用GNU工具開發基于ARM的嵌入式系統

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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,越來越多的開發人員開始了針對ARM平臺的開發。通常開發人員需要購買芯片廠商或第三方提供的開發板,還需要購買開發軟件,如C編譯器或者集成了實時操作系統的開發環境。開發板的價格從數百到上千美元,而編譯器、實時操作系統價格更是動輒數千到數萬美元。這樣,在開發初期,軟硬件上的投資就需要上萬美元,對于國內大多數開發人員來說,無疑是太貴了。

  慶幸的是,GNU所倡導的自由軟件給開發者帶來了福音。1984 年,旨在開發一個類似 Unix的,并且是完全免費的完整操作系統和配套工具:GNU 系統(發音為"guh-NEW")。GNU的操作系統和開發工具都是免費的,遵循GNU通用公共許可證(GPL)協議,任何人都可以從網上獲取全部的源代碼。關于GNU和公共許可證協議的詳細資料,讀者可參看GNU網站的中文介紹: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庫。GNU開發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系統的開發工具好用。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,也就了解了系統設計的基礎知識,為今后的開發工作打下基礎。GNU的開發工具都是免費的,遵循GPL協議,任何人都可以從網上獲取。筆者參與了一個基于ARM平臺的嵌入式linux系統開發,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,不需要在開發工具上做額外的投入。本文所介紹的開發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/。作為應用開發的最小系統必須包括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,數據寬度32位。在筆者的系統中采用了2片8M×16位的SDRAM和2片4M×16位的同步Flash存儲器,分別接入數據線的低16位和高16位,如圖1所示。

  圖1中SDRAM接片選端CS2,Flash接片選端CS3,其余為SDRAM/Flash的控制信號。最小系統還包括至少1個串行接口,可以采用MX1內置的UART控制器,圖略。

圖 1

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。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,包括數據和要寫入/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。在摩托羅拉的網站還提供了許多小工具,幫助開發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,完成接收數據并寫入Flash的操作。寫入的數據可以是用戶自己的應用程序、數據或者操作系統的內核。通過自舉模式下載的引導程序同樣可以用GNU工具開發。

3 GNU的編譯器和開發工具

  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。基于ARM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的開發過程,將以第二節中提到的通過自舉模式下載的引導程序為例,說明開發的過程。對于像Linux這樣的大系統,基本的開發流程是一樣的。

  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內核,將接收到的數據放在SDRAM中。數據接收完畢后,引導程序將SDRAM中的數據寫入Flash,下一次就可以從Flash中直接引導系統了。由于操作系統的內核比較大,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協議,可以用Windows下超級終端的Xmode發送方式發送文件。

(1)編寫C、C++語言或匯編源程序

  通常匯編源程序用于系統最基本的初始化,如初始化堆棧指針、設置頁表、操作ARM的協處理器等。初始化完成后就可以跳轉到C代碼執行。需要注意的是,GNU的匯編器遵循AT&T的匯編語法,讀者可以從GNU的站點(www.gnu.org)上下載有關規范。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表示采用二級優化,采用優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才能加載運行。為了能在嵌入式系統上直接運行,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(數據段)包含固定的數據,如常量、字符串;.bss(未初始化數據段)包含未初始化的變量、數組等。C++源程序生成的目標代碼中還包括.fini(析構函數代碼)和.init(構造函數代碼)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) }表示數據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站上找到。

  掌握了GNU工具后,開發者就可以開發或移植C或C++代碼的程序。用戶可以不需要操作系統,直接開發簡單應用程序。但對于更復雜的應用來說,操作系統必不可少。目前流行的源代碼公開的操作系統如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人員的選擇。

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