嵌入式Linux的ARM移植實例研究

應(yīng)用實例的編寫實際上已經(jīng)不屬于Linux操作系統(tǒng)移植的范疇，但是為了保證本系列文章的完整性，這里提供一系列針對嵌入式Linux開發(fā)應(yīng)用程序的實例。

編寫Linux應(yīng)用程序要用到如下工具：

（1）編譯器：GCC

GCC是Linux平臺下最重要的開發(fā)工具，它是GNU的C和C++編譯器，其基本用法為：gcc[options][filenames]。
我們應(yīng)該使用arm-linux-gcc。

（2）調(diào)試器：GDB

gdb是一個用來調(diào)試C和C++程序的強(qiáng)力調(diào)試器，我們能通過它進(jìn)行一系列調(diào)試工作，包括設(shè)置斷點、觀查變量、單步等。
我們應(yīng)該使用arm-linux-gdb。

（3）Make

GNUMake的主要工作是讀進(jìn)一個文本文件，稱為makefile。這個文件記錄了哪些文件由哪些文件產(chǎn)生，用什么命令來產(chǎn)生。Make依靠此makefile中的信息檢查磁盤上的文件，如果目的文件的創(chuàng)建或修改時間比它的一個依靠文件舊的話，make就執(zhí)行相應(yīng)的命令，以便更新目的文件。

Makefile中的編譯規(guī)則要相應(yīng)地使用arm-linux-版本。

（4）代碼編輯

可以使用傳統(tǒng)的vi編輯器，但最好采用emacs軟件，它具備語法高亮、版本控制等附帶功能。

在宿主機(jī)上用上述工具完成應(yīng)用程序的開發(fā)后，可以通過如下途徑將程序下載到目標(biāo)板上運(yùn)行：

（1）通過串口通信協(xié)議rz將程序下載到目標(biāo)板的文件系統(tǒng)中（感謝Linux提供了rz這樣的一個命令）；
（2）通過ftp通信協(xié)議從宿主機(jī)上的ftp目錄里將程序下載到目標(biāo)板的文件系統(tǒng)中；
（3）將程序拷入U盤，在目標(biāo)機(jī)上mountU盤，運(yùn)行U盤中的程序；
（4）如果目標(biāo)機(jī)Linux使用NFS文件系統(tǒng)，則可以直接將程序拷入到宿主機(jī)相應(yīng)的目錄內(nèi)，在目標(biāo)機(jī)Linux中可以直接使用。

1.文件編程

Linux的文件操作API涉及到創(chuàng)建、打開、讀寫和關(guān)閉文件。

創(chuàng)建

intcreat(constchar*filename,mode_tmode);
參數(shù)mode指定新建文件的存取權(quán)限，它同umask一起決定文件的最終權(quán)限（modeumask），其中umask代表了文件在創(chuàng)建時需要去掉的一些存取權(quán)限。umask可通過系統(tǒng)調(diào)用umask()來改變：
intumask(intnewmask);
該調(diào)用將umask設(shè)置為newmask，然后返回舊的umask，它只影響讀、寫和執(zhí)行權(quán)限。

打開

intopen(constchar*pathname,intflags);
intopen(constchar*pathname,intflags,mode_tmode);

讀寫

在文件打開以后，我們才可對文件進(jìn)行讀寫了，Linux中提供文件讀寫的系統(tǒng)調(diào)用是read、write函數(shù)：
intread(intfd,constvoid*buf,size_tlength);
intwrite(intfd,constvoid*buf,size_tlength);

其中參數(shù)buf為指向緩沖區(qū)的指針，length為緩沖區(qū)的大?。ㄒ宰止?jié)為單位）。函數(shù)read()實現(xiàn)從文件描述符fd所指定的文件中讀取length個字節(jié)到buf所指向的緩沖區(qū)中，返回值為實際讀取的字節(jié)數(shù)。函數(shù)write實現(xiàn)將把length個字節(jié)從buf指向的緩沖區(qū)中寫到文件描述符fd所指向的文件中，返回值為實際寫入的字節(jié)數(shù)。
以O(shè)_CREAT為標(biāo)志的open實際上實現(xiàn)了文件創(chuàng)建的功能，因此，下面的函數(shù)等同creat()函數(shù)：
intopen(pathname,O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC,mode);

定位

對于隨機(jī)文件，我們可以隨機(jī)的指定位置讀寫，使用如下函數(shù)進(jìn)行定位：
intlseek(intfd,offset_toffset,intwhence);
lseek()將文件讀寫指針相對whence移動offset個字節(jié)。操作成功時，返回文件指針相對于文件頭的位置。參數(shù)whence可使用下述值：
SEEK_SET：相對文件開頭
SEEK_CUR：相對文件讀寫指針的當(dāng)前位置
SEEK_END：相對文件末尾
offset可取負(fù)值，例如下述調(diào)用可將文件指針相對當(dāng)前位置向前移動5個字節(jié)：
lseek(fd,-5,SEEK_CUR);
由于lseek函數(shù)的返回值為文件指針相對于文件頭的位置，因此下列調(diào)用的返回值就是文件的長度：
lseek(fd,0,SEEK_END);

關(guān)閉

只要調(diào)用close就可以了，其中fd是我們要關(guān)閉的文件描述符：
intclose(intfd);
下面我們來編寫一個應(yīng)用程序，在當(dāng)前目錄下創(chuàng)建用戶可讀寫文件example.txt，在其中寫入HelloWorld，關(guān)閉文件，再次打開它，讀取其中的內(nèi)容并輸出在屏幕上：
#include
#include
#include
#include
#defineLENGTH100
main()
{
intfd,len;
charstr[LENGTH];
fd=open(hello.txt,O_CREAT|O_RDWR,S_IRUSR|S_IWUSR);/*創(chuàng)建并打開文件*/
if(fd)
{
write(fd,Hello,SoftwareWeekly,strlen(Hello,softwareweekly));
/*寫入Hello,softwareweekly字符串*/
close(fd);
}
fd=open(hello.txt,O_RDWR);
len=read(fd,str,LENGTH);/*讀取文件內(nèi)容*/
str[len]='';
printf(%sn,str);
close(fd);
}

2.進(jìn)程控制/通信編程

進(jìn)程控制中主要涉及到進(jìn)程的創(chuàng)建、睡眠和退出等，在Linux中主要提供了fork、exec、clone的進(jìn)程創(chuàng)建方法，sleep的進(jìn)程睡眠和exit的進(jìn)程退出調(diào)用，另外Linux還提供了父進(jìn)程等待子進(jìn)程結(jié)束的系統(tǒng)調(diào)用wait。
fork
對于沒有接觸過Unix/Linux操作系統(tǒng)的人來說，fork是最難理解的概念之一，因為它執(zhí)行一次卻返回兩個值，以前聞所未聞。先看下面的程序：
intmain()
{
inti;
if(fork()==0)
{
for(i=1;i3;i++)
printf(Thisischildprocessn);
}
else
{
for(i=1;i3;i++)
printf(Thisisparentprocessn);
}
}

執(zhí)行結(jié)果為：
Thisischildprocess
Thisischildprocess
Thisisparentprocess
Thisisparentprocess

fork在英文中是分叉的意思，一個進(jìn)程在運(yùn)行中，如果使用了fork，就產(chǎn)生了另一個進(jìn)程，于是進(jìn)程就分叉了。當(dāng)前進(jìn)程為父進(jìn)程，通過fork()會產(chǎn)生一個子進(jìn)程。對于父進(jìn)程，fork函數(shù)返回子程序的進(jìn)程號而對于子程序，fork函數(shù)則返回零，這就是一個函數(shù)返回兩次的本質(zhì)。

exec

在Linux中可使用exec函數(shù)族，包含多個函數(shù)（execl、execlp、execle、execv、execve和execvp），被用于啟動一個指定路徑和文件名的進(jìn)程。exec函數(shù)族的特點體現(xiàn)在：某進(jìn)程一旦調(diào)用了exec類函數(shù)，正在執(zhí)行的程序就被干掉了，系統(tǒng)把代碼段替換成新的程序（由exec類函數(shù)執(zhí)行）的代碼，并且原有的數(shù)據(jù)段和堆棧段也被廢棄，新的數(shù)據(jù)段與堆棧段被分配，但是進(jìn)程號卻被保留。也就是說，exec執(zhí)行的結(jié)果為：系統(tǒng)認(rèn)為正在執(zhí)行的還是原先的進(jìn)程，但是進(jìn)程對應(yīng)的程序被替換了。

fork函數(shù)可以創(chuàng)建一個子進(jìn)程而當(dāng)前進(jìn)程不死，如果我們在fork的子進(jìn)程中調(diào)用exec函數(shù)族就可以實現(xiàn)既讓父進(jìn)程的代碼執(zhí)行又啟動一個新的指定進(jìn)程，這很好。fork和exec的搭配巧妙地解決了程序啟動另一程序的執(zhí)行但自己仍繼續(xù)運(yùn)行的問題，請看下面的例子：
charcommand[MAX_CMD_LEN];

voidmain()
{
intrtn;/*子進(jìn)程的返回數(shù)值*/
while(1)
{
/*從終端讀取要執(zhí)行的命令*/
printf(>);
fgets(command,MAX_CMD_LEN,stdin);
command[strlen(command)-1]=0;
if(fork()==0)
{
/*子進(jìn)程執(zhí)行此命令*/
execlp(command,command);
/*如果exec函數(shù)返回，表明沒有正常執(zhí)行命令，打印錯誤信息*/
perror(command);
exit(errorno);
}
else
{
/*父進(jìn)程，等待子進(jìn)程結(jié)束，并打印子進(jìn)程的返回值*/
wait(rtn);
printf(childprocessreturn%dn,rtn);
}
}
}
這個函數(shù)實現(xiàn)了一個shell的功能，它讀取用戶輸入的進(jìn)程名和參數(shù)，并啟動對應(yīng)的進(jìn)程。

clone

clone是Linux2.0以后才具備的新功能，它較fork更強(qiáng)（可認(rèn)為fork是clone要實現(xiàn)的一部分），可以使得創(chuàng)建的子進(jìn)程共享父進(jìn)程的資源，并且要使用此函數(shù)必須在編譯內(nèi)核時設(shè)置clone_actually_works_ok選項。

clone函數(shù)的原型為：
intclone(int(*fn)(void*),void*child_stack,intflags,void*arg);
此函數(shù)返回創(chuàng)建進(jìn)程的PID，函數(shù)中的flags標(biāo)志用于設(shè)置創(chuàng)建子進(jìn)程時的相關(guān)選項。
來看下面的例子：
intvariable,fd;
intdo_something(){
variable=42;
close(fd);
_exit(0);
}
intmain(intargc,char*argv[]){
void**child_stack;
chartempch;
variable=9;
fd=open(test.file,O_RDONLY);
child_stack=(void**)malloc(16384);
printf(Thevariablewas%dn,variable);
clone(do_something,child_stack,CLONE_VM|CLONE_FILES,NULL);
sleep(1);/*延時以便子進(jìn)程完成關(guān)閉文件操作、修改變量*/
printf(Thevariableisnow%dn,variable);
if(read(fd,tempch,1)1){
perror(FileReadError);
exit(1);
}
printf(Wecouldreadfromthefilen);
return0;
}
運(yùn)行輸出：
Thevariableisnow42
FileReadError
程序的輸出結(jié)果告訴我們，子進(jìn)程將文件關(guān)閉并將變量修改（調(diào)用clone時用到的CLONE_VM、CLONE_FILES標(biāo)志將使得變量和文件描述符表被共享），父進(jìn)程隨即就感覺到了，這就是clone的特點。

sleep

函數(shù)調(diào)用sleep可以用來使進(jìn)程掛起指定的秒數(shù)，該函數(shù)的原型為：
unsignedintsleep(unsignedintseconds);
該函數(shù)調(diào)用使得進(jìn)程掛起一個指定的時間，如果指定掛起的時間到了，該調(diào)用返回0；如果該函數(shù)調(diào)用被信號所打斷，則返回剩余掛起的時間數(shù)（指定的時間減去已經(jīng)掛起的時間）。

exit

系統(tǒng)調(diào)用exit的功能是終止本進(jìn)程，其函數(shù)原型為：
void_exit(intstatus);
_exit會立即終止發(fā)出調(diào)用的進(jìn)程，所有屬于該進(jìn)程的文件描述符都關(guān)閉。參數(shù)status作為退出的狀態(tài)值返回父進(jìn)程，在父進(jìn)程中通過系統(tǒng)調(diào)用wait可獲得此值。

wait

wait系統(tǒng)調(diào)用包括：
pid_twait(int*status);
pid_twaitpid(pid_tpid,int*status,intoptions);
wait的作用為發(fā)出調(diào)用的進(jìn)程只要有子進(jìn)程，就睡眠到它們中的一個終止為止；waitpid等待由參數(shù)pid指定的子進(jìn)程退出。

Linux的進(jìn)程間通信（IPC，InterProcessCommunication）通信方法有管道、消息隊列、共享內(nèi)存、信號量、套接口等。套接字通信并不為Linux所專有，在所有提供了TCP/IP協(xié)議棧的操作系統(tǒng)中幾乎都提供了socket，而所有這樣操作系統(tǒng)，對套接字的編程方法幾乎是完全一樣的。管道分為有名管道和無名管道，無名管道只能用于親屬進(jìn)程之間的通信，而有名管道則可用于無親屬關(guān)系的進(jìn)程之間；消息隊列用于運(yùn)行于同一臺機(jī)器上的進(jìn)程間通信，與管道相似；共享內(nèi)存通常由一個進(jìn)程創(chuàng)建，其余進(jìn)程對這塊內(nèi)存區(qū)進(jìn)行讀寫；信號量是一個計數(shù)器，它用來記錄對某個資源（如共享內(nèi)存）的存取狀況。

下面是一個使用信號量的例子，該程序創(chuàng)建一個特定的IPC結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵字和一個信號量，建立此信號量的索引，修改索引指向的信號量的值，最后清除信號量：

#include
#include
#include
#include
voidmain()
{
key_tunique_key;/*定義一個IPC關(guān)鍵字*/
intid;
structsembuflock_it;
unionsemunoptions;
inti;
unique_key=ftok(.,'a');/*生成關(guān)鍵字，字符'a'是一個隨機(jī)種子*/
/*創(chuàng)建一個新的信號量集合*/
id=semget(unique_key,1,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);
printf(semaphoreid=%dn,id);
options.val=1;/*設(shè)置變量值*/
semctl(id,0,SETVAL,options);/*設(shè)置索引0的信號量*/
/*打印出信號量的值*/
i=semctl(id,0,GETVAL,0);
printf(valueofsemaphoreatindex0is%dn,i);
/*下面重新設(shè)置信號量*/
lock_it.sem_num=0;/*設(shè)置哪個信號量*/
lock_it.sem_op=-1;/*定義操作*/
lock_it.sem_flg=IPC_NOWAIT;/*操作方式*/
if(semop(id,lock_it,1)==-1)
{
printf(cannotlocksemaphore.n);
exit(1);
}
i=semctl(id,0,GETVAL,0);
printf(valueofsemaphoreatindex0is%dn,i);
/*清除信號量*/
semctl(id,0,IPC_RMID,0);
}

3.線程控制/通信編程

Linux本身只有進(jìn)程的概念，而其所謂的線程本質(zhì)上在內(nèi)核里仍然是進(jìn)程。大家知道，進(jìn)程是資源分配的單位，同一進(jìn)程中的多個線程共享該進(jìn)程的資源（如作為共享內(nèi)存的全局變量）。Linux中所謂的線程只是在被創(chuàng)建的時候克隆(clone)了父進(jìn)程的資源，因此，clone出來的進(jìn)程表現(xiàn)為線程。Linux中最流行的線程機(jī)制為LinuxThreads，它實現(xiàn)了一種Posix1003.1cpthread標(biāo)準(zhǔn)接口。
線程之間的通信涉及同步和互斥，互斥體的用法為：
pthread_mutex_tmutex;
pthread_mutex_init(mutex,NULL);//按缺省的屬性初始化互斥體變量mutex
pthread_mutex_lock(mutex);//給互斥體變量加鎖
…//臨界資源
phtread_mutex_unlock(mutex);//給互斥體變量解鎖

同步就是線程等待某個事件的發(fā)生。只有當(dāng)?shù)却氖录l(fā)生線程才繼續(xù)執(zhí)行，否則線程掛起并放棄處理器。當(dāng)多個線程協(xié)作時，相互作用的任務(wù)必須在一定的條件下同步。Linux下的C語言編程有多種線程同步機(jī)制，最典型的是條件變量(conditionvariable)。而在頭文件semaphore.h中定義的信號量則完成了互斥體和條件變量的封裝，按照多線程程序設(shè)計中訪問控制機(jī)制，控制對資源的同步訪問，提供程序設(shè)計人員更方便的調(diào)用接口。下面的生產(chǎn)者/消費者問題說明了Linux線程的控制和通信：
#include
#include
#defineBUFFER_SIZE16
structprodcons
{
intbuffer[BUFFER_SIZE];
pthread_mutex_tlock;
intreadpos,writepos;
pthread_cond_tnotempty;
pthread_cond_tnotfull;
};
/*初始化緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)*/
voidinit(structprodcons*b)
{
pthread_mutex_init(b->lock,NULL);
pthread_cond_init(b->notempty,NULL);
pthread_cond_init(b->notfull,NULL);
b->readpos=0;
b->writepos=0;
}
/*將產(chǎn)品放入緩沖區(qū),這里是存入一個整數(shù)*/
voidput(structprodcons*b,intdata)
{
pthread_mutex_lock(b->lock);
/*等待緩沖區(qū)未滿*/
if((b->writepos+1)%BUFFER_SIZE==b->readpos)
{
pthread_cond_wait(b->notfull,b->lock);
}
/*寫數(shù)據(jù),并移動指針*/
b->buffer[b->writepos]=data;

b->writepos++;
if(b->writepos>=BUFFER_SIZE)
b->writepos=0;
/*設(shè)置緩沖區(qū)非空的條件變量*/
pthread_cond_signal(b->notempty);
pthread_mutex_unlock(b->lock);
}
/*從緩沖區(qū)中取出整數(shù)*/
intget(structprodcons*b)
{
intdata;
pthread_mutex_lock(b->lock);
/*等待緩沖區(qū)非空*/
if(b->writepos==b->readpos)
{
pthread_cond_wait(b->notempty,b->lock);
}
/*讀數(shù)據(jù),移動讀指針*/
data=b->buffer[b->readpos];
b->readpos++;
if(b->readpos>=BUFFER_SIZE)
b->readpos=0;
/*設(shè)置緩沖區(qū)未滿的條件變量*/
pthread_cond_signal(b->notfull);
pthread_mutex_unlock(b->lock);
returndata;
}
/*測試:生產(chǎn)者線程將1到10000的整數(shù)送入緩沖區(qū),消費者線
程從緩沖區(qū)中獲取整數(shù),兩者都打印信息*/
#defineOVER(-1)
structprodconsbuffer;
void*producer(void*data)
{
intn;
for(n=0;n10000;n++)
{
printf(%d--->n,n);
put(buffer,n);
}put(buffer,OVER);
returnNULL;
}
void*consumer(void*data)
{
intd;
while(1)
{
d=get(buffer);
if(d==OVER)
break;
printf(--->%dn,d);
}
returnNULL;
}
intmain(void)
{
pthread_tth_a,th_b;
void*retval;
init(buffer);
/*創(chuàng)建生產(chǎn)者和消費者線程*/
pthread_create(th_a,NULL,producer,0);
pthread_create(th_b,NULL,consumer,0);
/*等待兩個線程結(jié)束*/
pthread_join(th_a,retval);
pthread_join(th_b,retval);
return0;
}

4.小結(jié)

本章主要給出了Linux平臺下文件、進(jìn)程控制與通信、線程控制與通信的編程實例。至此，一個完整的，涉及硬件原理、Bootloader、操作系統(tǒng)及文件系統(tǒng)移植、驅(qū)動程序開發(fā)及應(yīng)用程序編寫的嵌入式Linux系列講解就全部結(jié)束了。