嵌入式系統(tǒng)集成開發(fā)平臺的設計與實現(xiàn)

0引言

嵌入系統(tǒng)開發(fā)已經(jīng)趨于規(guī)范化，但是嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)并不像在普通PC機上進行軟件開發(fā)那樣容易，它同樣需要一個高度集成的開發(fā)平臺，來降低開發(fā)的難度。目前市場上的嵌入式系統(tǒng)集成開發(fā)平臺特點是： （ 1）多數(shù)嵌入式系統(tǒng)集成開發(fā)平臺都是以Windows為系統(tǒng)環(huán)境，很少有以Linux為系統(tǒng)環(huán)境的；（ 2）部分集成開發(fā)平臺具有一定的開放性，許多功能作為插件供用戶選擇； （ 3）多數(shù)集成開發(fā)平臺通用性較差，僅支持一個或者幾個系列的微處理器； （ 4）目前嵌入式系統(tǒng)集成開發(fā)平臺產(chǎn)品大都價格昂貴； （ 5）很少有集成開發(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發(fā)平臺的缺點，本文研究了嵌入式系統(tǒng)可視化集成開發(fā)平臺，ESGIDE （ Embedded system graphical integrated development environment），其最大特點是具有圖形化人機交互功能和ARM CPU工作方式自動初始化。所謂圖形化人機交互，是指把將要裁剪和配置的系統(tǒng)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，開發(fā)者根據(jù)自己開發(fā)的系統(tǒng)需要，選擇不同圖形模塊，動態(tài)生成bootloader、kernel、I /O等系統(tǒng)級的源代碼，不需要開發(fā)者自己輸入，這大大簡化了開發(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在開發(fā)時需要對使用的內(nèi)部資源進行初始化。傳統(tǒng)的做法是開發(fā)者確定工作方式，確定工作方式字，然后手動編程。我們采用開發(fā)模式是：以定時器應用為例，將定時器的個數(shù)，工作方式確定，時鐘頻率的確定，是否允許中斷等編寫成對話框模式，開發(fā)者只要選中其中的方式，初始化控制字自動生成，編寫代碼自動生成，同樣大大簡化了開發(fā)步驟，減輕了程序員的負擔。

面向?qū)ο蠹夹g(shù)是當前實現(xiàn)軟件模塊化、提高軟件復用性最優(yōu)的方法，現(xiàn)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?qū)ο蟮募夹g(shù)來設計一種嵌入式軟件IDE，對嵌入式軟件開發(fā)中的各個對象的類進行分析與設計，架構(gòu)一個通用的開發(fā)模型，根據(jù)硬件配置自動產(chǎn)生基本的系統(tǒng)軟件方案。只需要系統(tǒng)中的每個對象類的屬性及其操作設置，自動搭建交叉編譯環(huán)境，降低操作系統(tǒng)裁減和移植的難度，產(chǎn)生驅(qū)動程序的基本框架。開發(fā)人員只需要配置好各個模塊的基本信息，將更多精力集中在系統(tǒng)的應用上。

1嵌入式軟件的開發(fā)流程

與常見的PC和服務器軟件不同，嵌入式軟件主要是對設備內(nèi)部各部分的運行進行協(xié)調(diào)，并不與設備使用者發(fā)生直接接觸。PC和服務器軟件的運行環(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)品進行專門的設計、開發(fā)和優(yōu)化。由于嵌入式Linux操作系統(tǒng)在嵌入式開發(fā)中占據(jù)了主流，因此本文圍繞針對移植有Linux操作系統(tǒng)的嵌入式開發(fā)流程進行討論。

典型的基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的嵌入式軟件開發(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、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(zhí)行的代碼必須建立交叉編譯工具；（ 3）開發(fā)Bootloader：建立啟動系統(tǒng)的主引導程序；（ 4）移植Linux內(nèi)核：如基于Linux2.6內(nèi)核移植；（ 5）開發(fā)一個根文件系統(tǒng)：如rootfs的制作；（ 6）開發(fā)特定硬件的驅(qū)動程序：如LCD，Keypad等；（ 7）開發(fā)上層的應用程序：如QT GUI開發(fā)。

對于開發(fā)過程的各個環(huán)節(jié)，有的提供了輔助的開發(fā)工具，有的需要完全依賴經(jīng)驗手工從底層開發(fā)，嵌入式軟件開發(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將涵蓋整個開發(fā)的各個重要環(huán)節(jié)，力求最大程度上降低開發(fā)難度，在集成化開發(fā)環(huán)境里完成主要工作。

2 IDE面向?qū)ο蟮姆治雠c設計

對于運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)的系統(tǒng)，根據(jù)其開發(fā)流程，利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)分析設計出6個基本的大類，并給出對象之間的協(xié)作關(guān)系圖，如圖1、圖2所示。這幾個大類貫穿了嵌入式軟件開發(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置，采用何種啟動方式，是NandFlash，還是NorFlash或者EPROM等，用戶通過設定這些參數(shù)，其他對象將獲取其中的信息進行配置。

嵌入式開發(fā)需要交叉編譯，Linux環(huán)境下一般就是采用開源Gcc系列進行配置，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，這是嵌入式開發(fā)的基礎。

工程管理類，集成開發(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)進行編譯，牽扯到大量全局環(huán)境參數(shù)的設定。

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

系統(tǒng)移植類涵蓋了整個系統(tǒng)需要移植的模塊，引導程序，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節(jié)內(nèi)容，盡量以最簡化形式幫助開發(fā)人員完成操作，重要的環(huán)節(jié)只需設定參數(shù)，其他交由對象自動執(zhí)行。

面向?qū)ο笞钪匾奶卣骶褪恰案邇?nèi)聚度和低耦合性”，各個對象封裝了細節(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用性。本文所設計的IDE，根據(jù)體系結(jié)構(gòu)的不同，所需修改的只是個別對象的內(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_發(fā)平臺的結(jié)構(gòu)。

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

3系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

目前可視化的面向編程語言種類比較多，從對面向?qū)ο蠹夹g(shù)的支持程度上來說，微軟最新的VC#從封裝性、類型安全性方面相當強大。重要的是，類層次清晰，編碼容易，可以根據(jù)面向?qū)ο笤O計的框架輕松的進行轉(zhuǎn)換，卻和C ++一樣強大。所以本文利用VC#設計了嵌入式軟件IDE，對各個類編寫詳細代碼。

整個系統(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)屬于開源項目，安裝后需個別地方的細節(jié)修改。

交叉編譯工具鏈模塊是IDE設計的核心，開發(fā)一個實用的編譯器，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(tǒng)下的應用程序以及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，而且國外大多數(shù)集成開發(fā)工具都從GCC移植而來。

本文的交叉編譯工具鏈模塊并不是單獨的針對某個體系結(jié)構(gòu)，可以重定向，根據(jù)參數(shù)配置，生成某個系列的編譯工具，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設計中的橋梁。

本文利用的Makefile技術(shù)對整個工程進行管理，主要就是針對驅(qū)動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(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都有這個命令，比如： Delphi的make，Visual C + +的nmake，Linux下GNU的make.可見，makefile都成為了一種在工程方面的編譯方法。

一個關(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行重定向。通常是靠管道技術(shù)來解決這個問題，但嵌入式開發(fā)中許多編譯過程長達數(shù)小時，信息往往需要進程結(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進行，及時反饋編譯過程中的各種信息。

Bootloader是嵌入式系統(tǒng)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(nèi)核需要的一些信息并將信息通過相關(guān)機制傳遞給內(nèi)核，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核，真正起到引導和加載內(nèi)核的作用［5］。

Bootloader依賴于硬件實現(xiàn)，除了體系結(jié)構(gòu)，還依賴于具體的嵌入式板級設備的配置，因此Bootloader是嵌入式開發(fā)移植最困難的部分，一般來說都是將已有的代碼進行大量的修改，本文采用的是U-Boot 1.2.0，目前來說是比較通用的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，需要建立一個幫助文件數(shù)據(jù)庫。通過控制字庫模塊添加需要的源碼。其實一般來說，修改都是大同小異，最主要的是修改兩個方面，何種方式啟動，是Nadflash還是Norflash，如果是Nandflash啟動，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，需要針對某種網(wǎng)卡芯片進行修改。

圖7 Bootloaer移植模塊

簡單來說，內(nèi)核配置無非就是生成一個配置文件，由Makefile來讀取，不同的架構(gòu)，就會選擇不同架構(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，不僅無法編譯，即使勉強編譯成功，也未必能夠正常運行。

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

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

對于內(nèi)核源碼修改，則需要幫助文件數(shù)據(jù)庫，根據(jù)用戶參數(shù)設置，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)啟動的一個重要組成部分，也是操作系統(tǒng)正常工作時候的必要組成部分，在啟動時候內(nèi)核需要跟文件系統(tǒng)來掛載。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)引導啟動程序會從這個根文件設備商把內(nèi)核代碼加載到內(nèi)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(tǒng)有RomFS，JFFS2，NFS，EXT2，RAMDISK，Cramfs等，每個系統(tǒng)都有自己的特點，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，包括啟動文件。因此，本模塊要完成這么幾個功能，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，它包含了很多標準Linux工具的單個可執(zhí)行實現(xiàn)，本文的IDE提供了一個BusyBox的標準配置，只需要利用交叉工具鏈進行編譯。

4嵌入式微處理器內(nèi)部資源驅(qū)動

嵌入式微處理器有大量的內(nèi)部I /O接口資源，如定時計數(shù)器、中斷、DMA、開關(guān)量輸入輸出等，要選擇其中的接口應用，首先要進行初始化，編寫驅(qū)動程序。

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

本文提出了驅(qū)動程序編寫模式，一個是選擇類型，自動生成某種類型的模板，在此模板上進行添加修改；第二就是利用控制字模塊，在開發(fā)驅(qū)動程序過程中，開發(fā)人員可以選擇某個體系結(jié)構(gòu)下的針對某種具體寄存器的操作，然后會自動產(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)動程序源碼中。

圖10是定時器的選擇界面，開發(fā)者只要根據(jù)需求選擇相應的定時器，確定其功能，初始值，然后選擇確認按鈕，初始化代碼自動生成，如圖11包含初始化控制字，非?？旖?、便利。另外，如果驅(qū)動程序要添加到內(nèi)核去，重新重新配置內(nèi)核即可。

圖10定時器及其功能選擇界面

圖11自動產(chǎn)生初始化代碼界面

5結(jié)語

本開發(fā)平臺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。本集成開發(fā)平臺可以供學生、老師或者工程技術(shù)人員學習嵌入式linux的裁剪和移植，ARM系列CPU的開發(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)動程序，測試取得成功。

linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）