嵌入式 Linux C ARM

嵌入式系统开发环境概述

2020-11-22  本文已影响0人  Leon_Geo

嵌入式系统开发环境主要包括：

接下来分别讲解以上各个工具：

1、集成开发工具

一般CPU厂商会提供针对该CPU的集成开发环境（IDE），但在实际应用中，大多数嵌入式项目开发公司都还是会使用自己开发的环境。一是项目某些功能的特殊性要求，二是并不是所有CPU型号都有相应的IDE。

2、 Cross-Tools

Cross-Tools包含：

以GNU Tool-Chain中的C编译器gcc为例，以下是一些编译时的选项：

以GNU Tool-Chain中的C链接器Linker为例，以下是一些选项：

GNU tool chain可以支持许多不同的CPU，使用者可以根据需求设定配置。例如arm-elf-gcc就是会以elf格式产生ARM机器码的C编译器，而68K-coff-ld就是会以COFF格式产生68000机器码的linker。

3、Make

make是用来进行自动编译的程序工具，只要在makefile中详细叙述要用什么工具（例如cross-compiler）对哪个文件（.c、.obj、…）做何种处理（产生不优化的目标文件），make同时还会检查这些文件是否过期，如果过期会仅仅自动重新编译需要编译的(make会比较文件之间的依存关系与日期，以决定某个文件是否需要重新编译)，而通常的批处理程序（例如windows下的.bat程序），在有某些文件更新后，需要重新编译所有文件。

《programming with GNU Software/GNU程序设计》

《Managing Project with make/make 项目开发工具》

以上两本书有对make使用的详细说明。

（1） makefile里的重要概念

makefile的基本语法：

#文件名：sample.mak
Target：Dependency list
   command1
   command2

要执行上述makefile的命令是：make -f sample.mak,如果没有使用-f指定makefile文件的话，make会在当前目录下寻找名为“makefile”的文件。此外如果没有指定targe的话，make会以makefile中第一个target文件名当作目标名。

（2）makefile举例

#File Name  :   DEFINE.MAK
#
#定义其它makefile中会用到的宏，思想和C语言的#define一样
#
！IFNDEF _DEFINE_MAK
_DEFINE_MAK = DEFINED
#
#定义项目相关文件所在的磁盘机编号
#
PRJ_DRIVER  =   Y:
#
#定义项目工具所在目录
#
PRJ_TOOLS_ROOT  =   $(PRJ_DRIVER)\Tools
#
#定义编译器所在目录
#
GNU_CC  =   $(GNU33_ROOT)\kcc33
GNU_LK  =   $(GNU33_ROOT)\ld
GNU_AR  =   $(GNU33_ROOT)\ar
#
#定义项目程序所在目录
#
SRC_ROOT    =   $(PRJ_DRIVER)\Project2020
SRC_INC     =   $(SRC_ROOT)\include
#
#当编译时传入-DXXX参数，其效果如同在程序中写了#define XXX
#
PRJ_CONFIG  =   -DPRJ_2020 -DCPU_ARM9 -DLCD_160X160
#
#定义执行C compiler时的参数
#
？CFLAGS= -c -gstabs -mlong-calls -fno-builtin -mgda=0 -mdp=1 -O3 
        -I$(GNU_INCLUDE)
        -I$(SRC_INC)
        -I$(PRJ_CONFIG)
#
#定义执行linker时的参数
#
LDFLAGS= -T main.lds -Map $(TARGET).map -N
#...
#...
!ENDIF

#
#在makefile中，也可以和include一样，包含其它makefile
#
!IF "$(_DEFINE_MAK)" == ""
!INCLUDE DEFINE.MAK
!ENDIF
#
#定义各模块包含的object file，每个object都是一个target
#
MODEL1_OBJS = m1_001.obj m1_002.obj m1_003.obj
MODEL2_OBJS = m2_001.obj m2_002.obj
#
# 项目中所有需要的object file
#
OBJS    = $(MODEL1_OBJS) $(MODEL2_OBJS)
#
#定义会用到的库函数
#
LIBS = $(GNU_LIB)\libgcc.a
#
#第一个target产生最终可执行文件main.elf,
#和main.elf有依赖关系的target有：所有的object file，main.mak,Link Script
#"$@"表示target本身，即main.elf
#
main.elf : $(OBJS) main.mak main.lds
    $(GNU_LK) $(LDFLAGS) -o $@ $(OBJS) $(LIBS)
#
# $* 表示target名称去掉扩展名
# $@ 表示target本身
# $< 表示XXX.c
#
m1_001.obj : $(SRC_ROOT)\m1\m1_001.c $(SRC_INC)\m1.h
    $(GNU_CC) $@ $(CFLAGS) $*.c
    
m1_002.obj : $(SRC_ROOT)\m1\m2_001.c $(SRC_INC)\m1.h
    $(GNU_CC) $@ $(CFLAGS) $*.c
    
...

?.c.obj:；$(GNU_CC) $@ $(CFLAGS) $<

预设编译规则语法说明：

  • .c.obj:; 此行目录用来规范target为.obj文件，依赖为.c文件的预设编译规则

  • 在设定预编译规则时依然可以使用宏

（3）非文件名称的Target

clean：
    del $(OBJS)
    del main.elf
    del main.bin

上述makefile语句中仅有target，没有dependency，意味着该target是一定会去执行下文的del命令。一般用于重新编译所有文件前执行。

这种非文件名target也可作为其它target的dependency，用于当要make某个target时，先去执行一系列指令的效果：

build_all : clean
    ...
    ...

（4）版本控制

在系统正式发布之前，程序代码中肯定会包含许多用于调试的代码行。但实际中，由于嵌入式系统的存储资源有限，不可能将含有调试代码的程序作为最终代码烧进板子。所以在设计时，一般会设计两个版本（调试版和发行版）。当然，当程序开发完，我们不可能用手动的方式一个个去删除这些调试代码。此时可以采用C语言中条件编译的思想，见下文分析：

调试版批处理文件：make_debug.bat

REM ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
REM Make_debug.bat
REM~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

REM 设定Windows/DOS的系统环境变量
REM
set BUILD_MODE = Debug

REM make我们的程序
REM
make target

发行版批处理文件：make_release.bat

REM ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
REM Make_release.bat
REM~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

set BUILD_MODE = Release
make target

makefile:

#~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
#makefile
#~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
#
!IF "$(BUILD_MODE)" == "Debug"
# 如果BUILD_MODE等于“Debug”，则设定编译时期的参数CFLAGS_DEBUG = __DEBUG_VERSION
# 反之，则设定编译时期的参数为空
#
CFLAGS_DEBUG = -D__DEBUG_VERSION
!ENDIF

target:
    gcc $(CFLAGS_DEBUG) xxx.c
#-D参数用来在编译时期设定宏变量“__DEBUG_VERSION”

4、Link Script

制作可执行文件的流程中，要先把所有的程序文件编译成目标文件，接下来就是通过链接器linker将所有的目标文件与库文件链接为可执行文件。而具体如何链接,连接到哪个地址就是通过扩展名为.ld的连接脚本文件来指定了。

有操作系统的情况下，不同的程序有自己的地址空间，而且相互之间互不干涉。这种程序都在RAM（内存）中执行，所有程序只要从同一个起始地址连接在一起就好。但嵌入式程序很多时候是没有操作系统的，系统和程序通常在在同一个地址空间，且往往连硬盘都没有，程序只能在ROM或flash中执行。但数据则只能被寻址在RAM中，所以连接时要告诉linker，程序段要被寻址到哪里（ROM的起始地址），数据段要被寻址到哪里（RAM的起始地址）。

（1）程序区段的结构

（2）link script 的内容

执行时期存储器的使用状况：

执行时期存储器的使用状况

数据会被放置在ROM，但执行时必须载入到RAM，则在ROM中（最终存储的地址）的地址称为LMA，而在RAM中（执行时期）的地址就是VMA。

试着写一下具有如下连接要求的link script：

  • 系统中有一块ROM，它的起始地址是0xC00000，另有一块RAM，起始地址为0.
  • 可执行文件包含text、rodata、data段，其中text段和rodata段在ROM里执行即可，所以被寻址到0xC00000，而rodata跟在text后面。
  • bss段因为没有初值，所以不会占据可执行空间或ROM空间，它会被寻址到RAM的起始地址0.
  • data段比较复杂，它的内容也必须包含在可执行文件内，在执行时期它必须被载入到RAM里。所以data的VMA在RAM中，跟在bss段之后，而LVA则跟在rodata段后面。

扩展：当希望某段程序以更快的速度执行，则只需要将其LMA在ROM里，VMA则寻址到RAM中，在执行前将其从ROM中载入到RAM里。

执行时期的存储结构 
/*********************************************************
Link Script sample
存储器地址配置：ROM起始地址（0xC00000），RAM起始地址（0）
输出ARM9机器码，可执行文件格式为elf32
**********************************************************/

OUTPUT_FORMAT("elf32-arm9")
OUTPUT_ARCH(arm9)
SEARCH_DIR(.);

SECTIONS
{
    /*****************************************
    定义text段，起始地址（VMA）从0xC00000开始，
    若没有指定LMA，表示LMA起始地址同VMA。
    *****************************************/
    .text 0xC00000:
    {
    /* 定义变量__START_text,句号.表示当前的VMA，即0xC00000 */
    __START_text = . ;
        
    /* *(.text)表示将当前目录中所有的.text段加入到这个段*/
    *(.text);
        
    /* 定义变量__END_text,目前VMA应该是0xC00000加上所有.text段的size总和 */
    __END_text = . ;
    }
    
     /*****************************************
    定义rodata段，起始地址（VMA）从__END_text开始（跟在text段之后），
    若没有指定LMA，表示LMA起始地址同VMA。
    *****************************************/
    .rodata __END_text :
    {
    __START_rodata = . ;
    *(.rodata);
    __END_rodata = . ;
    }
    
     /*****************************************
    定义bss段，起始地址（VMA）从0开始，
    若没有指定LMA，表示LMA起始地址同VMA。
    *****************************************/
    .bss 0x00000000:
    {
        __START_bss = .;
        *(.bss);
        __END_bss = .;
    }
    
     /* 定义可在程序中使用的变量__SIZE_BSS,表示bss段的大小。*/
    __SIZE_BSS = __END_bss - __START_bss；
        
    /*****************************************
    定义data段，其LMA应该在ROM，而VMA在RAM。
    所以，VMA跟在bss段后面，LMA跟在rodata段之后
    *****************************************/
    .data __END_bss : AT(__END_rodata)
    {
        __START_data = .;
        *(.data);
        __END_data = .;
    }
    
    /*定义变量__START_data_LMA,表示data段的起始地址*/
    __START_DATA_LMA =  LOADADDR(.data);
    
     /* 定义可在程序中使用的变量__SIZE_DATA,表示data段的大小。*/
    __SIZE_DATA = __END_data - __START_data;
    
    /***********************************************
    speed_up模块的VMA和LMA都是跟在data段之后，
    它会被加到可执行文件中，但执行时要载入到RAM才能执行
    **************************************************/
    .text_speed_up __END_data : AT(__START_data_LMA + SIZEOF(.data))
    {
    __START_text_speed_up = .;
      speed_up_main.o(.text);
      speed_up_main.o(.rodata);
      speed_up_main.o(.data);
    __END_text_speed_up = .;
    /* 为便于说明，假设该模块没有bss段*/
    }
    __START_text_speed_up_LMA = LOADADDR(.text_speed_up);
    __SIZE_TEXT_SPEED_UP = __END_text_speed_up - __START_text_speed_up;
}

将某个程序模块（speed_up）传输到速度较快的存储器上执行的代码如下：

extern unsigned char * __START_text_speed_up;
extern unsigned char * __START_text_speed_up_LMA;
extern int __SIZE_TEXT_SPEED_UP;

void copy_data_section(void)
{
    //一个字节一个字节的传输（性能较差）
    int i;
    unsigned char *dest = __START_text_speed_up;
    unsigned char *src = __START_text_speed_up_LMA;
    for(i=0; i<__SIZE_TEXT_SPEED_UP; i++)
        dest[i] = src[i]
}

为bss段赋予0的代码为：

extern unsigned char * __START_bss;
extern int __SIZE_BSS;

void clear_bss_section(void)
{
    int i;
    unsigned char * dest = __START_bss;
    for(i=0; i<__SIZE_BSS；i++)
        dest[i] = 0;
}

（3）Map File或符号表（Symbol Table）

连接后除了产生可执行文件外，通常还要求产生map文件（GNU linker ‘ld’ 的-m参数），其用于记录项目中每一个Symbol（程序中所有函数、库函数、全局变量及链接器自动产生的各个区段起始和结束地址的变量）的LMA与VMA的对应关系。通过该map文件可以得到如下信息：

当连接完毕，下载可执行文件到实际存储器中前，一般需要查看map文件，以确定各区段的起始地址和大小符合自己的设想。下图是一个map文件的部分截图：

map文件截图

5、ROM Maker

可执行文件的格式多样（ELF、COFF、HEX、S-Record、EXE等），但最终要烧到板子ROM里的是二进制文件，所以当得到可执行文件后，还需要通过ROM Maker将其转化为纯二进制文件才能执行烧录。当然，因为嵌入式系统通常没有硬盘，所以除了可执行二进制文件之外的文件也必须同时和他们一起转换成一个总的单一的二进制文件（Image File），这个过程称为make ROM。具体流程见下图：

制作最终Image File的流程

这里说的除了二进制可执行文件之外的一起加入到Image File的文件常见的有图片（JPG文件等），常见的作法是通过将该图片文件按字节转化为常量C数组，并给予一个名称，在程序中就可以通过直接操作存储器来使用这些数据，从而避免使用文件系统，但扩展性不强，更新麻烦。所以当这些图片文件有很多时，还是建议使用文件系统来管理较为方便。

实际上，我们一般会开发一个工具，把某目录下的所有文件一一转化为C array的程序，同时会产生一个.h头文件，其中包含所有代表数据挖掘的C array声明与每一个数组的大小，使用时只要include这个.h文件就可以使用这些array。

实际上文件系统就是一种访问数据的接口而已，它是一套实现了数据的存储、分级组织、访问和获取等操作的抽象数据类型。文件系统存储在哪、用什么样的格式都有可能，如果系统对文件没有写入需求，文件系统照样可以存储在ROM中。

在嵌入式系统中，如果没有写入数据的需求，我一般会采用一个索引表格，记录文件名及其在存储器中的文件首地址和文件大小。为了查找方便，该索引表格一般位于最高地址处。

用于嵌入式系统的文件系统

6、Offline Tools

用于开发阶段且必须自己开发并执行于PC上的工具叫做offline tools。这些工具可分为6大类：

offline tool在嵌入式系统开发的应用

7、下载与执行

严格来说，所谓的ROM是无法烧录的。在量产前，要委托专业的Mask-ROM制造商根据我们提供的image File进行一次性烧录。在开发阶段，我们要选用其它可重复读写的替代品，通常如NOR-flash、EPROM或EEPROM等。而要将数据写入一般有以下几个做法：

8、版本控制

无论是嵌入式系统或一般软件项目，只要涉及多人协作开发，就一定要做版本控制。当软件开发达到某个里程碑或有重大突破时，管理者可以为当前版本取一个名字，我们称之为Lable或tag，以后任何人都可以从版本控制服务器下载某lable时间点的所有程序。

当系统需要开发一个新功能时，可以建立一个分支（branch），并在该分支上进行开发。成功后在与主分支（master）进行合并。

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