用GNU工具开发基于ARM的嵌入式系统
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关键词：ARM GNU MC928MX1 gcc gdb gdbserver
当前，ARM公司的32位RISC处理器，以其内核耗电少、成本低、功能强、特有16/32位双指令集，已成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的RISC标准，市场占有率超过了75 %。多家公司都推出了自己的基于ARM内核的处理器产品，越来越多的开发人员开始了针对ARM平台的开发。通常开发人员需要购买芯片厂商或第三方提供的开发板，还需要购买开发软件，如C编译器或者集成了实时操作系统的开发环境。开发板的价格从数百到上千美元，而编译器、实时操作系统价格更是动辄数千到数万美元。这样，在开发初期，软硬件上的投资就需要上万美元，对于国内大多数开发人员来说，无疑是太贵了。
庆幸的是，GNU所倡导的自由软件给开发者带来了福音。1984 年，旨在开发一个类似 Unix 的，并且是完全免费的完整操作系统和配套工具：GNU 系统（发音为"guh-NEW"）。GNU的操作系统和开发工具都是免费的，遵循GNU 通用公共许可证 (GPL)协议，任何人都可以从网上获取全部的源代码。关于GNU和公共许可证协议的详细资料，读者可参看GNU网站的中文介绍：http://www.gnu.org/home.cn.html。
除了大家熟知的Linux操作系统外，GNU的软件还包括编译器（gcc，g++）、二进制转换工具（objdump，objcopy）、调试工具（gdb，gdbserver，kgdb）和基于不同硬件平台的开发库。GNU开发工具的主要缺点是采用命令行方式，用户掌握和使用比较困难，不如基于Windows系统的开发工具好用。但是，GNU工具的复杂性是由于它更贴近编译器和操作系统的底层，并提供了更大的灵活性。一旦学习和掌握了相关工具，也就了解了系统设计的基础知识，为今后的开发工作打下基础。GNU的开发工具都是免费的，遵循GPL协议，任何人都可以从网上获取。笔者参与了一个基于ARM平台的嵌入式Linux系统开发，采用的是摩托罗拉龙珠系列的MC928MX1。从测试代码、引导程序、嵌入式Linux移植、应用程序、图形界面都可以用GNU工具进行开发，不需要在开发工具上做额外的投入。本文所介绍的开发方法同样适用于其它公司的基于ARM的产品。
1 硬件平台
MC928MX1（以下简称MX1）是摩托罗拉公司基于ARM核心的第一款MCU，主要面向高端嵌入式应用。内部采用ARM920T内核，并集成了SDRAM/Flash、LCD、USB、蓝牙（bluetooth）、多媒体闪存卡（MMC）、CMOS摄像头等控制器。关于MX1的详细资料，感兴趣的读者可以参考http://www.motorola.com.cn/semiconductors/。作为应用开发的最小系统必须包括RAM（程序运行空间）、Flash（存放目标代码）和串行接口（用于调试和下载程序）。MX1提供了6个片选端（CS0~CS5），内置了SDRAM控制器，数据宽度32位。在笔者的系统中采用了2片8M×16位的SDRAM和2片4M×16位的同步Flash存储器，分别接入数据线的低16位和高16位，如图1所示。
图1中SDRAM接片选端CS2，Flash接片选端CS3，其余为SDRAM/Flash的控制信号。最小系统还包括至少1个串行接口，可以采用MX1内置的UART控制器，图略。
2 自举模式
目前，许多嵌入式处理器都提供了自举模式（Bootstrap），供用户写入引导代码。自举模式利用了固化在芯片内部的一段引导程序，当处理器复位时，如果在特定引脚上加信号，则处理器将在复位后执行固化ROM中的程序。例如，MX1提供了4条复位引脚，复位时引脚不同的电平组合可以从不同的片选端启动系统。自举ROM中的程序完成串口的初始化，然后等待用户从串口写入用户代码。自举模式所能接受的是一种专门格式的文本文件，包括数据和要写入/读出的地址。关于自举模式的代码格式，可参考相关芯片的手册。在摩托罗拉的网站还提供了许多小工具，帮助开发者将其它格式的文件转换成为自举模式格式。通过自举模式下载的通常是一段和上位机软件（如超级终端）通信的程序，完成接收数据并写入Flash的操作。写入的数据可以是用户自己的应用程序、数据或者操作系统的内核。通过自举模式下载的引导程序同样可以用GNU工具开发。
3 GNU的编译器和开发工具
GNU提供的编译工具包括汇编器as、C编译器gcc、C++编译器g++、连接器ld和二进制转换工具objcopy。基于ARM平台的工具分别为arm-linux-as、arm-linux-gcc、arm-linux-g++、arm -linux-ld 和arm-linux-objcopy。GNU的所有开发工具都可以从www.gnu.org上下载，基于ARM的工具可以从www.uclinux.org获得。GNU的编译器功能非常强大，共有上百个操作选项，这也是这类工具让初学者头痛的原因。不过，实际开发中只需要用到有限的几个，大部分可以采用缺省选项。GNU工具的开发流程如下：编写C、C++语言或汇编源程序，用gcc或g++生成目标文件，编写连接脚本文件，用连接器生成最终目标文件（elf格式），用二进制转换工具生成可下载的二进制代码。GNU工具都运行在Linux下，开发者需要1台运行Linux的PC作为上位机。由于篇幅所限，不能完整地介绍整个嵌入式操作系统的开发过程，将以第二节中提到的通过自举模式下载的引导程序为例，说明开发的过程。对于像Linux这样的大系统，基本的开发流程是一样的。
引导程序将通过自举模式下载到MX1的片内RAM，从地址0x00300000开始并执行。完成串口和SDRAM的初始化后，引导程序将等待接收应用程序或操作系统内核，将接收到的数据放在SDRAM中。数据接收完毕后，引导程序将SDRAM中的数据写入Flash，下一次就可以从Flash中直接引导系统了。由于操作系统的内核比较大，如Linux有1 MB以上，下载过程必须考虑纠错。因此，接收部分采用Xmode协议，可以用Windows下超级终端的Xmode发送方式发送文件。
（1）编写C、C++语言或汇编源程序
通常汇编源程序用于系统最基本的初始化，如初始化堆栈指针、设置页表、操作ARM的协处理器等。初始化完成后就可以跳转到C代码执行。需要注意的是，GNU的汇编器遵循AT&T的汇编语法，读者可以从GNU的站点（www.gnu.org）上下载有关规范。汇编程序的缺省入口是start标号，用户也可以在连接脚本文件中用ENTRY标志指明其它入口点（见下文关于连接脚本的说明）。
（2）用gcc或g++生成目标文件
如果应用程序包括多个文件，就需要进行分别编译，最后用连接器连接起来。如笔者的引导程序包括3个文件：init.s（汇编代码、初始化硬件） xmrecever.c（通信模块，采用Xmode协议）和flash.c（Flash擦写模块）。
分别用如下命令生成目标文件：
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命令表示只生成目标代码，不进行连接；-o 命令指明目标文件的名称；-O2表示采用二级优化，采用优化后可使生成的代码更短，运行速度更快。如果项目包含很多文件，则需要编写makefile文件。关于makefile的内容，请感兴趣的读者参考相关资料。
（3）编写连接脚本文件
gcc等编译器内置有缺省的连接脚本。如果采用缺省脚本，则生成的目标代码需要操作系统才能加载运行。为了能在嵌入式系统上直接运行，需要编写自己的连接脚本文件。编写连接脚本，首先要对目标文件的格式有一定了解。GNU编译器生成的目标文件缺省为elf格式。elf文件由若干段（section）组成，如不特殊指明，由C源程序生成的目标代码中包含如下段：.text（正文段）包含程序的指令代码；.data(数据段)包含固定的数据，如常量、字符串；.bss（未初始化数据段）包含未初始化的变量、数组等。C++源程序生成的目标代码中还包括.fini（析构函数代码）和.init（构造函数代码）等。有关elf文件格式，读者可自行参考相关资料。连接器的任务就是将多个目标文件的.text、.data和.bss等段连接在一起，而连接脚本文件是告诉连接器从什么地址开始放置这些段。例如笔者的引导程序连接文件link.lds为：
ENTRY(begin)
SECTION
{ .=0x00300000;
.text : { *(.text) }
.data: { *(.data) }
.bss: { *(.bss) }
}
其中，ENTRY(begin)指明程序的入口点为begin标号；.=0x00300000指明目标代码的起始地址为0x00300000，这一段地址为MX1的片内RAM；.text : { *(.text) }表示从0x00300000开始放置所有目标文件的代码段，随后的.data: { *(.data) }表示数据段从代码段的末尾开始，再后是.bss段。
（4）用连接器生成最终目标文件
有了连接脚本文件，如下命令可生成最终的目标文件：
arm-linux-ld-nostadlib-o bootstrap.elf-T link.lds init.o xmrecever.o flash.o
其中，ostadlib表示不连接系统的运行库，而是直接从begin入口；-o指明目标文件的名称；-T指明采用的连接脚本文件；最后是需要连接的目标文件列表。
（5）生成二进制代码
连接生成的elf文件还不能直接下载执行，通过objcopy工具可生成最终的二进制文件：
arm-linux-objcopy-O binary bootstrap.elf bootstrap.bin
其中-Obinary指定生成为二进制格式文件。Objcopy还可以生成S格式的文件，只需将参数换成-O srec。如果想将生成的目标代码反汇编，还可以用objdump工具：
arm-linux-objdump-D bootstrap.elf
至此，所生成的目标文件就可以直接写入Flash中运行了。如果要通过自举模式下载，还需要转换为自举模式的文件格式，相关转换工具可以在摩托罗拉的网站上找到。
掌握了GNU工具后，开发者就可以开发或移植C或C++代码的程序。用户可以不需要操作系统，直接开发简单应用程序。但对于更复杂的应用来说，操作系统必不可少。目前流行的源代码公开的操作系统如Linux、μC/OS都可以用GNU工具编译。ARM的Linux已有很多成熟的版本，可以支持ARM720、ARM920、ARM1020等多种处理器，读者可从www.uclinux.org或www.armdevzone.com上获取最新信息。Linux移植过程中和处理器相关的代码都放在arch/arm目录下。对于内核，用户需要做的是设定自己系统的内存映像，RAM起始地址，I/O地址空间和虚拟I/O地址空间，参看arch/arm/mach-integrator/arch.c文件。除了内核外，用户还需要为自己的系统编制各种各样的驱动程序。
4 调试工具
Linux下的GNU调试工具主要是gdb、gdbserver和kgdb。其中gdb和gdbserver可完成对目标板上Linux下应用程序的远程调试。gdbserver是一个很小的应用程序，运行于目标板上，可监控被调试进程的运行，并通过串口与上位机上的gdb通信。开发者可以通过上位机的gdb输入命令，控制目标板上进程的运行，查看内存和寄存器的内容。gdb5.1.1以后的版本加入了对ARM处理器的支持，在初始化时加入－target==arm参数可直接生成基于ARM平台的gdbserver。gdb工具可以从ftp://ftp.gnu.org/pub/gnu/gdb/上下载。
对于Linux内核的调试，可以采用kgdb工具，同样需要通过串口与上位机上的gdb通信，对目标板的Linux内核进行调试。由于篇幅所限，感兴趣的读者可以从http://oss.sgi.com/projects/kgdb/上了解具体的使用方法。
结束语
本文以一个具体的实例为例，对GNU工具中的常用功能作了介绍。其实GNU工具的功能还远不止这些，更进一步的操作有：针对不同处理器，不同算法的软件优化、高效的内嵌汇编、大型项目管理功能等。相信GNU能成为越来越多开发人员的选择。
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