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第第44章章AARRMM嵌嵌入入式式开开发发流流程程和和开开发发工工具具嵌入式系统的设计可以分成三个阶段：分析、设计和实现。分析阶段是确定要解决的问题及需要完成的目标，也常常被称为“需求阶段”；设计阶段主要是解决如何在给定的约束条件下完成用户的要求；实现阶段主要是解决如何在所选择的硬件和软件的基础上进行整个软、硬件系统的协调实现。在分析阶段结束后，通常开发者面临的一个棘手的问题就是硬件平台和软件平台的选择，因为它的好坏直接影响着实现阶段的任务完成。通常硬件和软件的选择包括：处理器、硬件部件、操作系统、编程语言、软件开发工具、硬件调试工具、软件组件等。在上述选择中，通常，处理器是最重要的，同时操作系统和编程语言也是非常关键的。处理器的选择往往同时会限制操作系统的选择，操作系统的选择又会限制开发工具的选择。4.1ARM嵌入式开发模式嵌入式系统与一般PC机在开发的硬件环境上的最大差异就是它分成两个平台，一个是宿主机（Host），一个是目标机（Target）。这里的宿主机通常就是PC机，首先利用宿主机上丰富的资源、良好的开发环境编写和编译能够在目标机上运行的程序，这个过程叫做交叉编译，然后通过串口、并口、网络或其它接口通过一定的传输手段将交叉编译生成的目标代码传输并装载到目标机上。图4-1中就是采用并口在线仿真器与目标机和宿主机进行连接，从而实现目标代码的运行和调试。宿主机的工作环境可以是Windows98，WindowsXP，Windows2000以及RedHat等操作系统，具体选择何种操作系统是由所采用的仿真器和所开发的软件决定，在ARM的开发过程中对于不同的软件开发阶段所采用的调试手段是不同的，宿主机的操作系统需求也就不一样。详细的描述请参考本节后面的内容。图4-1所示为一个典型的目标机/宿主机开发模式。宿主机运行ADS1.2集成开发环境，并通过在线仿真器（Multi-ICE）对目标处理器（Samsung公司的基于ARM920T核的S3C2410处理器）ARM处理器进行调试。宿主机和在线仿真器通过并口连接，在线仿真器同时连接到目标机的JTAG接口。4.2ARM嵌入式开发流程和开发工具ARM嵌入式系统的开发流程非常灵活而复杂，尤其是软件开发过程牵涉到许多不同的开发过程，而且每个开发过程所使用的开发工具均不尽相同，因此，在深入学习ARM软件开发之前，有必要对ARM嵌入式开发流程和所使用的开发工具有一个初步的了解，本节就是要达到这样的目的，至于各个开发过程和开发工具的详细介绍请参考后续有关章节。宿主机ADS1.2在线仿真器Multi-ICE嵌入式系统S3C2410(ARM920T)并口JTAG接口图4-1目标机/宿主机开发模式4.2.1选择硬件平台1、处理器的选择嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有30几个系列。但与全球PC市场不同的是，没有一种微处理器和微处理器公司可以主导嵌入式系统，仅以32位的CPU而言，就有100种以上嵌入式微处理器。由于嵌入式系统设计的差异性极大，因此选择是多样化的。ARM是近年来在嵌入式系统有影响力的微处理器制造商，ARM的设计非常适用于小的电源供电系统。Apple在Newton手持计算机中使用ARM，另外有几款数字无线电话也在使用ARM。设计者在选择处理器时要考虑的主要因素有：1）处理性能一个处理器的性能取决于多个方面的因素，如时钟频率，内部寄存器的大小，指令是否对等处理所有的寄存器等。对于许多需用处理器的嵌入式系统设计来说，目标不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选取能够完成设计目标的处理器。比如：对于ARM处理器，如果需要使用软解压实现视频，应该尽量选用ARM9、Xscale等高档处理器。而对于一般工业控制，则可以考虑ARM7芯片是否满足要求。2）技术指标当前，许多嵌入式处理器都集成了外围设备的功能，减少了芯片的数量，降低了整个系统的开发费用和技术难度。开发人员首先考虑的是，系统所要求的一些硬件能否方便地连接到处理器上。其次是考虑该处理器的一些支持芯片，如DMA控制器，内存管理器，中断控制器，串行设备、时钟等的配套。各个厂家市场的ARM芯片都根据不同的设计目标扩展了丰富的接口，在选择处理器时应该考虑选择能够支持尽可能多的功能，尤其是相对设计复杂的功能。3）功耗嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是手持设备、电子记事本、PDA、手机、GPS导航器、智能家电等消费类电子产品。这些产品对微处理器的基本要求是：高性能、低功耗。4）操作系统和软件支持工具的选择操作系统的移植和开发是嵌入式设计中的一个关键阶段。处理器和操作系统的选择在一定程度上互相影响，同时又将影响其软件支持工具，因此，处理器的选择的同时必须充分考虑操作系统的因素。在ARM系统中，如果用户希望使用WindowsCE、Linux等操作系统，就需要选择ARM720T以上带有MMU（MemoryManagementUnit）功能的ARM芯片，ARM720T、ARM920T、ARM922T、ARM946T、Strong-ARM都带有MMU功能。而ARM7TDMI则没有MMU，不支持WindowsCE和Linux，但目前有uCLinux以及uC/OS-II等不需要MMU支持的操作系统可运行于ARM7TDMI硬件平台之上。事实上，uCLinux已经成功移植到多种不带MMU的微处理器平台上，并在稳定性和其他方面都有上佳表现。另外，如果决定采用Linux、WindowsCE、vxWorks等操作系统时，在选择处理器时应该尽量选择该操作系统已经支持的处理器，这样可以大大加快开发进度，降低难度。选择不同的操作系统，其软件开发过程和调试手段各不相同，你的选择方案是否能够提供各个开发阶段（包括bootloader开发、操作系统移植、驱动开发和应用开发）所需的软件支持工具也是一个必须考虑的因素。5）是否内置调试工具处理器如果内置调试工具可以大大缩小调试周期，降低调试的难度。ARM提供JTAG调试接口，而且有众多的第三方厂家推出各种调试工具。2、硬件平台的选择选择好目标微处理器后还需要准备硬件平台。目前国内外有许多针对各种ARM微处理器的开发板，这些开发板对所支持的ARM微处理器做了详细的硬件评估和软件支持。在自己动手设计硬件平台之前，购买一块这种开发板作为测试平台，进行学习和参考，这样可以大大加快开发进度。对于一些应用，也可以直接在这些开发板上进行，这样可以省略硬件设计的阶段。如果您不打算购买开发板作为测试平台，您就需要自行设计硬件平台。在本书的第5章中，以目前国内ARM9的主流芯片：Samsung公司的S3C2410为例，详细介绍了该处理器的硬件架构和硬件接口扩展方法。4.2.2硬件驱动调试如果硬件平台是自行设计的，必须首先对硬件进行调试，硬件调试成功是进行操作系统移植和应用程序开发的一个基本前提。这个过程通常是通过编写一些简单的测试程序直接驱动硬件以验证硬件是否正确，这些程序可以基于操作系统进行编程，也可以不使用操作系统，而且后一种方法来得更加简单，调试也更方便和快捷。这一类过程通常采用图4-1所示的开发模式，在运行于Windows的ADS1.2中编写程序并编译，然后通过Multi-ICE下载并调试程序。由于这个过程的编程动作依赖于硬件，采用这种模式可以充分利用在线仿真器的强大的软件调试功能，从而加快排错过程。4.2.3操作系统的选择和移植在单片机系统中，由于受硬件资源的限制，同时应用程序通常比较简单，因此，通常不使用操作系统，直接采用前后台程序控制方式设计软件系统。前台运行一个死循环作为主程序流程，在主程序中设置中断，当中断产生的时候，运行后台中断服务程序，然后返回继续运行主程序。这样的开发方式在ARM开发中同样适用，而且对于一些小型应用完全可以采取这种方式，但是对于复杂应用，如复杂的图形用户界面、网络协议等，采用前后台控制方式进行设计的应用程序设计复杂，而且不便于软件模块的划分和软件升级、维护等。在这种情况下，操作系统的优势展露无疑。使用操作系统能够充分发挥ARM微处理器的优势。目前绝大多数嵌入式操作系统都能够稳定运行在ARM微处理器上。软件开发中必须首先选择合适的操作系统。下面将简单介绍几种常用的嵌入式操作系统以及它们的基本开发流程。1、μC/OS-IIμC/OS-II是一种免费公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统。其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能。它可以基于ROM运行（ROMable）、可裁减，具有高度移植性。从应用的角度来看，μC/OS-II提供了一个实时性非常好的嵌入式内核，在工业控制、数据采集等领域应用广泛。但μC/OS-II内核不支持文件系统、网络协议等功能，而且没有提供统一的硬件驱动程序接口和开发工具链，在复杂应用中需要考虑内核以外功能的实现难易程度。μC/OS-II内核不支持文件系统，不支持应用程序和驱动程序的加载，因此，在μC/OS-II开发中，内核、驱动程序和应用程序都是集中编译，也就是说，μC/OS-II编译以后的二进制代码中即包含内核代码，也包含驱动程序和应用程序的代码。同时μC/OS-II没有提供统一的开发工具链，μC/OS-II程序的编译应该采用支持所选处理器的编译器。对于ARM处理器，可以在Windows环境中使用ADS1.2、ADTIDE中编译μC/OS-II，也可以在Linux环境中使用GNUGCC编译μC/OS-II。因此可以采用图4-1所示的开发模式调试基于μC/OS-II的程序。2、Linux/uClinuxLinux/uClinux是对于有MMU和没有MMU的处理器的Linux解决方案。Linux内核的完全开放，使得可以自己设计和开发出真正的硬实时系统；对于软实时系统，在Linux中也容易得到实现。Linux/uClinux提供强大的文件系统、网络功能、GUI等软件模组支持，而且这些功能都是可以裁减的，同时它还提供了标准的驱动程序接口和软件开发接口，便于用户编程和程序维护。Linux/uClinux自身具备一整套工具链（GNUGCC），包括编译和调试工具，用户可以自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，并且可以跨越在嵌入式系统开发中仿真工具(ICE)的障碍。对于ARM处理器，Linux/uClinux内核、驱动程序以及应用程序的编译都在Linux环境中使用GNUGCC完成。对于内核和驱动程序的调试通常借助于运行于Linux/uClinux之前的bootloader来完成，只有在很少的情况下需要借助在线仿真器完成。对于应用程序的调试则可以完全抛弃在线仿真器，使用GDB完成。在本书的第7章中介绍了bootloader以及Linux/uClinux的相关知识。3、WindowsCEWindowsCE是Windows界面在嵌入式处理器中的实现，它提供了友好的人机交互界面和强大的二次开发功能。WindowsCE包括四大基本模块，它们提供了操作系统的关键特性，分别是：内核（Kernel）模块、对象存储（ObjectStore）模块、GWES（用户、应用程序和操作系统之间的图形用户界面）模块和通信（Communication）模块。WindowsCE拥有完善的软件支持开发工具，WindowsCE的核心移植和驱动开发使用专门的操作系统定制工具：WindowsCEPlatformBuilder(简称PB)。而应用程序的开发则有嵌入式开发工具包EmbeddedVisualTools，包括EmbeddedVisualC++（简称EVC）和EmbeddedVisualBasic(简称EVB)等。同时EmbeddedVisualTools下还可以进行部分驱动程序的开发。同时在WindowsCE中还提供了用于WindowsCE开发的bootloader：EBOOT。4、vxWorksVxWorks是专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统内核，为程序员提供了高效的实时多任务调