嵌入式系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0引言

嵌入系統(tǒng)開(kāi)發(fā)已經(jīng)趨于規(guī)范化，但是嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)并不像在普通PC機(jī)上進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)那樣容易，它同樣需要一個(gè)高度集成的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，來(lái)降低開(kāi)發(fā)的難度。目前市場(chǎng)上的嵌入式系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)特點(diǎn)是： （ 1）多數(shù)嵌入式系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)都是以Windows為系統(tǒng)環(huán)境，很少有以Linux為系統(tǒng)環(huán)境的；（ 2）部分集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)具有一定的開(kāi)放性，許多功能作為插件供用戶選擇； （ 3）多數(shù)集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)通用性較差，僅支持一個(gè)或者幾個(gè)系列的微處理器； （ 4）目前嵌入式系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)產(chǎn)品大都價(jià)格昂貴； （ 5）很少有集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)集成有圖形模塊支持的功能。

為了解決其它嵌入式集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)的缺點(diǎn)，本文研究了嵌入式系統(tǒng)可視化集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)，ESGIDE （ Embedded system graphical integrated development environment），其最大特點(diǎn)是具有圖形化人機(jī)交互功能和ARM CPU工作方式自動(dòng)初始化。所謂圖形化人機(jī)交互，是指把將要裁剪和配置的系統(tǒng)級(jí)軟件（比如bootloader、kernel、通用I /O輸入、輸出等）化整為零，封裝成不同功能的形象化圖形模塊，開(kāi)發(fā)者根據(jù)自己開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)需要，選擇不同圖形模塊，動(dòng)態(tài)生成bootloader、kernel、I /O等系統(tǒng)級(jí)的源代碼，不需要開(kāi)發(fā)者自己輸入，這大大簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)步驟，減輕了程序員的負(fù)擔(dān)，減少了操作的復(fù)雜度，提高了開(kāi)發(fā)效率。另一方面，ARM系列CPU應(yīng)用比較廣泛，不同型號(hào)的CPU在開(kāi)發(fā)時(shí)需要對(duì)使用的內(nèi)部資源進(jìn)行初始化。傳統(tǒng)的做法是開(kāi)發(fā)者確定工作方式，確定工作方式字，然后手動(dòng)編程。我們采用開(kāi)發(fā)模式是：以定時(shí)器應(yīng)用為例，將定時(shí)器的個(gè)數(shù)，工作方式確定，時(shí)鐘頻率的確定，是否允許中斷等編寫成對(duì)話框模式，開(kāi)發(fā)者只要選中其中的方式，初始化控制字自動(dòng)生成，編寫代碼自動(dòng)生成，同樣大大簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)步驟，減輕了程序員的負(fù)擔(dān)。

面向?qū)ο蠹夹g(shù)是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)軟件模塊化、提高軟件復(fù)用性最優(yōu)的方法，現(xiàn)在成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的一種主流技術(shù)，本文提出利用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)來(lái)設(shè)計(jì)一種嵌入式軟件IDE，對(duì)嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中的各個(gè)對(duì)象的類進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，架構(gòu)一個(gè)通用的開(kāi)發(fā)模型，根據(jù)硬件配置自動(dòng)產(chǎn)生基本的系統(tǒng)軟件方案。只需要系統(tǒng)中的每個(gè)對(duì)象類的屬性及其操作設(shè)置，自動(dòng)搭建交叉編譯環(huán)境，降低操作系統(tǒng)裁減和移植的難度，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)程序的基本框架。開(kāi)發(fā)人員只需要配置好各個(gè)模塊的基本信息，將更多精力集中在系統(tǒng)的應(yīng)用上。

1嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)流程

與常見(jiàn)的PC和服務(wù)器軟件不同，嵌入式軟件主要是對(duì)設(shè)備內(nèi)部各部分的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)，并不與設(shè)備使用者發(fā)生直接接觸。PC和服務(wù)器軟件的運(yùn)行環(huán)境是標(biāo)準(zhǔn)化的，而嵌入式軟件的運(yùn)行環(huán)境隨電子設(shè)備的不同而改變，必須針對(duì)不同的電子產(chǎn)品進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和優(yōu)化。由于嵌入式Linux操作系統(tǒng)在嵌入式開(kāi)發(fā)中占據(jù)了主流，因此本文圍繞針對(duì)移植有Linux操作系統(tǒng)的嵌入式開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行討論。

典型的基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)流程如下［1］：（ 1）獲取硬件系統(tǒng)的信息：如選取的微處理器體系，F(xiàn)lash型號(hào)、網(wǎng)卡型號(hào)及其他外設(shè)的信息等；（ 2）建立交叉編譯工具：一般的GCC工具都是針對(duì)X86體系的，為了能夠生產(chǎn)目標(biāo)板執(zhí)行的代碼必須建立交叉編譯工具；（ 3）開(kāi)發(fā)Bootloader：建立啟動(dòng)系統(tǒng)的主引導(dǎo)程序；（ 4）移植Linux內(nèi)核：如基于Linux2.6內(nèi)核移植；（ 5）開(kāi)發(fā)一個(gè)根文件系統(tǒng)：如rootfs的制作；（ 6）開(kāi)發(fā)特定硬件的驅(qū)動(dòng)程序：如LCD，Keypad等；（ 7）開(kāi)發(fā)上層的應(yīng)用程序：如QT GUI開(kāi)發(fā)。

對(duì)于開(kāi)發(fā)過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)，有的提供了輔助的開(kāi)發(fā)工具，有的需要完全依賴經(jīng)驗(yàn)手工從底層開(kāi)發(fā)，嵌入式軟件開(kāi)發(fā)依然停留在手工作坊式的方式，很難做到工程化管理。本文所設(shè)計(jì)的IDE將涵蓋整個(gè)開(kāi)發(fā)的各個(gè)重要環(huán)節(jié)，力求最大程度上降低開(kāi)發(fā)難度，在集成化開(kāi)發(fā)環(huán)境里完成主要工作。

2 IDE面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計(jì)

對(duì)于運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)的系統(tǒng)，根據(jù)其開(kāi)發(fā)流程，利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)分析設(shè)計(jì)出6個(gè)基本的大類，并給出對(duì)象之間的協(xié)作關(guān)系圖，如圖1、圖2所示。這幾個(gè)大類貫穿了嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的重要環(huán)節(jié)。

圖1嵌入式軟件IDE基本類

圖2基本對(duì)象類的協(xié)作圖

硬件系統(tǒng)信息類，承載了硬件系統(tǒng)的描述信息，比如選取何種體系的微處理器，處理器的工作頻率設(shè)置，采用何種啟動(dòng)方式，是NandFlash，還是NorFlash或者EPROM等，用戶通過(guò)設(shè)定這些參數(shù)，其他對(duì)象將獲取其中的信息進(jìn)行配置。

嵌入式開(kāi)發(fā)需要交叉編譯，Linux環(huán)境下一般就是采用開(kāi)源Gcc系列進(jìn)行配置，環(huán)境搭建類管理交叉編譯鏈的源代碼，根據(jù)體系架構(gòu)的信息自動(dòng)生成運(yùn)行腳本，在制定目錄下生成完整的交叉編譯鏈，這是嵌入式開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。

工程管理類，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的主要目的就是同一組織文檔，省卻人工管理，自動(dòng)編譯運(yùn)行源碼，其中包含了文件操作，組織好源代碼之間的關(guān)系，利用make技術(shù)進(jìn)行編譯，牽扯到大量全局環(huán)境參數(shù)的設(shè)定。

引入控制字庫(kù)類是方便部分程序的編寫，比如Bootloader類需要對(duì)處理器初始化，基本的驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行操作，其中包含了匯編指令級(jí)別和C語(yǔ)言的操作，開(kāi)發(fā)人員往往需要對(duì)參考手冊(cè)熟練掌握，大大降低了開(kāi)發(fā)效率?？刂谱謳?kù)盡量包含了常見(jiàn)的處理器系列的寄存器控制字庫(kù)，只需選擇某個(gè)具體功能，便可產(chǎn)生需要的指令源碼。同樣驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)中，也是頻繁利用了C語(yǔ)言對(duì)寄存器進(jìn)行操作。

系統(tǒng)移植類涵蓋了整個(gè)系統(tǒng)需要移植的模塊，引導(dǎo)程序，操作系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)，各類封裝了大量繁雜的細(xì)節(jié)內(nèi)容，盡量以最簡(jiǎn)化形式幫助開(kāi)發(fā)人員完成操作，重要的環(huán)節(jié)只需設(shè)定參數(shù)，其他交由對(duì)象自動(dòng)執(zhí)行。

面向?qū)ο笞钪匾奶卣骶褪?ldquo;高內(nèi)聚度和低耦合性”，各個(gè)對(duì)象封裝了細(xì)節(jié)操作，只需要有限的外部接口交換信息，這種柔性思想最大程度上提高了軟件的復(fù)用性。本文所設(shè)計(jì)的IDE，根據(jù)體系結(jié)構(gòu)的不同，所需修改的只是個(gè)別對(duì)象的內(nèi)部數(shù)據(jù)和操作，整體架構(gòu)不受任何影響［2，3］。

圖3給出了面向?qū)ο笄度胧郊砷_(kāi)發(fā)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)。

圖3面向?qū)ο蟮那度胧郊砷_(kāi)發(fā)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

3系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

目前可視化的面向編程語(yǔ)言種類比較多，從對(duì)面向?qū)ο蠹夹g(shù)的支持程度上來(lái)說(shuō)，微軟最新的VC#從封裝性、類型安全性方面相當(dāng)強(qiáng)大。重要的是，類層次清晰，編碼容易，可以根據(jù)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的框架輕松的進(jìn)行轉(zhuǎn)換，卻和C ++一樣強(qiáng)大。所以本文利用VC#設(shè)計(jì)了嵌入式軟件IDE，對(duì)各個(gè)類編寫詳細(xì)代碼。

整個(gè)系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖4所示。

圖4 IDE的系統(tǒng)架構(gòu)圖

集成開(kāi)發(fā)環(huán)境運(yùn)行于Windows平臺(tái)下，但需要Linux的強(qiáng)大命令集，在此，本文提出了Cygwin技術(shù)來(lái)模擬Linux運(yùn)行環(huán)境，從而使得IDE的底層得到強(qiáng)大的各種命令支持，可以運(yùn)行各種腳本文件。此技術(shù)屬于開(kāi)源項(xiàng)目，安裝后需個(gè)別地方的細(xì)節(jié)修改。

交叉編譯工具鏈模塊是IDE設(shè)計(jì)的核心，開(kāi)發(fā)一個(gè)實(shí)用的編譯器，需要花費(fèi)大量的人力物力和財(cái)力，其可靠性也要經(jīng)受時(shí)間的考驗(yàn)。幸運(yùn)的是，GNU提供了免費(fèi)的、功能強(qiáng)大的GCC工具鏈，它不僅可以編譯Linux操作系統(tǒng)下的應(yīng)用程序以及Linux內(nèi)核，而且還是一款交叉編譯器，支持ARM、PowerPC、x86、Intel960、M68等幾乎所有知名的CPU廠家，而且國(guó)外大多數(shù)集成開(kāi)發(fā)工具都從GCC移植而來(lái)。

本文的交叉編譯工具鏈模塊并不是單獨(dú)的針對(duì)某個(gè)體系結(jié)構(gòu)，可以重定向，根據(jù)參數(shù)配置，生成某個(gè)系列的編譯工具，如圖5所示。

圖5交叉工具鏈模塊

軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是，要組織好源代碼之間的關(guān)系，編譯連接，這就要用到工程化的手段去管理源碼。這是IDE設(shè)計(jì)中的橋梁。

本文利用的Makefile技術(shù)對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行管理，主要就是針對(duì)驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的組織和編譯。Makefile是Linux工程管理的一項(xiàng)成熟的技術(shù)，有一套完整的規(guī)則，只需要按照規(guī)則去編寫Makefile文件，然后由make命令去解釋執(zhí)行。Cygwin中集成了Gnumake，因此只要編寫好Makefile文件，只需一個(gè)make命令，就可以完成所有的編譯連接工作，如圖6所示。

圖6工程管理模塊

大多數(shù)的IDE都有這個(gè)命令，比如： Delphi的make，Visual C + +的nmake，Linux下GNU的make.可見(jiàn)，makefile都成為了一種在工程方面的編譯方法。

一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是顯示信息重定向到IDE指定的輸出窗口，各種腳本運(yùn)行信息都是標(biāo)準(zhǔn)控制臺(tái)輸出，因此需要將編譯中的標(biāo)準(zhǔn)信息和錯(cuò)誤信息進(jìn)行重定向。通常是靠管道技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但嵌入式開(kāi)發(fā)中許多編譯過(guò)程長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)，信息往往需要進(jìn)程結(jié)束才能完全顯示。本文IDE則采用了管道技術(shù)加異步式讀取技術(shù)，使得重定向和信息顯示同時(shí)進(jìn)行，及時(shí)反饋編譯過(guò)程中的各種信息。

Bootloader是嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)加載程序，它的作用是初始化必要的硬件設(shè)備，創(chuàng)建內(nèi)核需要的一些信息并將信息通過(guò)相關(guān)機(jī)制傳遞給內(nèi)核，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核，真正起到引導(dǎo)和加載內(nèi)核的作用［5］。

Bootloader依賴于硬件實(shí)現(xiàn)，除了體系結(jié)構(gòu)，還依賴于具體的嵌入式板級(jí)設(shè)備的配置，因此Bootloader是嵌入式開(kāi)發(fā)移植最困難的部分，一般來(lái)說(shuō)都是將已有的代碼進(jìn)行大量的修改，本文采用的是U-Boot 1.2.0，目前來(lái)說(shuō)是比較通用的Bootloader.如圖7所示，針對(duì)這部分移植，為了最大程度上幫助用戶完成代碼的修改，IDE提供不同類型的體系架構(gòu)需要修改的源碼的提示信息，以及某種配置下需要修改的提示信息，需要建立一個(gè)幫助文件數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)控制字庫(kù)模塊添加需要的源碼。其實(shí)一般來(lái)說(shuō)，修改都是大同小異，最主要的是修改兩個(gè)方面，何種方式啟動(dòng)，是Nadflash還是Norflash，如果是Nandflash啟動(dòng)，需要定義芯片配置函數(shù)，增加Nandflash拷貝數(shù)據(jù)到內(nèi)存的代碼。

還有就是為了利用tft協(xié)議燒錄內(nèi)核到flash，需要針對(duì)某種網(wǎng)卡芯片進(jìn)行修改。

圖7 Bootloaer移植模塊

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，內(nèi)核配置無(wú)非就是生成一個(gè)配置文件，由Makefile來(lái)讀取，不同的架構(gòu)，就會(huì)選擇不同架構(gòu)目錄下的源碼。但是內(nèi)核配置比較繁雜，一般人員很難理清源碼之間的關(guān)系，配置不好，不僅無(wú)法編譯，即使勉強(qiáng)編譯成功，也未必能夠正常運(yùn)行。

而且，內(nèi)核不單單是配置問(wèn)題，還有部分源碼根據(jù)需要必須修改，比如如果是Nandflash作為存儲(chǔ)器，需要建立Nandflash分區(qū)表。

對(duì)于內(nèi)核配置，本文IDE提供利用模板來(lái)進(jìn)行二次配置，建立模板數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)用戶的參數(shù)設(shè)定，提供符合條件的模板，如果模板基本符合要求，就可以利用模板進(jìn)行編譯，如果需要細(xì)節(jié)的修改，則調(diào)用內(nèi)核配置工具來(lái)進(jìn)行配置，內(nèi)核配置工具利用make xconfig形式，產(chǎn)生圖形化界面，當(dāng)然需要X系統(tǒng)的支持，需要在Cygwin中安裝、修改。

對(duì)于內(nèi)核源碼修改，則需要幫助文件數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)用戶參數(shù)設(shè)置，產(chǎn)生需要的源碼，添加到內(nèi)核中去。如圖8所示。

圖8內(nèi)核移植模塊

根文件系統(tǒng)是Linux /Unix系統(tǒng)啟動(dòng)的一個(gè)重要組成部分，也是操作系統(tǒng)正常工作時(shí)候的必要組成部分，在啟動(dòng)時(shí)候內(nèi)核需要跟文件系統(tǒng)來(lái)掛載。在現(xiàn)代Linux操作系統(tǒng)中，內(nèi)核代碼影像文件保存在根文件中，系統(tǒng)引導(dǎo)啟動(dòng)程序會(huì)從這個(gè)根文件設(shè)備商把內(nèi)核代碼加載到內(nèi)存中取運(yùn)行。如圖9所示。

圖9根文件制作模塊

嵌入式根文件系統(tǒng)有RomFS，JFFS2，NFS，EXT2，RAMDISK，Cramfs等，每個(gè)系統(tǒng)都有自己的特點(diǎn)，最常用的就是Cramfs文件系統(tǒng)，Cygwin工具集中提供了Cramfs工具，mkcramfs.嵌入式根文件的最底層目錄中，都有其具體的用途和目的，因此必須建立最基本的根目錄。而且一些根目錄下必須有固定的文件，如/bin，/ sbin，/ usr /bin，/ usr /sbin需要放置Linux命令工具，/ etc目錄下需要系統(tǒng)配置文件，包括啟動(dòng)文件。因此，本模塊要完成這么幾個(gè)功能，提供必須的根目錄，根目錄下的文件，將根目錄制作成某種跟文件系統(tǒng)，本文暫時(shí)提供Cramfs文件系統(tǒng)。嵌入式Linux命令工具集由BusyBox工具提供，它包含了很多標(biāo)準(zhǔn)Linux工具的單個(gè)可執(zhí)行實(shí)現(xiàn)，本文的IDE提供了一個(gè)BusyBox的標(biāo)準(zhǔn)配置，只需要利用交叉工具鏈進(jìn)行編譯。

4嵌入式微處理器內(nèi)部資源驅(qū)動(dòng)

嵌入式微處理器有大量的內(nèi)部I /O接口資源，如定時(shí)計(jì)數(shù)器、中斷、DMA、開(kāi)關(guān)量輸入輸出等，要選擇其中的接口應(yīng)用，首先要進(jìn)行初始化，編寫驅(qū)動(dòng)程序。

驅(qū)動(dòng)程序編寫模塊和應(yīng)用程序編寫模塊只要提供一個(gè)文本編輯器，利用工程管理部分去組織源碼進(jìn)行編譯就可以。對(duì)于驅(qū)動(dòng)程序的編寫，Linux驅(qū)動(dòng)程序都有一套固定的模式，比如字符型、塊型、網(wǎng)絡(luò)型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都有區(qū)別，但每種類型的驅(qū)動(dòng)程序架構(gòu)都一樣。另外驅(qū)動(dòng)程序編寫中最重要的就是根據(jù)每個(gè)接口資源確定的工作方式確定控制字，即使開(kāi)發(fā)人員對(duì)某個(gè)體系下的各類CPU內(nèi)部資源的控制字十分熟悉，也要經(jīng)常參考手冊(cè)才能準(zhǔn)確無(wú)誤。

本文提出了驅(qū)動(dòng)程序編寫模式，一個(gè)是選擇類型，自動(dòng)生成某種類型的模板，在此模板上進(jìn)行添加修改；第二就是利用控制字模塊，在開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序過(guò)程中，開(kāi)發(fā)人員可以選擇某個(gè)體系結(jié)構(gòu)下的針對(duì)某種具體寄存器的操作，然后會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生必要的代碼，如圖10、圖11所示，只需要將代碼嵌入到驅(qū)動(dòng)程序源碼中。

圖10是定時(shí)器的選擇界面，開(kāi)發(fā)者只要根據(jù)需求選擇相應(yīng)的定時(shí)器，確定其功能，初始值，然后選擇確認(rèn)按鈕，初始化代碼自動(dòng)生成，如圖11包含初始化控制字，非?？旖荨⒈憷?。另外，如果驅(qū)動(dòng)程序要添加到內(nèi)核去，重新重新配置內(nèi)核即可。

圖10定時(shí)器及其功能選擇界面

圖11自動(dòng)產(chǎn)生初始化代碼界面

5結(jié)語(yǔ)

本開(kāi)發(fā)平臺(tái)具有友好的用戶界面、文本編輯器、工程管理工具、交叉編譯器、燒錄和下載工具、圖形化模塊支持。本集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)可以供學(xué)生、老師或者工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)嵌入式linux的裁剪和移植，ARM系列CPU的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

利用本文研究的嵌入式軟件IDE，針對(duì)ARM系列的2410平臺(tái)進(jìn)行了U-Boot、Linux2.6內(nèi)核、根文件系統(tǒng)的配置和移植，編寫出基本的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序，測(cè)試取得成功。