基于ARM+uClinux的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)
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按照我的開發(fā)過程想分以下幾部分逐一介紹。
1．開發(fā)平臺的選擇和論證
2．開發(fā)環(huán)境的建立
3．一般程序的開發(fā)
4．Linux程序向ARM+uClinux平臺的移植
5．剩下的問題
希望諸位多多補(bǔ)充自己的想法，以利于大家共同提高。
1． 開發(fā)平臺的選擇和論證
一個(gè)項(xiàng)目拿到手，如何選擇開發(fā)平臺（主要是指CPU和操作系統(tǒng)以及開發(fā)環(huán)境和工具）應(yīng)該說至關(guān)重要，有時(shí)這不光影響進(jìn)度，產(chǎn)品質(zhì)量，可維護(hù)性等一般問題，甚至涉及到方案的可實(shí)現(xiàn)性。本人結(jié)合自己的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)簡單歸納了一些對平臺的考慮，還請各位補(bǔ)充。
從系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)考慮：
(1) 是否有片上外設(shè)，專用指令或配套的軟件模塊直接實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能要求。 感 覺這一條對很多人的決策影響很大
(2) 價(jià)格
這一點(diǎn)應(yīng)通過CPU提供的資源綜合考慮，它提供了多少有用的資源，多少沒用的資源（那可都是銀子呀?。?，還是那三個(gè)字，性價(jià)比，另一方面，是要抓主要矛盾，是不是有些特性是必須的，什么特性是用戶需求里的亮點(diǎn)（就靠這些亮點(diǎn)往上抬價(jià)），這時(shí)該花的就得花了。
(3) 功耗
本系統(tǒng)對CPU功耗要求不高，但對移動(dòng)設(shè)備，這一點(diǎn)可是致命，而且這一點(diǎn)不是僅針對CPU，所有幾乎器件都要勒緊褲腰帶運(yùn)行。
(4) 處理速度
這項(xiàng)不用多說，大家都明白重要性，但具體算起來可是一門學(xué)問，一方面是自己需要多快的速度，如果加上非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)這事就不好控制，余量還是大點(diǎn)穩(wěn)妥，另一方面，CPU指令周期多少，有沒有流水，有沒有并行，什么體系結(jié)構(gòu)，有沒有專用指令（看人家DSP多牛，干這事一絕），對外部存儲器和外設(shè)的存取速度等等，哪一個(gè)慢了都叫瓶頸。
(5) 需要的硬件支持（如外部存儲器，雙電源等）
這算是雜項(xiàng)，但會增加額外的價(jià)格，系統(tǒng)體積等，不容忽視。
從開發(fā)者的角度考慮：
(1) 是否有足夠的技術(shù)支持包括demo版及原理圖，demo程序，操作系統(tǒng)和BSP，測試開發(fā)工具等。
(2) 自身?xiàng)l件;包括對項(xiàng)目開發(fā)周期的要求，開發(fā)人員對器件和開發(fā)模式的熟悉程度以及掌握的難易程度。
(3) 可用資源是否豐富（書籍，網(wǎng)絡(luò)等）
以上三點(diǎn)主要考慮迅速開發(fā)出穩(wěn)定的系統(tǒng)。
(4) 系統(tǒng)的可繼承性，可移植性和可擴(kuò)展性。
(5) 是否有現(xiàn)貨。
(6) 方案提供商的素質(zhì)。（包括技術(shù)水平和服務(wù)意識）。
根據(jù)以上考慮選擇了s3c4510b（ARM7TDMI）＋uClinux開發(fā)模式
(1) 以下是該平臺對我的系統(tǒng)的滿足情況：（和上面幾點(diǎn)對應(yīng)）
本監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分主要要求以下部分：
a．以太網(wǎng)接口 （s3c4510b自帶網(wǎng)絡(luò)控制器）
b．串口 （自帶）
c．與數(shù)據(jù)采集芯片的接口（8位數(shù)據(jù)線，小于8位地址總線）。（自帶）
本系統(tǒng)軟件部分主要要求以下部分：
a． 硬件接口驅(qū)動(dòng)程序 （uClinux提供串口和網(wǎng)絡(luò)控制器驅(qū)動(dòng)）
b． 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧支持（uClinux提供TCPIP，UDP等的協(xié)議棧）
c． 應(yīng)用層程序（如果算上可以從linux移植的程序來看，那就太多了，我就用到了一個(gè)現(xiàn)成的）
(2) 本應(yīng)用系統(tǒng)不是那種批量的東西，對價(jià)格要求不苛刻，而且這款CPU最便宜可以到55左右,可以接受。
(3) 本應(yīng)用系統(tǒng)有固定電源，功耗要求不高。當(dāng)然，據(jù)說ARM在節(jié)省功耗上很有特點(diǎn)。
(4) 本應(yīng)用系統(tǒng)速度方面要滿足兩方面：1。串口：115200bps 2。網(wǎng)絡(luò)速度 能到10Mbps就行，所以對系統(tǒng)速度要求也不高。這款A(yù)RM內(nèi)部可以到50M。
(5) 系統(tǒng)對體積要求也不高，加片flash和RAM還是沒問題（到目前為止感覺我的系統(tǒng)真是無欲無求?。?br />
從開發(fā)者的角度考慮：
(1) 因?yàn)闀r(shí)間很緊（一個(gè)半月），所以支持越多越好。目前從開發(fā)商那里拿到了開發(fā)板，原理圖，uClinux，相應(yīng)驅(qū)動(dòng)，bootloader，拿來就可以用了。軟件硬件并行開發(fā)。（bootloader和網(wǎng)絡(luò)控制器驅(qū)動(dòng)沒提供原碼，比較可惜：－（
(2) 當(dāng)時(shí)我對嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)模式和ARM都是只有耳聞，linux接觸過一個(gè)月左右。現(xiàn)在想起來有些后怕。
(3) 網(wǎng)上的資源，非常多。
提供一些我常用的。
http://www.uclinux.org/uClinux的大本營。
http://www.ucdot.org/里面有些技術(shù)文章非常不錯(cuò)。
http://www.linuxdevices.com/
http://www.linuxeden.com/這是國產(chǎn)的linux站點(diǎn)。
uclinux-dev@uclinux.org這是uClinux的郵件列表，回答問題的都是大牛，非常有幫助，記住把你的郵件設(shè)置成純文本格式。 申請是在：
http://mailman.uclinux.org/mailman/listinfo/uclinux-devweb方式。
(4) 采用以上開發(fā)模式，軟件的可維護(hù)性，可移植性和可擴(kuò)展性都不錯(cuò)。
(5) 目前該CPU使用還是比較普遍，現(xiàn)貨沒問題。
(6) 方案提供商的素質(zhì)嗎……..還算可以吧:-)
根據(jù)以上考慮和目前的開發(fā)情況，這套方案還是比較令人滿意。
今天先回家了，下回介紹具體開發(fā)步鄹吧。
2．開發(fā)環(huán)境的建立
先說兩句廢話為和我以前一樣對操作系統(tǒng)（尤其是嵌入式操作系統(tǒng)）迷惑的弟兄解釋些概念。因?yàn)榭偸怯腥嗽趩柺遣皇且欢ㄒ貌僮飨到y(tǒng)，我的CPU能不能移植操作系統(tǒng)，可以移植什么操作系統(tǒng)，有了操作系統(tǒng)可不可以運(yùn)行某些程序。
從我的個(gè)人經(jīng)歷來講，這其實(shí)就是許多硬件出身的弟兄對操作系統(tǒng)這個(gè)東西有神秘感（和我一年前一樣）。說白了，操作系統(tǒng)就是一段設(shè)計(jì)非常巧妙的程序，和你自己的程序從本質(zhì)講沒有區(qū)別，于是，以上問題轉(zhuǎn)為，我是不是一定要用這段程序，我的CPU能不能運(yùn)行這段程序，可以跑什么樣的程序。這個(gè)程序可以跑，調(diào)用這個(gè)程序接口的另一個(gè)程序能不能跑！
答案也就變得簡單，操作系統(tǒng)對任何一個(gè)CPU都不是必須的（對嵌入式系統(tǒng)更是如此），你可以自己編些程序在沒有操作系統(tǒng)的PC裸機(jī)上跑（BIOS就是這樣的），像玩C51一樣，（雖然奢侈的讓人有些心痛），或者移植UCOS到上面。另一方面，現(xiàn)代操作系統(tǒng)大多需要一些硬件的支持，（像保護(hù)模式的實(shí)現(xiàn)），反過來說，高端CPU中專門有針對支持操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，這樣，許多操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是挑剔硬件平臺的。其實(shí)其它程序也一樣，你編的程序使用的片上外設(shè)另一CPU上沒有，那這段程序就無法移植了。這就是話粗理不粗。書歸正傳，還是聊聊ARM＋uClinux開發(fā)模式下開發(fā)環(huán)境的建立（其實(shí)下面說到的東西不僅限于這種硬件平臺和操作系統(tǒng)）
很久以前就在介紹嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的書上見過“交叉編譯環(huán)境”這詞，當(dāng)時(shí)覺得很玄，用了以后才知道，其實(shí)就是解決在誰的地盤上用誰的工具編誰的代碼問題。
編譯的最主要的工作就在將你的程序轉(zhuǎn)化成運(yùn)行該程序的CPU所能識別的機(jī)器代碼，不同的CPU有相應(yīng)的編譯器，另一方面。編譯器本身也是程序，當(dāng)然也要在某一個(gè)CPU平臺上運(yùn)行。于是交叉編譯的交叉點(diǎn)就在那個(gè)編譯器本身是CPU1上的一個(gè)程序，卻在為CPU2編譯代碼（整個(gè)一個(gè)吃里扒外?。＿@么一想，以前用51和dsp的開發(fā)軟件（大部分都是IDE－集成開發(fā)環(huán)境）開發(fā)程序時(shí)，都算是交叉編譯啦。當(dāng)然，假如在你的ARM系統(tǒng)上，操作系統(tǒng)已經(jīng)正常運(yùn)行，并且你的資源足夠多，你可以把PC機(jī)上運(yùn)行的ARM編譯工具移植到ARM上，然后所有該系統(tǒng)的應(yīng)用程序都直接在ARM系統(tǒng)上編譯，這就不算交叉編譯，但如果有條件這么作，程序的開發(fā)或者移植就方便多了，因?yàn)檎麄€(gè)開發(fā)過程又回到在自己PC機(jī)上編應(yīng)用程序的那種模式了，那就是在自己的地盤上用自己的編譯器編自己的應(yīng)用程序。
與不使用操作系統(tǒng)的開發(fā)模式不同（此處的操作系統(tǒng)尤其指提供了專門的接口函數(shù)庫的操作系統(tǒng)，目前的UCOS就不算），在目標(biāo)板（就是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的板子）使用操作系統(tǒng)的開發(fā)模式下，交叉編譯環(huán)境中還需要該對應(yīng)該操作系統(tǒng)的庫。比如uClinux提供的uClibc。此時(shí)，開發(fā)用的主機(jī)上不光要有目標(biāo)板 CPU所需的編譯工具，還要有對應(yīng)操作系統(tǒng)的庫，又因?yàn)橐话銕煳募€要在開發(fā)機(jī)上拿目標(biāo)CPU的編譯器重新編譯一下，所以還要把操作系統(tǒng)的原碼也放到開發(fā)機(jī)上。（唉，跟目標(biāo)板沒什么關(guān)系，卻要幫它背這么多東西，真是上輩子欠它的！?。?br />
雖然操作系統(tǒng)的接口庫至關(guān)重要，但大家似乎已經(jīng)淡忘了它的存在。這些多是因?yàn)榇蠹乙呀?jīng)遠(yuǎn)離了刀耕火種的年代（需要告訴編譯器需要的include路徑，lib路徑，以及l(fā)ib的名稱），集成的編譯環(huán)境讓我們編譯鏈接的所有繁瑣工作化作對BUILD按鈕的瀟灑一擊。而且不論是windows環(huán)境，還是 linux環(huán)境，都有環(huán)境變量去記錄這些參數(shù)。。但嘗試將/usr/lib目錄改一個(gè)名字，你就會知道你不能無視他們的存在，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)的功能都是通過這些庫來交給應(yīng)用層程序使用的。當(dāng)然如果你的系統(tǒng)不依靠任何操作系統(tǒng)，像最原始的那種完全自己實(shí)現(xiàn)所有代碼，就只需要一個(gè)編譯工具，少了這些羅嗦事。
以上的東西一般時(shí)候是沒有必要仔細(xì)研究，但交叉環(huán)境下開發(fā)或移植比較大的程序時(shí)，你可能就需要了解編譯器，鏈接器等開發(fā)工具的幾乎所有重要參數(shù)。
我在開發(fā)時(shí)，主機(jī)完全使用的是linux，如果有條件，建議大家這樣作，linux的使用沒有想象的復(fù)雜（雖然我現(xiàn)在身邊還要放一本關(guān)于linux使用的書籍），而且開發(fā)程序可以先在主機(jī)上調(diào)通，然后用交叉編譯工具為目標(biāo)系統(tǒng)重新編譯一遍，可以這樣做是因?yàn)橹鳈C(jī)是linux，目標(biāo)系統(tǒng)跑 uClinux，兩個(gè)操作系統(tǒng)提供的應(yīng)用程序接口幾乎是一樣的，所以程序幾乎不用修改。
在我的系統(tǒng)上，建立基本的開發(fā)環(huán)境過程如下。
1) 安裝gnu開發(fā)工具鏈（是GNU開發(fā)的針對ARM CPU的一組編譯開發(fā)程序（是linux程序）。包括arm－elf－gcc，arm－elf－ld等
(2) 將uClinux源代碼源代碼解壓到相應(yīng)路徑下，按照編譯內(nèi)核的步鄹編譯一遍（此時(shí)使用的編譯工具已經(jīng)是上面提到的ARM編譯工具了，因?yàn)樗贏RM CPU上運(yùn)行，另外，和編譯linux內(nèi)核一樣，此時(shí)可以通過menuconfig來對內(nèi)核提供的功能進(jìn)行裁減
(3) 將庫（uClibc）解壓到相應(yīng)路徑下，用以上工具編譯一遍。
這樣最基本的環(huán)境就算搭建好了。
以上工作對于做過的人來說比較簡單，這里介紹一下幫助沒有使用或剛開始使用這種開發(fā)模式的弟兄們理清一下思路。
3．一般應(yīng)用程序的開發(fā)
因?yàn)槟繕?biāo)板上用uClinux，它提供的程序接口和linux下的基本一致，不一致的部分主要在于uClinux 不支持MMU（應(yīng)該說是uClinux是為不帶MMU的cpu定制的），最明顯的就是fork函數(shù)要用vfork函數(shù)替代，這也是編程時(shí)，感覺最不爽的一點(diǎn)(沒辦法，誰讓咱們的CPU有生理缺陷)。另一個(gè)不易覺察的差異在于uClinux提供的庫uClibc是經(jīng)過裁減的。更適合于資源緊張的嵌入式系統(tǒng)（上回分解已經(jīng)說了，應(yīng)用程序很大一部分是在和庫函數(shù)打交道，而且大家最終是鏈在一起，所以庫函數(shù)大了，你的程序也小不了）。
于是基于這種開發(fā)模式的應(yīng)用程序開發(fā)變成了linux下的程序開發(fā)。而且在實(shí)際中一般是編好了程序先在主機(jī)上拿主機(jī)平臺上的編譯器編譯并且調(diào)試一下（linux下的編譯器就是gcc了），當(dāng)然前提是被調(diào)試的程序中需要的硬件條件主機(jī)具備，例如我的程序中有一段是針對串口的，于是先在主機(jī)編一個(gè)串口程序，調(diào)通以后拿目標(biāo)板的編譯器重新編譯一下（如果看了上一章“交叉編譯環(huán)境”，這里就不會暈了），下載到目標(biāo)板上運(yùn)行，一般來說就可以直接用了。
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