下掛載其他的文件系統(tǒng)。⑩/usr目錄中存放用戶應用程序和文件，通常有/usr/bin和/usr/sbin等子目錄。例如，假設存放根文件系統(tǒng)的目錄名為/home/qcd/myroot/，那么可用以下命令生成cramfs的根文件系統(tǒng)：mkcramfs/home/qcd/myrootmyroot.img即可在當前目錄下生成名為myroot.img的文件系統(tǒng)映像。為了確認文件系統(tǒng)的映像是否正確，可以用以下命令把它掛載到某個目錄(如/mount/myroot)下查看其內容：mout-oloop-tcramfsmyroot.img/mount/myroot根文件系統(tǒng)各個目錄的作用和在PC上的Linux操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)是一樣的。4.4ARM開發(fā)工具ADS根底ARMADS全稱為ARMDeveloperSuite，是由ARM公司提供的專門用于ARM處理器應用開發(fā)和調試的綜合性工具軟件。目前使用的ADS1.2版本是一款功能強大的開發(fā)工具和易于使用的集成開發(fā)環(huán)境(IntegratedDevelopmentEnvironment，IDE)。它可以安裝在WindowsNT4，Windows2000，Windows98，Windows95，WindowsXP和WindowsMe操作系統(tǒng)中。ADS囊括了一系列的應用工具，并有相關的文檔和實例的支持。使用者可以用它來編寫和調試各種基于ARM家族處理器的應用，可以為ARM和Thumb處理器開發(fā)、編譯和調試采用C、C++和ARM匯編語言編寫的程序代碼。ADS主要包含CodeWarriorIDE和AXD兩局部。CodeWarriorIDE工具主要用于工程的管理配置、源程序的編輯、編譯和鏈接；AXD主要用于工程的下載和調試。本節(jié)將重點介紹圖形界面的ADS1.2IDE開發(fā)工具。CodeWarriorIDECodeWarriorIDE是基于Windows操作系統(tǒng)平臺的工程管理工具，用戶可以根據(jù)特定的目標系統(tǒng)配置工具環(huán)境，為源代碼文件、庫文件建立工程，通過編譯鏈接可生成包含調試信息的ELF格式的映像文件(*.asf)和可以直接燒寫至Flash的BIN格式的二進制可執(zhí)行文件(*.bin)。用戶使用CodeWarriorIDE，可以便捷地管理工程、源文件和編譯工程等。AXD是基于Windows操作系統(tǒng)平臺的ARM調試器，它提供了一個功能完備的調試環(huán)境，可用于調試C、C++和匯編語言級編寫的用戶代碼。在AXD中翻開ELF格式映像文件后，可以選擇全速運行代碼、設置斷點或單步運行代碼，可以查看各個存放器、存儲器單元及變量的值等。1.ADS環(huán)境下ARM程序開發(fā)方式(1)開發(fā)工具(2)編譯器(3)仿真與調試目前常見的調試方法有4種:1)指令集模擬器2)Angel調試監(jiān)控軟件3)JTAG(JointTestActionGroup，聯(lián)合測試行為組織)仿真器4)在線仿真器ICE2.ADS工具介紹(1)CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境(CodeWarriorIDE)是一套專為基于ARM處理器而設計的、完整的集成開發(fā)工具，它充分發(fā)揮了ARM處理器體系結構的優(yōu)勢。開發(fā)人員只需在一個集成軟件環(huán)境中就能完成ARM應用開發(fā)的各個階段。在整個開發(fā)周期中，開發(fā)人員無需離開CodeWarrior開發(fā)環(huán)境，節(jié)省了在不同環(huán)境工具間的切換等，使得開發(fā)人員有更多的精力投入到代碼的編寫和調試中。(2)ADS調試器ADS調試器(AXD)是一個工具軟件，用戶使用AXD可以對用戶程序進行諸如斷電的設置與去除、程序運行控制、單步執(zhí)行、存放器數(shù)據(jù)監(jiān)視和變量的查看等調試操作。AXD掛接在CodeWarriorIDE中，用戶可在CodeWarriorIDE中直接點擊啟動AXD，調試用戶程序；也可以單獨啟動AXD，加載、調試用戶代碼。4.4.2ADS中的工程管理工具CodeWarriorIDE1.ADS系統(tǒng)中的文件類型2.工程模板3.創(chuàng)立工程4.工程管理4.4.5AXD調試器中常用的調試窗口1.Registers窗口選擇菜單【AXD】→【ProcessorViews】→【Registers】，翻開ARM7TDMI-SRegisters窗口，如圖4-22Registers窗口所示。2.Memory窗口選擇菜單【AXD】→【ProcessorViews】→【Memory】，翻開ARM7TDMI-SMemory窗口，如圖4-23所示。Memory窗口顯示了某個存儲區(qū)域的內容。使用Memory窗口，可以實現(xiàn)下面的功能：(1)通過窗口上的垂直滾動條顯示存儲區(qū)域的內容，顯示格式可由用戶指定。(2)修改某存儲單元的內容。(3)在ARM7TDMI-MemroyStartAddr欄中可以指定查看存儲的地址。圖4-23Memory窗口3.Disassembly窗口選擇菜單【AXD】→【ProcessorViews】→【Disassembly】，翻開ARM7TDMI-SDisassembly窗口，如圖4-24所示。Disass