用GNU工具開發(fā)基于ARM的嵌入式系統(tǒng)
關(guān)鍵詞：ARM GNU MC928MX1 gcc gdb gdbserver
當(dāng)前，ARM公司的32位RISC處理器，以其內(nèi)核耗電少、成本低、功能強(qiáng)、特有16/32位雙指令集，已成為移動通信、手持計算、多媒體數(shù)字消費(fèi)等嵌入式解決方案的RISC標(biāo)準(zhǔn)，市場占有率超過了75 %。多家公司都推出了自己的基于ARM內(nèi)核的處理器產(chǎn)品，越來越多的開發(fā)人員開始了針對ARM平臺的開發(fā)。通常開發(fā)人員需要購買芯片廠商或第三方提供的開發(fā)板，還需要購買開發(fā)軟件，如C編譯器或者集成了實(shí)時操作系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境。開發(fā)板的價格從數(shù)百到上千美元，而編譯器、實(shí)時操作系統(tǒng)價格更是動輒數(shù)千到數(shù)萬美元。這樣，在開發(fā)初期，軟硬件上的投資就需要上萬美元，對于國內(nèi)大多數(shù)開發(fā)人員來說，無疑是太貴了。
慶幸的是，GNU所倡導(dǎo)的自由軟件給開發(fā)者帶來了福音。1984 年，旨在開發(fā)一個類似 Unix 的，并且是完全免費(fèi)的完整操作系統(tǒng)和配套工具：GNU 系統(tǒng)（發(fā)音為"guh-NEW"）。GNU的操作系統(tǒng)和開發(fā)工具都是免費(fèi)的，遵循GNU 通用公共許可證 (GPL)協(xié)議，任何人都可以從網(wǎng)上獲取全部的源代碼。關(guān)于GNU和公共許可證協(xié)議的詳細(xì)資料，讀者可參看GNU網(wǎng)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(tǒng)外，GNU的軟件還包括編譯器（gcc，g++）、二進(jìn)制轉(zhuǎn)換工具（objdump，objcopy）、調(diào)試工具（gdb，gdbserver，kgdb）和基于不同硬件平臺的開發(fā)庫。GNU開發(fā)工具的主要缺點(diǎn)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(tǒng)的開發(fā)工具好用。但是，GNU工具的復(fù)雜性是由于它更貼近編譯器和操作系統(tǒng)的底層，并提供了更大的靈活性。一旦學(xué)習(xí)和掌握了相關(guān)工具，也就了解了系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)知識，為今后的開發(fā)工作打下基礎(chǔ)。GNU的開發(fā)工具都是免費(fèi)的，遵循GPL協(xié)議，任何人都可以從網(wǎng)上獲取。筆者參與了一個基于ARM平臺的嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)，采用的是摩托羅拉龍珠系列的MC928MX1。從測試代碼、引導(dǎo)程序、嵌入式Linux移植、應(yīng)用程序、圖形界面都可以用GNU工具進(jìn)行開發(fā)，不需要在開發(fā)工具上做額外的投入。本文所介紹的開發(fā)方法同樣適用于其它公司的基于ARM的產(chǎn)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(yīng)用。內(nèi)部采用ARM920T內(nèi)核，并集成了SDRAM/Flash、LCD、USB、藍(lán)牙（bluetooth）、多媒體閃存卡（MMC）、CMOS攝像頭等控制器。關(guān)于MX1的詳細(xì)資料，感興趣的讀者可以參考http://www.motorola.com.cn/semiconductors/。作為應(yīng)用開發(fā)的最小系統(tǒng)必須包括RAM（程序運(yùn)行空間）、Flash（存放目標(biāo)代碼）和串行接口（用于調(diào)試和下載程序）。MX1提供了6個片選端（CS0~CS5），內(nèi)置了SDRAM控制器，數(shù)據(jù)寬度32位。在筆者的系統(tǒng)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(shù)據(jù)線的低16位和高16位，如圖1所示。
圖1中SDRAM接片選端CS2，F(xiàn)lash接片選端CS3，其余為SDRAM/Flash的控制信號。最小系統(tǒng)還包括至少1個串行接口，可以采用MX1內(nèi)置的UART控制器，圖略。
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(dǎo)代碼。自舉模式利用了固化在芯片內(nèi)部的一段引導(dǎo)程序，當(dāng)處理器復(fù)位時，如果在特定引腳上加信號，則處理器將在復(fù)位后執(zhí)行固化ROM中的程序。例如，MX1提供了4條復(fù)位引腳，復(fù)位時引腳不同的電平組合可以從不同的片選端啟動系統(tǒng)。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(shù)據(jù)和要寫入/讀出的地址。關(guān)于自舉模式的代碼格式，可參考相關(guān)芯片的手冊。在摩托羅拉的網(wǎng)站還提供了許多小工具，幫助開發(fā)者將其它格式的文件轉(zhuǎn)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(jī)軟件（如超級終端）通信的程序，完成接收數(shù)據(jù)并寫入Flash的操作。寫入的數(shù)據(jù)可以是用戶自己的應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)或者操作系統(tǒng)的內(nèi)核。通過自舉模式下載的引導(dǎo)程序同樣可以用GNU工具開發(fā)。
3 GNU的編譯器和開發(fā)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(jìn)制轉(zhuǎn)換工具objcopy?；贏RM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(fā)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(qiáng)大，共有上百個操作選項(xiàng)，這也是這類工具讓初學(xué)者頭痛的原因。不過，實(shí)際開發(fā)中只需要用到有限的幾個，大部分可以采用缺省選項(xiàng)。GNU工具的開發(fā)流程如下：編寫C、C++語言或匯編源程序，用gcc或g++生成目標(biāo)文件，編寫連接腳本文件，用連接器生成最終目標(biāo)文件（elf格式），用二進(jìn)制轉(zhuǎn)換工具生成可下載的二進(jìn)制代碼。GNU工具都運(yùn)行在Linux下，開發(fā)者需要1臺運(yùn)行Linux的PC作為上位機(jī)。由于篇幅所限，不能完整地介紹整個嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)過程，將以第二節(jié)中提到的通過自舉模式下載的引導(dǎo)程序?yàn)槔?，說明開發(fā)的過程。對于像Linux這樣的大系統(tǒng)，基本的開發(fā)流程是一樣的。
引導(dǎo)程序?qū)⑼ㄟ^自舉模式下載到MX1的片內(nèi)RAM，從地址0x00300000開始并執(zhí)行。完成串口和SDRAM的初始化后，引導(dǎo)程序?qū)⒌却邮諔?yīng)用程序或操作系統(tǒng)內(nèi)核，將接收到的數(shù)據(jù)放在SDRAM中。數(shù)據(jù)接收完畢后，引導(dǎo)程序?qū)DRAM中的數(shù)據(jù)寫入Flash，下一次就可以從Flash中直接引導(dǎo)系統(tǒng)了。由于操作系統(tǒng)的內(nèi)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(xié)議，可以用Windows下超級終端的Xmode發(fā)送方式發(fā)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(tǒng)最基本的初始化，如初始化堆棧指針、設(shè)置頁表、操作ARM的協(xié)處理器等。初始化完成后就可以跳轉(zhuǎn)到C代碼執(zhí)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(diǎn)（www.gnu.org）上下載有關(guān)規(guī)范。匯編程序的缺省入口是start標(biāo)號，用戶也可以在連接腳本文件中用ENTRY標(biāo)志指明其它入口點(diǎn)（見下文關(guān)于連接腳本的說明）。
（2）用gcc或g++生成目標(biāo)文件
如果應(yīng)用程序包括多個文件，就需要進(jìn)行分別編譯，最后用連接器連接起來。如筆者的引導(dǎo)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(xié)議）和flash.c（Flash擦寫模塊）。
分別用如下命令生成目標(biāo)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(biāo)代碼，不進(jìn)行連接；-o 命令指明目標(biāo)文件的名稱；-O2表示采用二級優(yōu)化，采用優(yōu)化后可使生成的代碼更短，運(yùn)行速度更快。如果項(xiàng)目包含很多文件，則需要編寫makefile文件。關(guān)于makefile的內(nèi)容，請感興趣的讀者參考相關(guān)資料。
（3）編寫連接腳本文件
gcc等編譯器內(nèi)置有缺省的連接腳本。如果采用缺省腳本，則生成的目標(biāo)代碼需要操作系統(tǒng)才能加載運(yùn)行。為了能在嵌入式系統(tǒng)上直接運(yùn)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(biāo)文件的格式有一定了解。GNU編譯器生成的目標(biāo)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(biāo)代碼中包含如下段：.text（正文段）包含程序的指令代碼；.data(數(shù)據(jù)段)包含固定的數(shù)據(jù)，如常量、字符串；.bss（未初始化數(shù)據(jù)段）包含未初始化的變量、數(shù)組等。C++源程序生成的目標(biāo)代碼中還包括.fini（析構(gòu)函數(shù)代碼）和.init（構(gòu)造函數(shù)代碼）等。有關(guān)elf文件格式，讀者可自行參考相關(guān)資料。連接器的任務(wù)就是將多個目標(biāo)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(dǎo)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(diǎn)為begin標(biāo)號；.=0x00300000指明目標(biāo)代碼的起始地址為0x00300000，這一段地址為MX1的片內(nèi)RAM；.text : { *(.text) }表示從0x00300000開始放置所有目標(biāo)文件的代碼段，隨后的.data: { *(.data) }表示數(shù)據(jù)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(biāo)文件
有了連接腳本文件，如下命令可生成最終的目標(biāo)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(tǒng)的運(yùn)行庫，而是直接從begin入口；-o指明目標(biāo)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(biāo)文件列表。
（5）生成二進(jìn)制代碼
連接生成的elf文件還不能直接下載執(zhí)行，通過objcopy工具可生成最終的二進(jìn)制文件：
arm-linux-objcopy-O binary bootstrap.elf bootstrap.bin
其中-Obinary指定生成為二進(jìn)制格式文件。Objcopy還可以生成S格式的文件，只需將參數(shù)換成-O srec。如果想將生成的目標(biāo)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(biāo)文件就可以直接寫入Flash中運(yùn)行了。如果要通過自舉模式下載，還需要轉(zhuǎn)換為自舉模式的文件格式，相關(guān)轉(zhuǎn)換工具可以在摩托羅拉的網(wǎng)站上找到。
掌握了GNU工具后，開發(fā)者就可以開發(fā)或移植C或C++代碼的程序。用戶可以不需要操作系統(tǒng)，直接開發(fā)簡單應(yīng)用程序。但對于更復(fù)雜的應(yīng)用來說，操作系統(tǒng)必不可少。目前流行的源代碼公開的操作系統(tǒng)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(guān)的代碼都放在arch/arm目錄下。對于內(nèi)核，用戶需要做的是設(shè)定自己系統(tǒng)的內(nèi)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(nèi)核外，用戶還需要為自己的系統(tǒng)編制各種各樣的驅(qū)動程序。
4 調(diào)試工具
Linux下的GNU調(diào)試工具主要是gdb、gdbserver和kgdb。其中g(shù)db和gdbserver可完成對目標(biāo)板上Linux下應(yīng)用程序的遠(yuǎn)程調(diào)試。gdbserver是一個很小的應(yīng)用程序，運(yùn)行于目標(biāo)板上，可監(jiān)控被調(diào)試進(jìn)程的運(yùn)行，并通過串口與上位機(jī)上的gdb通信。開發(fā)者可以通過上位機(jī)的gdb輸入命令，控制目標(biāo)板上進(jìn)程的運(yùn)行，查看內(nèi)存和寄存器的內(nèi)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(shù)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(nèi)核的調(diào)試，可以采用kgdb工具，同樣需要通過串口與上位機(jī)上的gdb通信，對目標(biāo)板的Linux內(nèi)核進(jìn)行調(diào)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(jié)束語
本文以一個具體的實(shí)例為例，對GNU工具中的常用功能作了介紹。其實(shí)GNU工具的功能還遠(yuǎn)不止這些，更進(jìn)一步的操作有：針對不同處理器，不同算法的軟件優(yōu)化、高效的內(nèi)嵌匯編、大型項(xiàng)目管理功能等。相信GNU能成為越來越多開發(fā)人員的選擇。
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