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用自由软件开发嵌入式应用


作 者:
 清华Motorola MCU&DSP应用开发研究中心 邵贝贝

  传统的嵌入式开发环境需要单片机的仿真器,包括C语言、汇编语言、调试工具等的集成开发环境IDE、实时操作系统等。仿真器恐怕要上万元,C编译器或IDE也要几万元,而实时操作系统则要上十万元乃至几十万元。由于Flash技术的发展,特别是一些CPU可以用JTAG口在背景模式BDM(Background Debug Mode)下调试,故仿真器已可以省去。随着BDM调试工具的标准化,BDM调试工具会变得越来越简单、越来越通用,一些BDM调试工具已经简单到仅仅在PC机并行口和单片机的JTAG接口之间加一道5~3.3 V的缓冲,自制BDM调试工具变得越来越容易。软件方面,Linux下的自由软件GNU gcc可以完成几乎所有知名CPU以及DSP的交叉C编译和调试,故IDE可以省去。至于操作系统,uClinux、RTLinux、μC/OS等源码开放的、免费的嵌入式操作系统也都性能稳定可靠。因此,全部使用自由软件开发嵌入式应用无疑是一种不错的选择。我们在32位MCU ColdFire上实现了上述全部开发过程。这一过程原则上也适合其它几乎所有的32位嵌入式应用系统的开发。作为范例,我们会将详细的开发步骤在本刊的《学习园地》栏目中陆续刊登若干篇文章介绍给读者,供嵌入式应用开发工程师们学习参考。

1 提倡使用自由软件开发嵌入式系统


  自由软件有强大的网上技术支持是公认的,不断升级的新版本的推出表明了自由软件强大的生命力。然而,使用自由软件有一定的难度,首先要熟悉Linux的使用,学会看Linux下的帮助信息。然后是学会遇到问题如何解决。向高手请教是解决问题的办法之一。在清华大学,校园网中的BBS是研究生交流的极好方式。还有一个方法是在网上搜索,因为您遇到的问题其他人以前或许也遇到过,解决办法可能网上就有。再有一个办法就是直接给作者发电子邮件。自由软件有源码、大多都有作者的Email 地址。我们体会使用Linux下的GNU gcc 等软件的难点主要在使用环境的建立上,一旦使用环境建立起来了,仅仅是使用并不难。在国外,这部分工作有专门的系统管理员为你做好,而国内这部分工作往往要自己做,故增加了Linux系统的使用难度。以GNU gcc 为例,根据我们的研究生的经验,建立并熟悉使用的过程大约需要2个月的时间。而熟悉一个买来的商业软件也需要2周乃至1个月的时间。也就是说,买商业软件可以节省1个月的时间。

  使用自由软件开发嵌入式应用的意义决不仅限于经济上节省开支。学习使用Linux下自由软件的过程,实际上是培养IT高手的过程。提倡使用自由软件将造就一大批有共同语言的精英。自由软件的推广使用已经迫使一些传统的商业软件降低了售价。前面提到若买商业软件可以节省1个工程师1个月的时间,那么软件的价格显然应该小于1个工程师的月收入。 由于劳动力成本的差异,商业软件在不同国家的价值也是不同的。实际上,软件的成本很大一部分是在技术支持与服务上。技术支持本地化无疑会降低这一成本。软件使用方法的培训,包括自由软件使用方法的培训,社会上有不少收费的培训班,既然能存在,就说明是合理的,且价格也能被用户接受。可以看出,自由软件也是衡量商业软件价值的一把尺子。

2 Linux开发环境的建立


  一个人用Linux开发嵌入式应用,可以在自己的PC机上装一套Linux,例如,Red Hat Linux。可以使用Linux中的X windows(xterm)开若干个窗口用于编译、下载、调试等;可以使用Linux中的emacs作文本编译。Windows 中有的软件在Linux 中几乎都有。但由于多数人对Linux环境和Linux中的应用程序不熟悉,宁愿用PC上基于Windows的操作系统,此时可以在Windows环境下装上Cygwin软件。GNU中的Cygwin是在Windows下运行Linux的自由软件。但我们发现,Cygwin的兼容性似乎不太好,在有的PC机上能装得上,有的PC机上装不上。Cygwin的安装过程要两三个小时,有时装到一半出现错误很不好处理。据说VMWare的Windows版本也可以在Windows环境下开出Linux的窗口,但VMWare不是自由软件。

  我们采用的办法是用1台PC机运行Linux作为服务器。开发小组中每个成员都可以通过局域网用Telnet登录到这台Linux服务器上去,被开发的目标板也挂在网上。在服务器的Linux环境下,用GNU gcc编译生成目标代码,再用FTP传回到自己的PC机上,然后通过串行口或网络下载到目标机上。BDM工具主要用于硬件调试。因为BDM工具的支持软件也是Linux下的自由软件,故BDM工具只能接在Linux服务器的并口上。硬件调试完成后,可以把Debug程序写入Flash,然后就不需要BDM工具了。
检验开发环境是否建立好了得有1块目标板。在开发环境建立起来之前,冒然设计自己的硬件,难度较大。可以用商家提供的评估板作为目标板先把开发环境建立起来。可以通过用GNU gcc 编译uClinux 然后下载到目标板上运行的办法来熟悉Linux下 GNU gcc的开发环境,检验开发环境是否已建立好。如果是购买第3方的硬件,则要特别小心。有些恶劣厂商的产品的确可以运行uClinux, 但其是在软件或硬件中做了些陷阱,使用户只能用他的硬件。

  图1是Linux开发环境示意图。



3 GNU gcc交叉编译器

  运行于Linux操作系统下的自由软件GNU gcc编译器,不仅可以编译Linux操作系统下运行的应用程序、编译Linux本身,还可以作交叉编译,编译运行于其它CPU上的程序。可以作交叉编译的CPU(或DSP)涵盖了几乎所有知名厂商的产品。用于嵌入式应用的、众所周知的CPU包括:Intel的i386、Intel960、AMD29K、ARM、M32、MIPS、M68K、ColdFare、PowerPC、68HC11/12、TI的TMS32等等。详细列表可查看http://gcc.gnu.org/reading网站。

GNU gcc编译器是一套完整的交叉C编译器,包括:
◇ C交叉编译器 gcc;
◇ 交叉汇编工具 as;
◇ 反汇编工具 objdump;
◇ 连接工具 Ld;
◇ 调试工具 gbd。

  可以用批处理文件 makefile 将上述工具组合成方便的命令行形式。makefile 是用bash语言写的。bash语言是很像BASIC语言的一种命令解释语言,范例可以从网上获得。

4 嵌入式操作系统 

  嵌入式应用中的操作系统多为实时操作系统。μC /OS是一个免费的小实时操作系统内核,内核代码仅几K~十几K。已有10年的应用史,并已经被移植到了几乎所有的嵌入式应用类CPU上。它的实时性、稳定性已得到世人的公认。由于μC/OS的商业价值,后来的μC /OS-II不再是免费的,但仍是一个低价位的操作系统。带有文件系统、功能更强的嵌入式操作系统有uCLinux,它的内核需要至少512 KB存储空间。面向各种不同的商业硬件平台的、各种版本的uClinux的源码在网上都可以找到。我们是从www. uclinux.org上下载uClinux源代码的。用GNU gcc编译,通过编译运行uClinux熟悉了这一套开发环境。uClinux是一套很优秀的自由软件,很多掌上电脑都是基于uClinux开发的,今后PC机上有什么软件,掌上电脑(例如以ARM为CPU的掌上电脑)上就会有什么软件。这些软件都可以是基于uClinux的。uClinux不是实时的,而自由软件RTLinux是实时的。由于上述操作系统都是有源码的,其硬件相关部分可以通过定义一些函数移植上去。有 Linux的开发环境,有GNU gcc的C交叉编译器,有操作系统的源代码,就可以自如地设计自己的应用了。

  经典的uClinux下载地址为http://www.uclinux.org,但对于某些平台(比如ARM),用GOOGLE搜索一下"uClinux+ARM"往往能找到比uClinux.org更好的网址。不过Coldfire还是推荐用http://www.uclinux.org/ports/coldfire/,上面的版本是uClinux目前最主要的维护者Greg Ungerer(gerg@snapgear.com)开发的,是uClinux最原始、最规范的版本。
我们用的是:

◇ 内核代码
(http://www.uclinux.org/ports/coldfire/source.html上的Full Source Distribution)
uClinux-dist-20020306.tar.gz

◇ 交叉编译器
(http://www.uclinux.org/ports/coldfire/source.html上的M68K/ColdFire Binary Tools (m68k-elf tool chain) )
m68k-elf-tools-20020218.tar.gz

5 ColdFire 5307板的开发过程与经验


  ColdFire是Motorola 在68K基础上推出的新的32位嵌入式微处理器内核,有51XX、52XX、53XX、54XX等4个系列。5307的运算能力可达75MIPS。下面描述的开发过程也可以用于PowerPC、ARM等嵌入式应用的开发。我们以ColdFire5307为核心设计了带有16MB SDRAM、2MB Flash,10 M以太网接口的硬件平台,移植了Debug/Monitor驻留程序并通过BDM接口写入到Flash中,编译了uCLinux内核并使uClinux运行起来。我们移植了实时操作系统μC/OS-II。基于μC/OS-II,我们正在写基于 μC/OS的TCP/IP协议栈。后续的文章中将详细介绍我们的开发过程,读者按照我们提供的步骤就可以自行开发产品。

  以下,介绍如何搭建能运行GNU gcc交叉C编译的Linux平台。

6 搭建Linux下开发ColdFire的软件平台


(1)安装Linux
  首先应该安装RedHat 6.2版本的Linux,因为uClinux的原作者使用的是RedHat6.2平台。为了避免可能出现的不必要的麻烦,建议使用RedHat6.2平台。

(2)GNU gcc交叉编译器的建立
  可以到http://www.uclinux.org/port/coldfire下面下载最新的M68K/ColdFire的交叉编译器。我们使用的是m68k-elf-tools-20010716.tar.gz,安装命令是:
tar xzf m68k-elf-tools-20010716.tar.gz
执行后会把ColdFire的交叉编译器安装到/usr/local/目录下面。其中/usr/local/bin目录下是可执行文件。

(3)安装调试工具BDM的驱动(BDM Driver)
  下载gdb-bdm-20010901.tar.gz 用下述命令解压:
tar xzf gdb-bdm-20010901.tar.gz
执行后会新建gdb-bdm-20010901目录,在该目录下面运行:
./local_script/build_it
然后到/gdb-bdm-20010901/driver/linux目录下面运行:
make install
然后运行:
mknod /dev/bdmcf0 c 34 4 添加ColdFire系列CPU的BDM驱动。
在文件/etc/conf.modules添加:
alias char-major-34 bdm
在文件/etc/rc.d/rc.local添加:
/sbin/insmod bdm
再到/gdb-bdm-20010901/lib下面:
make install

(4)测试BDM
到/gdb-bdm-20010901/test目录下面:
./chk /dev/bdmcf0,可以测试BDM驱动是否工作正常。

(5)编译GDB
下载gdb文件gdb-5.0.tar.gz,用下述命令解压:
tar xzf gdb-5.0.tar.gz
到生成的目录gdb-5.0下面运行:
patch -p1 < /where/gdb-bdm-20010901/gdbPatches/gdb-5.0-patch
where就是/gdb-bdm-20010901的目录。
然后运行
./configure --target=m68k-bdm-elf --prefix=/usr/local/
再运行
make
然后是
make install

  这样,整个ColdFire的交叉编译平台和Debug平台就建立完成了。接下来就可以编译运行在ColdFire系列CPU上的汇编C程序了。

  我们希望,今后会有更多的朋友加入到用自由软件开发嵌入式应用的行列,有更多的人把他们的经验拿出来共享。

  为使读者对嵌入式Linux有所了解,本刊在第10、11、12期的《学习园地》中,将分别刊登以下文章:《构建基于以太网的uClinux开发环境》、《如何编译uClinux内核》、《uClinux上的应用程序设计》。