嵌入式系統集成開(kāi)發(fā)平臺的設計與實(shí)現

0引言

嵌入系統開(kāi)發(fā)已經(jīng)趨于規范化，但是嵌入式系統的開(kāi)發(fā)并不像在普通PC機上進(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，來(lái)降低開(kāi)發(fā)的難度。目前市場(chǎng)上的嵌入式系統集成開(kāi)發(fā)平臺特點(diǎn)是： （ 1）多數嵌入式系統集成開(kāi)發(fā)平臺都是以Windows為系統環(huán)境，很少有以L(fǎng)inux為系統環(huán)境的；（ 2）部分集成開(kāi)發(fā)平臺具有一定的開(kāi)放性，許多功能作為插件供用戶(hù)選擇； （ 3）多數集成開(kāi)發(fā)平臺通用性較差，僅支持一個(gè)或者幾個(gè)系列的微處理器； （ 4）目前嵌入式系統集成開(kāi)發(fā)平臺產(chǎn)品大都價(jià)格昂貴； （ 5）很少有集成開(kāi)發(fā)平臺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)平臺的缺點(diǎn)，本文研究了嵌入式系統可視化集成開(kāi)發(fā)平臺，ESGIDE （ Embedded system graphical integrated development environment），其最大特點(diǎn)是具有圖形化人機交互功能和ARM CPU工作方式自動(dòng)初始化。所謂圖形化人機交互，是指把將要裁剪和配置的系統級軟件（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)者根據自己開(kāi)發(fā)的系統需要，選擇不同圖形模塊，動(dòng)態(tài)生成bootloader、kernel、I /O等系統級的源代碼，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，減輕了程序員的負擔，減少了操作的復雜度，提高了開(kāi)發(fā)效率。另一方面，ARM系列CPU應用比較廣泛，不同型號的CPU在開(kāi)發(fā)時(shí)需要對使用的內部資源進(jìn)行初始化。傳統的做法是開(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)器應用為例，將定時(shí)器的個(gè)數，工作方式確定，時(shí)鐘頻率的確定，是否允許中斷等編寫(xiě)成對話(huà)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(xiě)代碼自動(dòng)生成，同樣大大簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)步驟，減輕了程序員的負擔。

面向對象技術(shù)是當前實(shí)現軟件模塊化、提高軟件復用性最優(yōu)的方法，現在成為計算機領(lǐng)域中的一種主流技術(shù)，本文提出利用面向對象的技術(shù)來(lái)設計一種嵌入式軟件IDE，對嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中的各個(gè)對象的類(lèi)進(jìn)行分析與設計，架構一個(gè)通用的開(kāi)發(fā)模型，根據硬件配置自動(dòng)產(chǎn)生基本的系統軟件方案。只需要系統中的每個(gè)對象類(lèi)的屬性及其操作設置，自動(dòng)搭建交叉編譯環(huán)境，降低操作系統裁減和移植的難度，產(chǎn)生驅動(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的應用上。

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設備內部各部分的運行進(jìn)行協(xié)調，并不與設備使用者發(fā)生直接接觸。PC和服務(wù)器軟件的運行環(huán)境是標準化的，而嵌入式軟件的運行環(huán)境隨電子設備的不同而改變，必須針對不同的電子產(chǎn)品進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的設計、開(kāi)發(fā)和優(yōu)化。由于嵌入式Linux操作系統在嵌入式開(kāi)發(fā)中占據了主流，因此本文圍繞針對移植有Linux操作系統的嵌入式開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行討論。

典型的基于嵌入式Linux操作系統的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)流程如下［1］：（ 1）獲取硬件系統的信息：如選取的微處理器體系，Flash型號、網(wǎng)卡型號及其他外設的信息等；（ 2）建立交叉編譯工具：一般的GCC工具都是針對X86體系的，為了能夠生產(chǎn)目標板執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)系統的主引導程序；（ 4）移植Linux內核：如基于Linux2.6內核移植；（ 5）開(kāi)發(fā)一個(gè)根文件系統：如rootfs的制作；（ 6）開(kāi)發(fā)特定硬件的驅動(dòng)程序：如LCD，Keypad等；（ 7）開(kāi)發(fā)上層的應用程序：如QT GUI開(kāi)發(fā)。

對于開(kāi)發(fā)過(guò)程的各個(gè)環(huán)節，有的提供了輔助的開(kāi)發(fā)工具，有的需要完全依賴(lài)經(jīng)驗手工從底層開(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。本文所設計的IDE將涵蓋整個(gè)開(kāi)發(fā)的各個(gè)重要環(huán)節，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面向對象的分析與設計

對于運行嵌入式Linux操作系統的系統，根據其開(kāi)發(fā)流程，利用面向對象技術(shù)分析設計出6個(gè)基本的大類(lèi)，并給出對象之間的協(xié)作關(guān)系圖，如圖1、圖2所示。這幾個(gè)大類(lèi)貫穿了嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的重要環(huán)節。

圖1嵌入式軟件IDE基本類(lèi)

圖2基本對象類(lèi)的協(xié)作圖

硬件系統信息類(lèi)，承載了硬件系統的描述信息，比如選取何種體系的微處理器，處理器的工作頻率設置，采用何種啟動(dòng)方式，是NandFlash，還是NorFlash或者EPROM等，用戶(hù)通過(guò)設定這些參數，其他對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(lèi)管理交叉編譯鏈的源代碼，根據體系架構的信息自動(dòng)生成運行腳本，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。

工程管理類(lèi)，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)境參數的設定。

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

系統移植類(lèi)涵蓋了整個(gè)系統需要移植的模塊，引導程序，操作系統內核和文件系統，各類(lèi)封裝了大量繁雜的細節內容，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)節只需設定參數，其他交由對象自動(dòng)執行。

面向對象最重要的特征就是“高內聚度和低耦合性”，各個(gè)對象封裝了細節操作，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用性。本文所設計的IDE，根據體系結構的不同，所需修改的只是個(gè)別對象的內部數據和操作，整體架構不受任何影響［2，3］。

圖3給出了面向對象嵌入式集成開(kāi)發(fā)平臺的結構。

圖3面向對象的嵌入式集成開(kāi)發(fā)平臺結構框圖

3系統的具體實(shí)現

目前可視化的面向編程語(yǔ)言種類(lèi)比較多，從對面向對象技術(shù)的支持程度上來(lái)說(shuō)，微軟最新的VC#從封裝性、類(lèi)型安全性方面相當強大。重要的是，類(lèi)層次清晰，編碼容易，可以根據面向對象設計的框架輕松的進(jìn)行轉換，卻和C ++一樣強大。所以本文利用VC#設計了嵌入式軟件IDE，對各個(gè)類(lèi)編寫(xiě)詳細代碼。

整個(gè)系統基本架構如圖4所示。

圖4 IDE的系統架構圖

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

交叉編譯工具鏈模塊是IDE設計的核心，開(kāi)發(fā)一個(gè)實(shí)用的編譯器，需要花費大量的人力物力和財力，其可靠性也要經(jīng)受時(shí)間的考驗。幸運的是，GNU提供了免費的、功能強大的GCC工具鏈，它不僅可以編譯Linux操作系統下的應用程序以及Linux內核，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(chǎng)家，而且國外大多數集成開(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的針對某個(gè)體系結構，可以重定向，根據參數配置，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

軟件設計的一個(gè)重要環(huán)節就是，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設計中的橋梁。

本文利用的Makefile技術(shù)對整個(gè)工程進(jìn)行管理，主要就是針對驅動(dòng)程序和應用程序的組織和編譯。Makefile是Linux工程管理的一項成熟的技術(shù)，有一套完整的規則，只需要按照規則去編寫(xiě)Makefile文件，然后由make命令去解釋執行。Cygwin中集成了Gnumake，因此只要編寫(xiě)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，各種腳本運行信息都是標準控制臺輸出，因此需要將編譯中的標準信息和錯誤信息進(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(cháng)達數小時(shí)，信息往往需要進(jìn)程結束才能完全顯示。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是嵌入式系統的引導加載程序，它的作用是初始化必要的硬件設備，創(chuàng )建內核需要的一些信息并將信息通過(guò)相關(guān)機制傳遞給內核，從而將系統的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，最終調用操作系統內核，真正起到引導和加載內核的作用［5］。

Bootloader依賴(lài)于硬件實(shí)現，除了體系結構，還依賴(lài)于具體的嵌入式板級設備的配置，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，針對這部分移植，為了最大程度上幫助用戶(hù)完成代碼的修改，IDE提供不同類(lèi)型的體系架構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)幫助文件數據庫。通過(guò)控制字庫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，增加Nandflash拷貝數據到內存的代碼。

還有就是為了利用tft協(xié)議燒錄內核到flash，需要針對某種網(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，就會(huì )選擇不同架構目錄下的源碼。但是內核配置比較繁雜，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，即使勉強編譯成功，也未必能夠正常運行。

而且，內核不單單是配置問(wèn)題，還有部分源碼根據需要必須修改，比如如果是Nandflash作為存儲器，需要建立Nandflash分區表。

對于內核配置，本文IDE提供利用模板來(lái)進(jìn)行二次配置，建立模板數據庫，根據用戶(hù)的參數設定，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，如果需要細節的修改，則調用內核配置工具來(lái)進(jìn)行配置，內核配置工具利用make xconfig形式，產(chǎn)生圖形化界面，當然需要X系統的支持，需要在Cygwin中安裝、修改。

對于內核源碼修改，則需要幫助文件數據庫，根據用戶(hù)參數設置，產(chǎn)生需要的源碼，添加到內核中去。如圖8所示。

圖8內核移植模塊

根文件系統是Linux /Unix系統啟動(dòng)的一個(gè)重要組成部分，也是操作系統正常工作時(shí)候的必要組成部分，在啟動(dòng)時(shí)候內核需要跟文件系統來(lái)掛載。在現代Linux操作系統中，內核代碼影像文件保存在根文件中，系統引導啟動(dòng)程序會(huì )從這個(gè)根文件設備商把內核代碼加載到內存中取運行。如圖9所示。

圖9根文件制作模塊

嵌入式根文件系統有RomFS，JFFS2，NFS，EXT2，RAMDISK，Cramfs等，每個(gè)系統都有自己的特點(diǎn)，最常用的就是Cramfs文件系統，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，本文暫時(shí)提供Cramfs文件系統。嵌入式Linux命令工具集由BusyBox工具提供，它包含了很多標準Linux工具的單個(gè)可執行實(shí)現，本文的IDE提供了一個(gè)BusyBox的標準配置，只需要利用交叉工具鏈進(jìn)行編譯。

4嵌入式微處理器內部資源驅動(dòng)

嵌入式微處理器有大量的內部I /O接口資源，如定時(shí)計數器、中斷、DMA、開(kāi)關(guān)量輸入輸出等，要選擇其中的接口應用，首先要進(jìn)行初始化，編寫(xiě)驅動(dòng)程序。

驅動(dòng)程序編寫(xiě)模塊和應用程序編寫(xiě)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。對于驅動(dòng)程序的編寫(xiě)，Linux驅動(dòng)程序都有一套固定的模式，比如字符型、塊型、網(wǎng)絡(luò )型數據結構都有區別，但每種類(lèi)型的驅動(dòng)程序架構都一樣。另外驅動(dòng)程序編寫(xiě)中最重要的就是根據每個(gè)接口資源確定的工作方式確定控制字，即使開(kāi)發(fā)人員對某個(gè)體系下的各類(lèi)CPU內部資源的控制字十分熟悉，也要經(jīng)常參考手冊才能準確無(wú)誤。

本文提出了驅動(dòng)程序編寫(xiě)模式，一個(gè)是選擇類(lèi)型，自動(dòng)生成某種類(lèi)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)驅動(dòng)程序過(guò)程中，開(kāi)發(fā)人員可以選擇某個(gè)體系結構下的針對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)者只要根據需求選擇相應的定時(shí)器，確定其功能，初始值，然后選擇確認按鈕，初始化代碼自動(dòng)生成，如圖11包含初始化控制字，非?？旖?、便利。另外，如果驅動(dòng)程序要添加到內核去，重新重新配置內核即可。

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結語(yǔ)

本開(kāi)發(fā)平臺具有友好的用戶(hù)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)平臺可以供學(xué)生、老師或者工程技術(shù)人員學(xué)習嵌入式linux的裁剪和移植，ARM系列CPU的開(kāi)發(fā)和應用。

利用本文研究的嵌入式軟件IDE，針對ARM系列的2410平臺進(jìn)行了U-Boot、Linux2.6內核、根文件系統的配置和移植，編寫(xiě)出基本的網(wǎng)卡驅動(dòng)程序，測試取得成功。

linux操作系統文章專(zhuān)題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）