關鍵詞：ARM GNU MC928MX1 gcc gdb gdbserver

當前，ARM公司的32位RISC處理器，以其內核耗電少、成本低、功能強、特有16/32位雙指令集，已成為移動通信、手持計算、多媒體數字消費等嵌入式解決方案的RISC標準，市場占有率超過了75 %。多家公司都推出了自己的基于ARM內核的處理器產品，越來越多的開發(fā)人員開始了針對ARM平臺的開發(fā)。通常開發(fā)人員需要購買芯片廠商或第三方提供的開發(fā)板，還需要購買開發(fā)軟件，如C編譯器或者集成了實時操作系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境。開發(fā)板的價格從數百到上千美元，而編譯器、實時操作系統(tǒng)價格更是動輒數千到數萬美元。這樣，在開發(fā)初期，軟硬件上的投資就需要上萬美元，對于國內大多數開發(fā)人員來說，無疑是太貴了。

　　慶幸的是，GNU所倡導的自由軟件給開發(fā)者帶來了福音。1984 年，旨在開發(fā)一個類似 Unix 的，并且是完全免費的完整操作系統(tǒng)和配套工具：GNU 系統(tǒng)（發(fā)音為"guh-NEW"）。GNU的操作系統(tǒng)和開發(fā)工具都是免費的，遵循GNU 通用公共許可證 (GPL)協(xié)議，任何人都可以從網上獲取全部的源代碼。關于GNU和公共許可證協(xié)議的詳細資料，讀者可參看GNU網站的中文介紹：http://www.gnu.org/home.cn.html。

　　除了大家熟知的Linux操作系統(tǒng)外，GNU的軟件還包括編譯器（gcc，g++）、二進制轉換工具（objdump，objcopy）、調試工具（gdb，gdbserver，kgdb）和基于不同硬件平臺的開發(fā)庫。GNU開發(fā)工具的主要缺點是采用命令行方式，用戶掌握和使用比較困難，不如基于Windows系統(tǒng)的開發(fā)工具好用。但是，GNU工具的復雜性是由于它更貼近編譯器和操作系統(tǒng)的底層，并提供了更大的靈活性。一旦學習和掌握了相關工具，也就了解了系統(tǒng)設計的基礎知識，為今后的開發(fā)工作打下基礎。GNU的開發(fā)工具都是免費的，遵循GPL協(xié)議，任何人都可以從網上獲取。筆者參與了一個基于ARM平臺的嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)，采用的是摩托羅拉龍珠系列的MC928MX1。從測試代碼、引導程序、嵌入式Linux移植、應用程序、圖形界面都可以用GNU工具進行開發(fā)，不需要在開發(fā)工具上做額外的投入。本文所介紹的開發(fā)方法同樣適用于其它公司的基于ARM的產品。

1 硬件平臺

　　MC928MX1（以下簡稱MX1）是摩托羅拉公司基于ARM核心的第一款MCU，主要面向高端嵌入式應用。內部采用ARM920T內核，并集成了SDRAM/Flash、LCD、USB、藍牙（bluetooth）、多媒體閃存卡（MMC）、CMOS攝像頭等控制器。關于MX1的詳細資料，感興趣的讀者可以參考http://www.motorola.com.cn/semiconductors/。作為應用開發(fā)的最小系統(tǒng)必須包括RAM（程序運行空間）、Flash（存放目標代碼）和串行接口（用于調試和下載程序）。MX1提供了6個片選端（CS0~CS5），內置了SDRAM控制器，數據寬度32位。在筆者的系統(tǒng)中采用了2片8M16位的SDRAM和2片4M16位的同步Flash存儲器，分別接入數據線的低16位和高16位，如圖1所示。

　　圖1中SDRAM接片選端CS2，Flash接片選端CS3，其余為SDRAM/Flash的控制信號。最小系統(tǒng)還包括至少1個串行接口，可以采用MX1內置的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），供用戶寫入引導代碼。自舉模式利用了固化在芯片內部的一段引導程序，當處理器復位時，如果在特定引腳上加信號，則處理器將在復位后執(zhí)行固化ROM中的程序。例如，MX1提供了4條復位引腳，復位時引腳不同的電平組合可以從不同的片選端啟動系統(tǒng)。自舉ROM中的程序完成串口的初始化，然后等待用戶從串口寫入用戶代碼。自舉模式所能接受的是一種專門格式的文本文件，包括數據和要寫入/讀出的地址。關于自舉模式的代碼格式，可參考相關芯片的手冊。在摩托羅拉的網站還提供了許多小工具，幫助開發(fā)者將其它格式的文件轉換成為自舉模式格式。通過自舉模式下載的通常是一段和上位機軟件（如超級終端）通信的程序，完成接收數據并寫入Flash的操作。寫入的數據可以是用戶自己的應用程序、數據或者操作系統(tǒng)的內核。通過自舉模式下載的引導程序同樣可以用GNU工具開發(fā)。

3 GNU的編譯器和開發(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和二進制轉換工具objcopy。基于ARM平臺的工具分別為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大，共有上百個操作選項，這也是這類工具讓初學者頭痛的原因。不過，實際開發(fā)中只需要用到有限的幾個，大部分可以采用缺省選項。GNU工具的開發(fā)流程如下：編寫C、C++語言或匯編源程序，用gcc或g++生成目標文件，編寫連接腳本文件，用連接器生成最終目標文件（elf格式），用二進制轉換工具生成可下載的二進制代碼。GNU工具都運行在Linux下，開發(fā)者需要1臺運行Linux的PC作為上位機。由于篇幅所限，不能完整地介紹整個嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)過程，將以第二節(jié)中提到的通過自舉模式下載的引導程序為例，說明開發(fā)的過程。對于像Linux這樣的大系統(tǒng)，基本的開發(fā)流程是一樣的。

　　引導程序將通過自舉模式下載到MX1的片內RAM，從地址0x00300000開始并執(zhí)行。完成串口和SDRAM的初始化后，引導程序將等待接收應用程序或操作系統(tǒng)內核，將接收到的數據放在SDRAM中。數據接收完畢后，引導程序將SDRAM中的數據寫入Flash，下一次就可以從Flash中直接引導系統(tǒng)了。由于操作系統(tǒng)的內核比較大，如Linux有1 MB以上，下載過程必須考慮糾錯。因此，接收部分采用Xmode協(xié)議，可以用Windows下超級終端的Xmode發(fā)送方式發(fā)送文件。

（1）編寫C、C++語言或匯編源程序

　　通常匯編源程序用于系統(tǒng)最基本的初始化，如初始化堆棧指針、設置頁表、操作ARM的協(xié)處理器等。初始化完成后就可以跳轉到C代碼執(zhí)行。需要注意的是，GNU的匯編器遵循ATT的匯編語法，讀者可以從GNU的站點（www.gnu.org）上下載有關規(guī)范。匯編程序的缺省入口是start標號，用戶也可以在連接腳本文件中用ENTRY標志指明其它入口點（見下文關于連接腳本的說明）。

（2）用gcc或g++生成目標文件

　　如果應用程序包括多個文件，就需要進行分別編譯，最后用連接器連接起來。如筆者的引導程序包括3個文件：init.s（匯編代碼、初始化硬件） xmrecever.c（通信模塊，采用Xmode協(xié)議）和flash.c（Flash擦寫模塊）。

分別用如下命令生成目標文件：

arm-linux-gcc-c-O2-o init.o init.s

arm-linux-gcc-c-O2-o xmrecever.o xmrecever.c

arm-linux-gcc-c-O2-o flash.o flash.c

其中-c命令表示只生成目標代碼，不進行連接；-o 命令指明目標文件的名稱；-O2表示采用二級優(yōu)化，采用優(yōu)化后可使生成的代碼更短，運行速度更快。如果項目包含很多文件，則需要編寫makefile文件。關于makefile的內容，請感興趣的讀者參考相關資料。

（3）編寫連接腳本文件

　　gcc等編譯器內置有缺省的連接腳本。如果采用缺省腳本，則生成的目標代碼需要操作系統(tǒng)才能加載運行。為了能在嵌入式系統(tǒng)上直接運行，需要編寫自己的連接腳本文件。編寫連接腳本，首先要對目標文件的格式有一定了解。GNU編譯器生成的目標文件缺省為elf格式。elf文件由若干段（section）組成，如不特殊指明，由C源程序生成的目標代碼中包含如下段：.text（正文段）包含程序的指令代碼；.data(數據段)包含固定的數據，如常量、字符串；.bss（未初始化數據段）包含未初始化的變量、數組等。C++源程序生成的目標代碼中還包括.fini（析構函數代碼）和.init（構造函數代碼）等。有關elf文件格式，讀者可自行參考相關資料。連接器的任務就是將多個目標文件的.text、.data和.bss等段連接在一起，而連接腳本文件是告訴連接器從什么地址開始放置這些段。例如筆者的引導程序連接文件link.lds為：

ENTRY(begin)

SECTION

{ .=0x00300000;

.text : { *(.text) }

.data: { *(.data) }

.bss: { *(.bss) }

}

　　其中，ENTRY(begin)指明程序的入口點為begin標號；.=0x00300000指明目標代碼的起始地址為0x00300000，這一段地址為MX1的片內RAM；.text : { *(.text) }表示從0x00300000開始放置所有目標文件的代碼段，隨后的.data: { *(.data) }表示數據段從代碼段的末尾開始，再后是.bss段。

（4）用連接器生成最終目標文件

　　有了連接腳本文件，如下命令可生成最終的目標文件：

arm-linux-ld-nostadlib-o bootstrap.elf-T link.lds init.o xmrecever.o flash.o

其中，ostadlib表示不連接系統(tǒng)的運行庫，而是直接從begin入口；-o指明目標文件的名稱；-T指明采用的連接腳本文件；最后是需要連接的目標文件列表。

（5）生成二進制代碼

　　連接生成的elf文件還不能直接下載執(zhí)行，通過objcopy工具可生成最終的二進制文件：

arm-linux-objcopy-O binary bootstrap.elf bootstrap.bin

其中-Obinary指定生成為二進制格式文件。Objcopy還可以生成S格式的文件，只需將參數換成-O srec。如果想將生成的目標代碼反匯編，還可以用objdump工具：

arm-linux-objdump-D bootstrap.elf

　　至此，所生成的目標文件就可以直接寫入Flash中運行了。如果要通過自舉模式下載，還需要轉換為自舉模式的文件格式，相關轉換工具可以在摩托羅拉的網站上找到。

　　掌握了GNU工具后，開發(fā)者就可以開發(fā)或移植C或C++代碼的程序。用戶可以不需要操作系統(tǒng)，直接開發(fā)簡單應用程序。但對于更復雜的應用來說，操作系統(tǒng)必不可少。目前流行的源代碼公開的操作系統(tǒng)如Linux、μC/OS都可以用GNU工具編譯。ARM的Linux已有很多成熟的版本，可以支持ARM720、ARM920、ARM1020等多種處理器，讀者可從www.uclinux.org或www.armdevzone.com上獲取最新信息。Linux移植過程中和處理器相關的代碼都放在arch/arm目錄下。對于內核，用戶需要做的是設定自己系統(tǒng)的內存映像，RAM起始地址，I/O地址空間和虛擬I/O地址空間，參看arch/arm/mach-integrator/arch.c文件。除了內核外，用戶還需要為自己的系統(tǒng)編制各種各樣的驅動程序。

4 調試工具

　　Linux下的GNU調試工具主要是gdb、gdbserver和kgdb。其中gdb和gdbserver可完成對目標板上Linux下應用程序的遠程調試。gdbserver是一個很小的應用程序，運行于目標板上，可監(jiān)控被調試進程的運行，并通過串口與上位機上的gdb通信。開發(fā)者可以通過上位機的gdb輸入命令，控制目標板上進程的運行，查看內存和寄存器的內容。gdb5.1.1以后的版本加入了對ARM處理器的支持，在初始化時加入－target==arm參數可直接生成基于ARM平臺的gdbserver。gdb工具可以從ftp://ftp.gnu.org/pub/gnu/gdb/上下載。

　　對于Linux內核的調試，可以采用kgdb工具，同樣需要通過串口與上位機上的gdb通信，對目標板的Linux內核進行調試。由于篇幅所限，感興趣的讀者可以從http://oss.sgi.com/projects/kgdb/上了解具體的使用方法。

結束語

　　本文以一個具體的實例為例，對GNU工具中的常用功能作了介紹。其實GNU工具的功能還遠不止這些，更進一步的操作有：針對不同處理器，不同算法的軟件優(yōu)化、高效的內嵌匯編、大型項目管理功能等。相信GNU能成為越來越多開發(fā)人員的選擇。