ARM汇编语言程序设计基础第12章嵌入式Linux软件设计.ppt

第第12章章 嵌入式嵌入式Linux软件设计软件设计12.1 移植的基本概念移植的基本概念n移植是嵌入式Linux软件设计中用得最多的一个概念，广义上讲移植包括软件移植和硬件移植。从狭义上讲，移植就是指软件移植，即将一个软件从一个平台迁移到另一个与其不同的平台上工作。通常情况下，移植分为以下3种情况。n1、从一个硬件平台移植到另一个硬件平台、从一个硬件平台移植到另一个硬件平台n2、从一个操作系统移植到另一个操作系统、从一个操作系统移植到另一个操作系统n3、从一种软件库环境移植到另一种软件库环、从一种软件库环境移植到另一种软件库环境境12.2 Bootloader的移植的移植nBootloader是操作系统和硬件的纽带，它负责初始化硬件，引导操作系统内核，检测各种参数给操作系统内核使用。事实上，一个功能完备的大型Bootloader，就相当于一个小型的操作系统。在嵌入式领域中，操作系统移植的关键在于Bootloader的移植以及操作系统内核与硬件相关部分的移植。12.2.1 关键文件的修改关键文件的修改n1.vivi顶层Makefile文件的修改nvivi作为Linux系统的启动代码，在编译配置时需要用到函数库，包括交叉编译器库和头文件，交叉编译开关选项设置，还包括Linux内核代码中的库和头文件，所以，通常需要修改vivi工程管理文件Makefile。n2.vivi中与硬件相关的初始化n与具体运行在哪一个处理器平台上相关的文件都存放在vivi/arch/目录下，本系统使用S3C2410 x处理器，对应的目录为s3c2410。其中head.s文件是vivi启动配置代码，加电复位运行的代码就是从这里开始的。n3.对不同Flash启动的修改nvivi能从NorFlash或NandFlash启动，因此启动程序、Linux内核及根文件系统，甚至还包括图形用户界面都需要存放在NorFlash或NandFlash中。n4.内核启动参数设置n经过修改后，S3C2410 x开发板能从NandFlash中启动运行Linux，也能从NorFlash中启动，所以相应地也要修改启动命令.n5.Flash驱动的实现n移植vivi的最后一步就是实现Flash驱动，程序员需要根据自己系统中具体Flash芯片的型号及配置来修改驱动程序，使Flash设备能够在嵌入式系统中正常工作。12.2.2 串口设置示例串口设置示例n串口作为一种常用的通信方式，在嵌入式开发中起到极其重要的作用，几乎所有的嵌入式设备都提供了串口的支持，并且都在Bootloader中就给出了支持，以为下一步开发提供方便，比如操作系统内、文件系统等下载等。n对vivi而言，串口的初始化是在vivi初始化的第一个阶段进行，具体是在arch/s3c2410/head.s文件中设置，且一般串口波特率设置为115200Buad。有关S3C2410数据手册中的串口相关寄存器的功能和波特率设置见6.1节，比如，若希望波特率设置为115200，而PCLK又等于40MHz，那么UBRDIVn就应该设置为：nUBRDIVn=(int)(40000000/(11520016)1=(int)(21.7)-1=20n其中，PCLK=50700000，UBRDIV0的值向下取整。12.2.3 Bootloader的交叉编的交叉编译译n为了进行交叉编译，需要修改vivi目录下的Makefile文件，将其中的编译器要由gcc改为交叉编译器arm-linux-gcc。然后使用make命令，系统将根据Makefile文件自动完成整个编译。编译完成后，系统将自动在vivi的根目录下生成一个名为“vivi”的二进制目标文件，用于下载到嵌入式目标设备的Flash中。12.2.4 Bootloader的下载的下载nBootloader的下载（又叫做烧录）是利用JTAG口进行的，操作平台可以是Windows或桌面Linux，只是两者用的工具软件不同而已，这里以Windows操作平台以及sjf2410工具软件为例进行介绍。在下载之前，需要将生成的可执行文件从桌面Linux下转移到Windows的某个目录下（如d:vivi）。n利用Jflash线将PC机和嵌入式目标板的JTAG口正确连接。这里要注意，Jflash线和Wiggler线的形状非常相似，不要混淆。n启动sjf服务，安装giveio.sys驱动。打开sjf目录下的loaddrv.exe，将弹出LoadDrv窗口.n然后再依次点击install和start按钮,就会提示“servicealreadyruning”，也就是驱动已经安装成功.n在DOS环境下手动运行sjf2410命令：sjf2410/f:vivi，其中“/f:是”参数而不是目录.nvivi下载成功后，用串口将PC和嵌入式目标板连接起来，并启动Windows中的超级终端.12.3 嵌入式嵌入式Linux内核的移植内核的移植n内核是嵌入式Linux系统的核心部分，因为Linux与Windows不同，前者的内核和文件系统、图形用户系统（GUI窗口系统）可以分开，它们的开发、移植、下载甚至运行都是可以分开的。内核移植是一个比较复杂的任务，当然也是嵌入式系统开发中非常重要的一个过程。内核移植一般包括内核配置、内核编译和内核下载3大步骤。12.3.1 内核移植的准备内核移植的准备 n移植内核首先要准备好编译内核的编译器即交叉编译工具链，然后从相关的网站（）下载要移植的内核源代码代码(基本上都是C语言编写)。12.3.1 内核移植的准备内核移植的准备n3.arch/arm目录下目录下Config.in 修改修改nConfig.in文件是用来设置后面介绍的menuconfig配置菜单的，它们是一一对应关系。这里把嵌入式目标板的CPU平台加在相应的地方，这样在配置Linux内核时就能够选择是否支持该平台了。最初标准的内核中没有S3C2410的相关信息，所以需要在该文件中进行有效的配置，以加入支持S3C2410处理器的相关信息。12.3.1 内核移植的准备内核移植的准备n4.arch/arm/boot目录下目录下Makefile 修改修改n编译出来的内核存放在该目录下。这里用来指定内核解压到实际硬件内存系统中的物理地址。一般如果内核无法正常启动，很可能是这里的地址设置不正确。n5.arch/arm/boot/compressed目录下目录下Makefile 修改修改n该文件从vmlinux中创建一个压缩的vmlinuz镜像文件。该文件中用到的SYSTEM、ZTEXTADDR、ZBSSADDR、和ZRELADDR是从arch/arm/boot/Makefile文件中得到的。12.3.1 内核移植的准备内核移植的准备n6.arch/arm/boot/compressed目录目录下添加下添加head-s3c2410.sn7.arch/arm/def-configs目录目录n 这里定义了一些平台的这里定义了一些平台的config文件，文件，比如比如lart和和assert等。把配置好的等。把配置好的S3C2410的配置文件复制到这里即可。的配置文件复制到这里即可。12.3.1 内核移植的准备内核移植的准备n8.arch/arm/kernel目录下目录下Makefile 修改修改n该文件主要用来确定文件类型的依赖关系。n9.arch/arm/kernel目录下的文件目录下的文件debug-armv.s 修改修改n在该文件中添加如下代码，目的是关闭外围设备的时钟，以保证系统正常运行。12.3.1 内核移植的准备内核移植的准备n10.arch/arm/kernel目录下的文件目录下的文件entry-armv.s 修改修改n在适当的地方加入如下代码，此为CPU初始化时的处理中断的汇编代码。n11.arch/arm/mm目录下的相关文件目录下的相关文件n此目录下的文件是和ARM平台相关的内存管理内容，只有mm-armv.c文件需要移植。12.3.1 内核移植的准备内核移植的准备n12.arch/arm/mach-s3c2410目录下目录下的相关文件的相关文件n这个目录在版本的内核中是不存在的，但在高版本中已经添加了对这款处理器的支持。不过发布的内核只是对处理器的基本信息提供支持，有关开发板的外设，例如USB、电源管理等都要用户自己添加。12.3.2 关键文件的修改关键文件的修改n1.设置目标平台和指定交叉编译器设置目标平台和指定交叉编译器n在源代码的最上层根目录下的Makefile文件中，指定所移植的硬件平台，以及所使用的交叉编译器。n2.arch/arm目录下目录下Makefile 修改修改n内核系统的启动代码是通过此文件产生的。n3.arch/arm目录下目录下Config.in 修改修改nConfig.in文件是用来设置后面介绍的menuconfig配置菜单的，它们是一一对应关系。这里把嵌入式目标板的CPU平台加在相应的地方，这样在配置Linux内核时就能够选择是否支持该平台了n4.arch/arm/boot目录下目录下Makefile 修改修改n编译出来的内核存放在该目录下。这里用来指定内核解压到实际硬件内存系统中的物理地址。一般如果内核无法正常启动，很可能是这里的地址设置不正确。n5.arch/arm/boot/compressed目录下目录下Makefile 修改修改n该文件从vmlinux中创建一个压缩的vmlinuz镜像文件。该文件中用到的SYSTEM、ZTEXTADDR、ZBSSADDR、和ZRELADDR是从arch/arm/boot/Makefile文件中得到的。n6.arch/arm/boot/compressed目录下添目录下添加加head-s3c2410.sn7.arch/arm/def-configs目录目录n 这里定义了一些平台的config文件，比如lart和assert等。把配置好的S3C2410的配置文件复制到这里即可。n8.arch/arm/kernel目录下目录下Makefile 修改修改n该文件主要用来确定文件类型的依赖关系。n9.arch/arm/kernel目录下的文件目录下的文件debug-armv.s 修改修改n在该文件中添加如下代码，目的是关闭外围设备的时钟，以保证系统正常运行。n10.arch/arm/kernel目录下的文件目录下的文件entry-armv.s 修改修改n在适当的地方加入如下代码，此为CPU初始化时的处理中断的汇编代码。n11.arch/arm/mm目录下的相关文件目录下的相关文件n此目录下的文件是和ARM平台相关的内存管理内容，只有mm-armv.c文件需要移植。n12.arch/arm/mach-s3c2410目录下的相目录下的相关文件关文件n这个目录在版本的内核中是不存在的，但在高版本中已经添加了对这款处理器的支持。不过发布的内核只是对处理器的基本信息提供支持，有关开发板的外设.12.3.3 内核的配置与裁剪内核的配置与裁剪n配置内核与裁剪是移植内核过程中很重要的一步，也是非常复杂的一步，配置时一定要小心，否则操作系统将无法运行。配置内核的目的是裁剪掉不必要的文件和目录，获得一个最简的、又能满足用户开发的操作系统，以解除嵌入式开发过程中所遇到的存储空间有限的困扰。n通常有4种主要的配置内核的方法。n 1.make confign2.make oldconfign3.make menuconfign4.make xconfig12.3.4 内核的编译内核的编译n编译内核通常也需要几个步骤，一是清除以前编译通过的残留文件；二是编译内核image文件和可加载模块；三是安装模块。在编译内核之前，可先参考内核目录下的README文件和Documentation/Changes文件，其中README文件告诉我们通过的安装内核的方法，Changes文件主要告诉编译和运行内核需要的最低工具软件列表。n具体介绍编译内核的基本步骤如下:nmakedep命令用在内核2.4或之前，用于建立源文件之间的依赖关系，在执行内核配置命令之后使用，nmakeclean命令用于删除前面留下来的中间文件，该命令不会删除.config等配置文件。这个步骤是可选的.nmakezImage命令用于编译生成压缩形式的内核映象，编译成功后，就会在archarmboot目录下生成zImage文件.n如果在配置菜单的过程中，有些选项被选择为模块的，即选项前为M，并且在回答Enableloadablemodulesupport(CONFIG_MODULES)时选了“Yes”的，则接下来就还要用命令makemodules来编译这些可加载模块，并用makemodules_install将makemodules生成的模块文件复制到到相应目录。n如果是直接升级PC桌面Linux系统的内核，那么接下来还要用makeinstall来安装新内核。12.3.5 内核的下载内核的下载n启动超级终端(波特率为115200)，连好串口线，在开机的瞬间快速的按空格键（不能是回车键），就进入到vivi控制台命令行下。n在vivi命令行上输入：loadflashkernelx(含义就是：向flash芯片中烧写kernel，采用xmodem协议)，回车后会提示等待。n立即选择要发送的文件，比如zImage文件，这里Linux环境下源代码arch/arm/boot目录下的zImage内核映像文件已转移到windows的某个目录下。12.4 嵌入式嵌入式Linux文件系统的移植文件系统的移植n文件系统是Linux/UNIX系统的一个重要组成部分，也是操作系统正常工作时的必要组成部分，在启动时内核需要根文件系统来挂载和组织文件。在目前的Linux操作系统中，内核代码映像文件保存在根文件系统中，系统引导启动程序会从这个根文件系统设备上把内核执行代码加载到内存中去运行。12.4 嵌入式嵌入式Linux文件系统的移植文件系统的移植n在Linux中，用户能看到的文件空间是用一个单树状结构来组织的，根文件系统的最顶层称为root，其下的每一个目录都有其具体的目的和用途，一般是根据FHS（FilesystemHierarchyStandard）定义建立一个正式的文件系统结构的。FHS即文件系统结构标准，它在UNIX/Linux操作系统的文件系统中是用于确定在何处存储何种文件的标准。n常见的根文件系统有Romfs、JFFS2、NFS、ext2、RamDisk、cramfs等。12.5Linux下设备驱动程序的开发下设备驱动程序的开发nLinux驱动开发是嵌入式软件设计中的主要内容，也是嵌入式Linux移植中工作量最大的部分。这里主要概述Linux设备驱动框架、驱动程序的组成及常用的加载驱动程序的方法，并通过一实例来详细介绍字符设备驱动程序的开发过程。12.5.1 驱动程序概述驱动程序概述n设备驱动程序是应用程序与硬件之间的一个中间软件层，可以看作是一个硬件抽象层（HAL,HardwareAbstractLayer），为应用程序屏蔽了硬件的细节。在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作；在操作系统看来，设备驱动程序是内核的一部分，它主要实现的功能有：对设备进行初始化和释放；把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据；读取应用程序传送给设备文件的数据，回送应用程序请求的数据以及检测和处理设备出现的错误。n1.设备类型分类设备类型分类 n在Linux操作系统下有3类主要的设备文件类型：字符设备、块设备、网络设备。字符设备和块设备的主要区别在于是否使用了缓冲技术。n（1）字符设备字符设备n字符设备（chardevice）和普通文件之间有主要的区别：普通文件可以来回读/写，而大多数字符设备仅仅是数据通道，只能顺序读/写。n（2）块设备）块设备 n块设备（blockdevice）是文件系统的物质基础，它也支持像文件一样被访问。n（3）网络设备）网络设备n网络设备是一个物理设备，如以太网卡，但软件也可以作为网络设备，典型的是回送设备（loopback）。n2.设备驱动与文件系统的关系设备驱动与文件系统的关系nLinux通过设备文件系统对设备进行管理，各种设备都以文件的形式存放在/dev目录下，称为“设备文件”。应用程序可以像普通文件一样打开、关闭和读/写这些设备文件。为了管理这些设备，系统为设备编了号，每个设备号又分为主设备号和次设备号。12.5.2 重要的数据结构和函数重要的数据结构和函数n1.设备驱动中关键数据结构设备驱动中关键数据结构n设备驱动程序所提供的这组入口点由几个结构向系统进行说明，分别是file_operations数据结构、inode数据结构和file数据结构。n2.设备驱动开发中的基本函数设备驱动开发中的基本函数n设备驱动程序所提供的入口点，在设备驱动程序初始化的时候向系统进行说明，以便系统在适当的时候调用。同时，初始化部分一般还负责为设备驱动程序申请系统资源，包括内存、中断、时钟、I/O端口等（这些资源也可以在open子程序或别的地方申请），在这些资源不用的时候，应该释放它们，以利于资源的共享。n(1)设备注册函数设备注册函数n(2)内存操作函数内存操作函数n(3)中断申请和释放函数中断申请和释放函数n(4)I/O端口操作函数端口操作函数12.5.3 字符设备驱动程序的字符设备驱动程序的组成组成n设备驱动程序作为内核的一部分它完成的功能包括：对设备初始化和释放；把数据从内核传送到硬件并从硬件读取数据；读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据；检测和处理设备出现的错误。n1.驱动程序的注册和注销驱动程序的注册和注销n设备驱动程序通过命令insmod以模块的方式动态加载后此时的入口点是init_module函数或宏mdolueinit。n2.设备操作设备操作n在设备成功注册之后，就可对它进行打开、读写、控制和释放等操作。在Linux内核中，字符设备使用fie_operations结构来定义设备的各种操作集合。n3.驱动程序的中断处理驱动程序的中断处理n在实际的系统中，设备的许多工作通常与处理器不同步，而且总比处理器慢。如果让处理器一直等待到设备准备好时才进行操作会造成处理器资源的浪费一种好的方法就是在设备准备好后通知处理器来进行处理，这种方法就是中断。由于系统的中断资源有限驱动程序在使用中断前需要申请，使用完后需要释放。Linux中，中断的申请和释放分别是通过nrequest_irq()函数和free_rq()函数来实现的。12.5.4 动态和静态加载方式动态和静态加载方式nLinux设备驱动模块属于内核的一部分，可以用静态和动态两种方式来进行编译和加载。两者方式的开发过程稍有不同，也各有特点。n1.静态加载方式n（1）特点n静态方式就是将驱动程序的源代码事前放到内核源代码中，和整个内核一起编译。它需要修改内核源代码和文件系统，并重新烧录下载到嵌入式设备中，这样当内核启动时就会加载驱动程序。n（2）内核的修改n设备驱动程序写完后，就可以将文件加到linux的内核中了。n（3）文件系统的修改n在内核中加上驱动程序后，还不能直接在应用程序中使用驱动程序中的函数，如open,close等，因为还需要在文件系统中提供设备访问接口，也就是/dev/目录下的设备名与设备号。n2.动态加载方式n（1）特点n动态加载方式就是说将驱动程序编译成一个可加载、卸载的模块目标文件，然后添加到内核中去即可。这种方法的好处就是通过将于内核中一些不常用的驱动采取动态加载方式，从而可以减少内核的大小，并且模块被插入内核后，它就和内核其他部分一样可方便的被使用。n（2）驱动程序添加到内核中n对于动态驱动程序的源代码，其初始化函数和静态方式的定义不同，这里要用这样一些函数：int_initdevice_init(void)；void_exitdevice_exit(void)；module_init(device_init);module_exit(device_exit)。n(3）文件系统下设备名的创建n驱动添加安装好后，还需要修改文件系统.12.6 应用程序开发应用程序开发n基于嵌入式Linux的应用程序开发方式与流程，与基于Windows的应用程序开发有很大的不同。在Windows环境中，开发者习惯使用各种功能强大的集成编译开发环境(IDE)，完成程序编辑、编译后，直接运行即可。但在基于嵌入式Linux的应用程序开发过程中，目前还缺乏比较简单、高效的开发工具和手段，同时，由于应用程序的最终运行平台是嵌入式目标系统，而程序开发与调试又仍然需要借助PC平台的桌面系统来完成，因而在程序的开发与调试过程中，需要频繁地将目标文件从桌面Linux系统中加载到嵌入式目标设备中，这是一个相对比较耗时的过程。12.6.1 应用程序的加载方式应用程序的加载方式n在桌面Linux上编辑源文件，交叉编译生成ELF可执行文件后，然后需要将生成的可执行文件加载到嵌入式目标系统上运行。此过程的实现有多种方式，最为常见的方式有U盘拷贝、FTP下载和NFS挂载方式。12.6.2 应用程序的应用程序的GDB/GDBSERVER联机调试联机调试n在前面的章节中我们介绍了基于ADS以及单机环境下的多种调试方式，但是嵌入式Linux的联机环境下，常用的调试代理工具为GDBSERVER。它是一个轻量级的调试器，运行在目标机上，然后与运行在主机上的GDB通过RSP(RemoteSerialProtoco1)协议进行通讯从而完成远程联机调试工作。n1.GDB/GDBSERVER调试模型调试模型n在调试过程中，主机和目标机之间使用串口或者网络作为通信的通道.n2.RSP通讯协议通讯协议nRSP协议将GDBGDBSERVER间通讯的内容看做是数据包，数据包的内容都使用ASCII字符。每一个数据包都遵循这样的格式：$调试信息接受方在收到数据包之后，对数据包进行校验，若正确回应“+”，反之回应。n3.调试步骤调试步骤n(1)交叉编译被调试程序文件n(2)运行嵌入式目标机中的GDBSERVER，并加载被调试程序文件n(3)运行宿主机中的gdb，并远程连接目标机的调试程序12.6.3 字符设备应用程序的开发字符设备应用程序的开发n在前面介绍了LED设备驱动程序的开发，那么就可以编写应用程序使用了设备驱动程序中的函数了。下面是一个LED应用程序的源码，假设程序文件名为ledApp.c。12.6.3 字符设备应用程序的开发字符设备应用程序的开发n#includen#includen#includen#includenintmain(intargc,char*argv)nninton;nintled_no;nintfd;nif(argc!=3|sscanf(argv1,“%d”,&led_no)!=1|sscanf(argv2,%d,&on)!=1|on1|LED_NO1)nfprintf(stderr,“Usage:ledappLED_NO0|1n”);/*0代表熄灭，1代表点亮*/nexit(1);nnfd=fopen(“/dev/myLeds”,0);nif(fd0)nperror(“opendeviceleds”);nExit(1);nnioctl(fd,on,led_no);nclose(fd);nreturn0;n12.6.3 字符设备应用程序的开发字符设备应用程序的开发n在宿主机上运行交叉编译命令：#arm-linux-gccgled.coledApp，即可生成应用程序的可执行文件ledApp。然后将其拷贝到嵌入式目标机上并运行，比如：n#ledtest01由于0代表是LED1，1代表是点亮，所以就可以将LED1点亮。