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用GNU工具開(kāi)發(fā)基于ARM的嵌入式系統(tǒng)
摘要：介紹如何利用GNU的工具開(kāi)發(fā)基于ARM的嵌入式系統(tǒng)，以及使用編譯器、連接器和調(diào)試工具的具體方法，為廣大嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員提供一種低成本的開(kāi)發(fā)手段。當(dāng)前，ARM公司的32位RISC處理器，以其內(nèi)核耗電少、成本低、功能強(qiáng)、特有16/32位雙指令集，已成為移動(dòng)通信、手持計(jì)算、多媒體數(shù)字消費(fèi)等嵌入式解決方案的RISC標(biāo)準(zhǔn)，市場(chǎng)占有率超過(guò)了75 %。多家公司都推出了自己的基于ARM內(nèi)核的處理器產(chǎn)品，越來(lái)越多的開(kāi)發(fā)人員開(kāi)始了針對(duì)ARM平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。通常開(kāi)發(fā)人員需要購(gòu)買(mǎi)芯片廠商或第三方提供的開(kāi)發(fā)板，還需要購(gòu)買(mǎi)開(kāi)發(fā)軟件，如C編譯器或者集成了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境。開(kāi)發(fā)板的價(jià)格從數(shù)百到上千美元，而編譯器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)價(jià)格更是動(dòng)輒數(shù)千到數(shù)萬(wàn)美元。這樣，在開(kāi)發(fā)初期，軟硬件上的投資就需要上萬(wàn)美元，對(duì)于國(guó)內(nèi)大多數(shù)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是太貴了。
慶幸的是，GNU所倡導(dǎo)的自由軟件給開(kāi)發(fā)者帶來(lái)了福音。1984 年，旨在開(kāi)發(fā)一個(gè)類(lèi)似 Unix 的，并且是完全免費(fèi)的完整操作系統(tǒng)和配套工具：GNU 系統(tǒng)（發(fā)音為"guh-NEW"）。GNU的操作系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)工具都是免費(fèi)的，遵循GNU 通用公共許可證 (GPL)協(xié)議，任何人都可以從網(wǎng)上獲取全部的源代碼。關(guān)于GNU和公共許可證協(xié)議的詳細(xì)資料，讀者可參看GNU網(wǎng)站的中文介紹：http://.cn/semiconductors/。作為應(yīng)用開(kāi)發(fā)的最小系統(tǒng)必須包括RAM（程序運(yùn)行空間）、Flash（存放目標(biāo)代碼）和串行接口（用于調(diào)試和下載程序）。MX1提供了6個(gè)片選端（CS0~CS5），內(nèi)置了SDRAM控制器，數(shù)據(jù)寬度32位。在筆者的系統(tǒng)中采用了2片8M×16位的SDRAM和2片4M×16位的同步Flash存儲(chǔ)器，分別接入數(shù)據(jù)線的低16位和高16位，如圖1所示。
圖1中SDRAM接片選端CS2，F(xiàn)lash接片選端CS3，其余為SDRAM/Flash的控制信號(hào)。最小系統(tǒng)還包括至少1個(gè)串行接口，可以采用MX1內(nèi)置的UART控制器，圖略。
2 自舉模式
目前，許多嵌入式處理器都提供了自舉模式（Bootstrap），供用戶(hù)寫(xiě)入引導(dǎo)代碼。自舉模式利用了固化在芯片內(nèi)部的一段引導(dǎo)程序，當(dāng)處理器復(fù)位時(shí)，如果在特定引腳上加信號(hào)，則處理器將在復(fù)位后執(zhí)行固化ROM中的程序。例如，MX1提供了4條復(fù)位引腳，復(fù)位時(shí)引腳不同的電平組合可以從不同的片選端啟動(dòng)系統(tǒng)。自舉ROM中的程序完成串口的初始化，然后等待用戶(hù)從串口寫(xiě)入用戶(hù)代碼。自舉模式所能接受的是一種專(zhuān)門(mén)格式的文本文件，包括數(shù)據(jù)和要寫(xiě)入/讀出的地址。關(guān)于自舉模式的代碼格式，可參考相關(guān)芯片的手冊(cè)。在摩托羅拉的網(wǎng)站還提供了許多小工具，幫助開(kāi)發(fā)者將其它格式的文件轉(zhuǎn)換成為自舉模式格式。通過(guò)自舉模式下載的通常是一段和上位機(jī)軟件（如超級(jí)終端）通信的程序，完成接收數(shù)據(jù)并寫(xiě)入Flash的操作。寫(xiě)入的數(shù)據(jù)可以是用戶(hù)自己的應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)或者操作系統(tǒng)的內(nèi)核。通過(guò)自舉模式下載的引導(dǎo)程序同樣可以用GNU工具開(kāi)發(fā)。
3 GNU的編譯器和開(kāi)發(fā)工具
GNU提供的編譯工具包括匯編器as、C編譯器gcc、C 編譯器g 、連接器ld和二進(jìn)制轉(zhuǎn)換工具objcopy。基于ARM平臺(tái)的工具分別為arm-linux-as、arm-linux-gcc、arm-linux-g 、arm -linux-ld 和arm-linux-objcopy。GNU的所有開(kāi)發(fā)工具都可以從www.gnu.org上下載，基于ARM的工具可以從www.uclinux.org獲得。GNU的編譯器功能非常強(qiáng)大，共有上百個(gè)操作選項(xiàng)，這也是這類(lèi)工具讓初學(xué)者頭痛的原因。不過(guò)，實(shí)際開(kāi)發(fā)中只需要用到有限的幾個(gè)，大部分可以采用缺省選項(xiàng)。GNU工具的開(kāi)發(fā)流程如下：編寫(xiě)C、C 語(yǔ)言或匯編源程序，用gcc或g 生成目標(biāo)文件，編寫(xiě)連接腳本文件，用連接器生成最終目標(biāo)文件（elf格式），用二進(jìn)制轉(zhuǎn)換工具生成可下載的二進(jìn)制代碼。GNU工具都運(yùn)行在Linux下，開(kāi)發(fā)者需要1臺(tái)運(yùn)行Linux的PC作為上位機(jī)。由于篇幅所限，不能完整地介紹整個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，將以第二節(jié)中提到的通過(guò)自舉模式下載的引導(dǎo)程序?yàn)槔f(shuō)明開(kāi)發(fā)的過(guò)程。對(duì)于像Linux這樣的大系統(tǒng)，基本的開(kāi)發(fā)流程是一樣的。
引導(dǎo)程序?qū)⑼ㄟ^(guò)自舉模式下載到MX1的片內(nèi)RAM，從地址0x00300000開(kāi)始并執(zhí)行。完成串口和SDRAM的初始化后，引導(dǎo)程序?qū)⒌却邮諔?yīng)用程序或操作系統(tǒng)內(nèi)核，將接收到的數(shù)據(jù)放在SDRAM中。數(shù)據(jù)接收完畢后，引導(dǎo)程序?qū)DRAM中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入Flash，下一次就可以從Flash中直接引導(dǎo)系統(tǒng)了。由于操作系統(tǒng)的內(nèi)核比較大，如Linux有1 MB以上，下載過(guò)程必須考慮糾錯(cuò)。因此，接收部分采用Xmode協(xié)議，可以用Windows下超級(jí)終端的Xmode
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