基于Linux的ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論

劉陽(yáng)　龍潛　孫永政

當(dāng)前，嵌入式的技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣發(fā)，從航天科技到民用產(chǎn)品，嵌入式產(chǎn)品的身影無(wú)處不在，而這些嵌入式產(chǎn)品的核心——處理器決定了產(chǎn)品的市場(chǎng)和性能。在32位嵌入式處理器市場(chǎng)中，ARM處理器占有很大份額。ARM不僅是一個(gè)公司、一種技術(shù)也是一種經(jīng)營(yíng)理念，即由ARM公司提供核心技術(shù)，只出售芯片中的IP授權(quán)，采取了別具一格的“Chipless模式”（無(wú)芯片的芯片企業(yè)），不參與生產(chǎn)，而是由合作廠商去生產(chǎn)具體的芯片和產(chǎn)品。

現(xiàn)在由于存儲(chǔ)空間等原因，在嵌入式芯片上編程有較大的困難，選取合適的平臺(tái)就顯得很重要。由于Linux是開(kāi)放源碼的操作系統(tǒng)，吸引著全世界的程序員參與到發(fā)展和完善的工作中來(lái)，所以Linux保持了穩(wěn)定而且卓越的性能。由于源代碼可以修改、移植，Linux在嵌入式領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來(lái)越廣。選用Linux作為平臺(tái)，可以根據(jù)具體需要自由裁減源碼，打造適合目標(biāo)平臺(tái)的環(huán)境，編寫(xiě)最有效率的應(yīng)用程序。

可以預(yù)見(jiàn)，ARM與Linux在未來(lái)已經(jīng)越來(lái)越壯大，在嵌入式產(chǎn)品市場(chǎng)上會(huì)占有越來(lái)越大的份額。在這種形式下，學(xué)習(xí)和研究ARM非常有必要，所以在這里介紹一下關(guān)于基于Linux系統(tǒng)的ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論。

首先進(jìn)行一下ARM開(kāi)發(fā)環(huán)境的簡(jiǎn)介：

根據(jù)功能的不同，ARM應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)工具可分為編輯軟件、編譯軟件、匯編軟件、鏈接軟件、調(diào)試軟件、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、函數(shù)庫(kù)、評(píng)估板、JTAG仿真器、在線仿真器等。因此，一套含有編輯軟件、編譯軟件、匯編軟件、鏈接軟件、調(diào)試軟件、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及函數(shù)庫(kù)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境一般來(lái)說(shuō)是必不可少的。至于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、評(píng)估板等其他開(kāi)發(fā)工具則可以根據(jù)應(yīng)用軟件規(guī)模和開(kāi)發(fā)計(jì)劃選用。使用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)基于ARM的應(yīng)用軟件時(shí)，其中涉及的編輯、編譯、匯編、鏈接等工作可全部在PC機(jī)上完成，調(diào)試工作則需要配合其他的模塊或產(chǎn)品完成。目前進(jìn)行ARM嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)常見(jiàn)的開(kāi)發(fā)工具主要有Real View MDK、IAR EWARM、ADS1.2、WinARM等。

RealView MDK開(kāi)發(fā)工具是ARM公司目前最新推出的針對(duì)各種嵌入式處理器的軟件開(kāi)發(fā)工具。RealView MDK集成了業(yè)內(nèi)最領(lǐng)先的技術(shù)，支持所有基于ARM的設(shè)備，能夠自動(dòng)配置啟動(dòng)代碼，集成了flash燒寫(xiě)模塊，還具有強(qiáng)大的仿真模擬、性能分析等功能。

IAR Embedded Workbench for ARM是IAR System公司為ARM微處理器開(kāi)發(fā)的一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。比較其他的ARM開(kāi)發(fā)環(huán)境，IAR EWARM具有入門(mén)容易、使用方便和代碼緊湊等特點(diǎn)。IAR EWARM中包含一個(gè)全軟件的模擬程序，用戶不需要任何硬件支持就可以模擬各種ARM內(nèi)核、外部設(shè)備甚至中斷的軟件運(yùn)行環(huán)境。由于ADS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境已經(jīng)不再更新，因此無(wú)法支持新推出的微控制器芯片，而IAR EWARM在持續(xù)的更新環(huán)境中，因此IAR EWARM將成為越來(lái)越多的人進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的首選開(kāi)發(fā)環(huán)境。

基于ARM芯片的應(yīng)用系統(tǒng)，多數(shù)為復(fù)雜的片上系統(tǒng)。在該復(fù)雜系統(tǒng)中，多數(shù)硬件模塊都是可配置的，配置工作需要由軟件預(yù)先完成。因此在用戶的應(yīng)用程序運(yùn)行之前，需要專門(mén)的一段代碼來(lái)完成系統(tǒng)基本的初始化工作。由于此類(lèi)代碼直接面對(duì)處理器內(nèi)核和硬件控制器進(jìn)行編程，所以一般使用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，這里我們稱之為硬件啟動(dòng)程序。

在應(yīng)用系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)中，如果所有的編程工作都由匯編語(yǔ)言來(lái)完成，其工作量巨大，并且不容易移植。由于ARM處理器的運(yùn)算速度高，存儲(chǔ)器的存取速度和存儲(chǔ)量也很高，因此大部分編程工作可以使用c語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。由此可見(jiàn)，c語(yǔ)言在ARM編程中具有非常重要的地位。

其次介紹一下ARM9嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程：

第一，嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)。學(xué)習(xí)嵌入式開(kāi)發(fā)的過(guò)程，首先要了解嵌入式開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)在以下幾個(gè)方面的差別比較明顯：

一是人機(jī)交互界面，這是最大的區(qū)別，因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)很可能就不存在鍵盤(pán)，顯示器等在計(jì)算機(jī)中常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的設(shè)備，它所完成的事情也只能是不同的傳感器的變化情況，并且按照事先規(guī)定好的過(guò)程儀式完成相應(yīng)的處理任務(wù)；二是功能是有限的，嵌入式系統(tǒng)只能反復(fù)執(zhí)行設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)定制好的并且在開(kāi)發(fā)完成后不再變化的功能任務(wù)；三是時(shí)間的關(guān)鍵性和穩(wěn)定性，大部分的嵌入式系統(tǒng)因?yàn)楣δ芤髮?shí)時(shí)響應(yīng)并且受到工作環(huán)境的影響很大，需要選擇合理的硬件和保護(hù)措施，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以正常運(yùn)行。

除此之外，還要了解嵌入式軟件開(kāi)發(fā)具有的自身特點(diǎn)：

一是需要交叉的開(kāi)發(fā)環(huán)境；二是引入設(shè)計(jì)方法；三是固化的程序；四是開(kāi)發(fā)的難度很大。

第二，嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的流程。嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)因?yàn)樗拈_(kāi)發(fā)難度大等自身特點(diǎn)，需要將硬件、軟件、人力資源等集中起來(lái)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)應(yīng)用對(duì)功能和性能的要求，而且實(shí)時(shí)性和功能一樣重要。這就使嵌入式開(kāi)發(fā)關(guān)注的方面更廣，精準(zhǔn)度更高。嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的每個(gè)階段都體現(xiàn)著嵌入式開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)。

一是需求分析階段；二是設(shè)計(jì)階段；三是生成代碼階段；四是固化階段。

第三，嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試。在進(jìn)行嵌入式軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以選擇不同的調(diào)試方式，但應(yīng)根據(jù)實(shí)際的開(kāi)發(fā)需求和實(shí)際的條件進(jìn)行選擇，有以下幾種主要的調(diào)試方式。

一是源程序模擬器方式；二是監(jiān)控器方式；三是仿真器方式。

嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試方法被分成不同的層次，就調(diào)試方法而言，分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩種。在使用硬件調(diào)試的時(shí)候，可以獲得比軟件調(diào)試功能更強(qiáng)大的調(diào)試性能，但是有的時(shí)候會(huì)價(jià)格昂貴，需要合適的開(kāi)發(fā)工具。軟件調(diào)試可以分為操作系統(tǒng)的內(nèi)核調(diào)試和應(yīng)用程序的調(diào)試，前者的操作比較困難，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)內(nèi)核不方便增加一個(gè)調(diào)試器程序，而后者相對(duì)比較簡(jiǎn)單。

在這里我們只是對(duì)ARM9嵌入式系統(tǒng)做一個(gè)基礎(chǔ)理論的講解。嵌入式技術(shù)正在飛速發(fā)展，并期待著各種行業(yè)的深入滲透。我國(guó)具有雄厚的制造業(yè)基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)的制造業(yè)結(jié)合，嵌入式系統(tǒng)有著巨大的市場(chǎng)空間。同時(shí)，基于嵌入式的應(yīng)用可技術(shù)創(chuàng)新，將推動(dòng)新產(chǎn)品、新產(chǎn)業(yè)的誕生。在新的高科技浪潮來(lái)臨之際，我國(guó)正全力迎接機(jī)遇和挑戰(zhàn)，嵌入式領(lǐng)域方興未艾，Linux也越來(lái)越成熟，我們需要掌握更新的知識(shí)，實(shí)現(xiàn)自我價(jià)值，為祖國(guó)貢獻(xiàn)力量！

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬忠梅，馬廣云，徐穎慧，等. ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)（2版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2] 馬忠梅，李善平，等. ARM&Linux嵌入式系統(tǒng)教程（3版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

作者簡(jiǎn)介：劉陽(yáng)（1993—），男，遼寧盤(pán)錦人，沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)生。

龍潛（1995—），男，江蘇連云港人，沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)生。

孫永政（1994—），男，遼寧大連人，沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)生。