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用GNU工具開發基于ARM的嵌入式系統
摘要：介紹如何利用GNU的工具開發基于ARM的嵌入式系統，以及使用編譯器、連接器和調試工具的具體方法，為廣大嵌入式系統開發人員提供一種低成本的開發手段。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，越來越多的開發人員開始了針對ARM平臺的開發。通常開發人員需要購買芯片廠商或第三方提供的開發板，還需要購買開發軟件，如C編譯器或者集成了實時操作系統的開發環境。開發板的價格從數百到上千美元，而編譯器、實時操作系統價格更是動輒數千到數萬美元。這樣，在開發初期，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者帶來了福音。1984 年，旨在開發一個類似 Unix 的，并且是完全免費的完整操作系統和配套工具：GNU 系統（發音為"guh-NEW"）。GNU的操作系統和開發工具都是免費的，遵循GNU 通用公共許可證 (GPL)協議，任何人都可以從網上獲取全部的源代碼。關于GNU和公共許可證協議的詳細資料，讀者可參看GNU網站的中文介紹：http://.cn/semiconductors/。作為應用開發的最小系統必須包括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。在筆者的系統中采用了2片8M×16位的SDRAM和2片4M×16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。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。
3 GNU的編譯器和開發工具
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的開發過程，將以第二節中提到的通過自舉模式下載的引導程序為例，說明開發的過程。對于像Linux這樣的大系統，基本的開發流程是一樣的。
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中直接引導系統了。由于操作系統的內核比較大，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協議，可以用Windows下超級終端的Xmode
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