1、ARM+Linux应用程序开发n5.1 开发环境的建立 进行项目开发前，首先要做的是搭建一套基于Linux操作系统的应用开发环境，一般由目标板目标板和宿宿主机主机所构成。 目标板用于运行操作系统和系统应用软件，而目标板所用到的操作系统的内核编译、应用程序的开发和调试则需要通过宿主机来完成。 开发环境对硬件没有特殊的要求，但是为了双方之间建立连接关系，关键的接口包括串口、以太网口和USB口等是必不可少的。交叉编译环境的建立 交叉编译交叉编译就是在一个平台上生成可以在另一个平台上执行的代码。 在宿主机上对即将运行在目标机上的应用程序进行编译，生成可在目标机上运行的代码格式。 交叉编译环境交叉编译环
2、境是一个由编译器、连接器和解释器组成的综合开发环境。 交叉编译工具交叉编译工具主要包括针对目标系统的编译器gcc、目标系统的二进制工具binutils、目标系统的标准c库glibc和目标系统的Linux内核头文件。建立一个交叉编译工具链是一个相当复杂的过程，为了节省时间，网上有一些编译好的可用的交叉编译工具链可以下载。编译好的交叉编译工具链arm-linux- toolchains.tgz，只需简单地解压缩即可使用：tar xvzf arm-linux-toolchains.tgz C /arm9假设工具链解压缩到目录/arm9。解压完毕后把工具链目录加入到环境变量PATH中即可。简单验证交叉
3、编译工具 n首先用文字输入软件建立一个helloworld.c文件：n#include nint main(void)nn printf(hello worldn);n return 0;nn然后在命令行执行：n$arm-linux-gcc helloworld.c -o helloworldn$file helloworldn如果输出以下信息，说明成功建立了编译工具。nhelloworld: ELF 32-bit LSB executable, ARM, version 1, dynamically linked (uses shared libs), not stripped 5.2 Li
4、nux及开发工具的使用 GNU工具的开发流程如下： 编写C、C+语言或汇编源程序，用gcc或g+生成目标文件，编写链接脚本文件，用链接器生成最终目标文件（elf格式），用二进制转换工具生成可下载的二进制代码。 Linux下的GNU调试工具主要是gdb、gdbserver和kgdb。其中gdb和gdbserver可完成对目标板上Linux应用程序的远程调试。gdbserver是一个很小的应用程序，运行于目标板上，可监控被调试进程的运行，并通过串口与上位机上的gdb通信。开发者可以通过上位机的gdb输入命令，控制目标板上进程的运行，查看内存和寄存器的内容。gcc编译器的使用 gcc最基本的用法是：
5、gcc options file. gcc的整个编译过程分别是：预处理，编译，汇编和链接。常用的选项： -o要求编译器生成指定文件名的可执行文件； -c表示只要求编译器进行编译，而不要进行链接，生成以源文件的文件名命名但把其后缀由.c或.cc变成.o的目标文件； -g在编译的时候提供以后对程序进行调试的信息； -E只进行预处理就停止，而不做编译、汇编和链接； -S只进行编译，而不做汇编和链接； -O对程序提供的编译优化选项，在编译的时候使用该选项，可以使生成的执行文件的执行效率提高； -Wall指定产生全部的警告信息。编译实例$ gcc -o hello hello.c ngcc编译器就会生成
6、一个hello的可执行文件。在hello.c的当前目录下执行./hello就可以看到程序的输出结果，在屏幕上打印出“Hello the world”的字符串来。nGNU编译器生成的目标文件默认格式为elf（executive linked file）格式，这是Linux系统所采用的可执行链接文件的通用文件格式。elf格式由若干个段（section）组成，由标准c源代码生成的目标文件中包含以下段： .text（正文段）包含程序的指令代码， .data（数据段）包含固定的数据，如常量，字符串等， .bss（未初始化数据段）包含未初始化的变量和数组等。Makefile文件和Make命令 Makefi
7、le文件描述了目标文件之间的依赖关系，以及指定编译过程中使用的工具。 一个工程中的源文件不计其数，按其类型、功能、模块分别放在若干个目录中。Makefile定义了一系列的规则来指定，哪些文件需要先编译，哪些文件需要后编译，哪些文件需要重新编译，甚至于进行更复杂的功能操作。 Makefile的好处就是“自动化编译”，一旦写好，只需要一个Make命令，整个工程完全自动编译，极大地提高了软件开发的效率。nMakefile的作用是根据配置的情况，构造出需要编译的源文件列表，然后分别编译，并把目标代码链接到一起，最终形成可执行的二进制文件。Makefile中一般包含如下内容：n 需要由make工具创建的
8、项目，通常是目标（target）文件和可执行文件。n 要创建的项目依赖于哪些文件。n 创建每个项目时需要运行的命令。例example.o: example.c example.hg+ -c -g 第一行指定example.o为目标，并且依赖于example.c和example.h文件。随后的行指定了如何从目标所依赖的文件建立目标。n当example.c或example.h文件在编译之后又被修改，则make工具可自动重新编译example.o，如果在前后两次编译之间，example.c和example.h均没有被修改，而且example.o还存在的话，就没有必要重新编译。make make是一个
9、命令工具，是一个解释Makefile中指令的命令工具。 make命令执行时，需要一个Makefile文件，以告诉make命令怎么去编译和链接程序。一般来说，最简单的就是直接在命令行下输入make命令，make命令会找当前目录的Makefile来执行，一切都是自动的。引导程序的移植嵌入式软件系统4个层次 引导程序BootLoader 操作系统内核 文件系统 用户应用程序PC机中的引导程序由BIOS BIOS（其本质就是一段固件程序）和位于硬盘MBR中的引导程序一起组成。 BIOS在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘MBR中的引导程序读到系统的RAM中，然后将控制权交给引导程序。 引导程序的主要运行
10、任务是将内核映像从硬盘上读到RAM中，然后跳转到内核的入口点去运行，也即开始启动操作系统。 BootLoader是在操作系统内核或用户应用程序运行之前运行的一段小程序。 通过这段小程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，为最终调用操作系统内核或用户应用程序准备好正确的环境。2BootLoader的启动过程nBootLoader的启动过程大多数分为阶段1和阶段2。阶段1主要包含依赖于CPU体系结构的硬件初始化代码，而且通常都是用汇编语言来实现的，以达到短小精悍的目的。这个阶段通常包括以下步骤：（1）硬件设备初始化。这是BootLo
11、ader开始就执行的操作，其目的是为阶段2的执行，以及随后内核的执行准备好基本的硬件环境。（2）为加载BootLoader的阶段2准备RAM空间。为了获得更快的执行速度，通常把阶段2加载到RAM空间来执行。（3）拷贝BootLoader阶段2的代码到RAM空间中。（4）设置好堆栈。（5）跳转到阶段2的C程序入口点。nBootLoader的阶段2通常用C语言来实现，这样可以实现更复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。通常包括以下步骤：（1）初始化本阶段要使用到的硬件设备。（2）检测系统内存映射。（3）将内核映像和根文件系统映像从Flash上读到RAM空间中。（4）为内核设置启动参数。
12、（5）调用内核。 VIVI简介nVIVI是韩国Mizi公司开发的BootLoader，可用于ARM9处理器的引导。VIVI利用串行通信为用户提供接口。 为连接VIVI，首先利用串口电缆连接宿主机和目标板，然后在主机上运行串口通信程序，并在目标板上正确设置VIVI以支持串口。正确连接后，就可以由串口通信程序显示提示信息，提示信息的最后一行如下所示： Press Return to start the LINUX now, any other key for vivi.nVIVI有两种工作模式，启动模式 下载模式VIVI命令n1load命令 将二进制文件载入到Flash或者RAM load | v
13、ivi load flash kernel x，装载压缩映像文件zImage到flash存储器，地址是kernel分区，并采用xmodem传输协议。n2part命令 操作MTD分区信息n3param命令 用来设置或者察看参数n4boot命令 用来引导存储在flash存储器或者ram中的linux内核5.4 Linux操作系统的移植 Linux系统实际上由两个比较独立的部分组成，即内核部分和系统部分。内核部分初始化并控制大部分硬件设备，为内存管理、进程管理、设备读写等工作做好一切准备；系统部分加载必需的设备，配置各种环境以便用户可以使用整个系统。启动Linux系统的过程：加载程序将Linux部分
14、内核调入内存，并将控制权交给内存中Linux内核的第一行代码，Linux要将自己的剩余部分全部加载到内存、初始化所有的设备、在内存中建立好所需的数据结构（有关进程、设备、内存等）。到此为止，Linux内核已经控制了所有硬件设备系统部分操作和使用这些硬件设备。内核加载设备并启动init守护进程，init守护进程会根据配置文件加载文件系统、配置网络、服务进程、终端等。一旦终端初始化完毕，我们会看到系统的欢迎界面。Linux内核功能 进程管理（包括调度和通信）、内存管理、设备管理、虚拟文件系统、网络。 Linux内核良好的分层结构将硬件相关的代码独立出来。系统移植需要改动进程管理、内存管理和设备管理
15、中被独立出来的那部分与硬件相关的代码。虚拟文件系统和网络则几乎与平台无关，它们由设备管理中的驱动程序提供底层支持。 开发者在完成自己的内核代码后如何将源代码融入到Linux内核中，增加相应的Linux配置选项，并最终被编译进Linux内核。Linux的内核配置系统。内核移植 Linux系统采用单一内核机制，但具有平台无关性和可扩展性。将内核代码加入到Linux内核三个步骤。确定把自己开发的代码放入到内核中的位置；把自己开发的功能增加到Linux内核的配置选项中，使用户能够选择此功能；构建子目录Makefile，根据用户的选择，将相应的代码编译到最终生成的Linux内核中去。 内核编译与下载n编
16、译内核3个步骤： make dep 创建内核依赖关系 make zImage 创建内核镜像文件 make modules 创建内核模块n下载内核 。在下载内核前要保证BootLoader的正常运行，以VIVI为例。 （1）连接串口，在控制台下启动Minicom打开串口终端； （2）启动目标板，进入VIVI命令行工作模式； （3）执行“load flash kernel x”命令，开始下载内核； （4）在终端的等待状态下，先按下“Ctrl”不要松开，再按下“a”键，然后同时松开，再按下“s”键，进入下载模式； （5）选择Xmodem协议，下载结束，即可保存内核文件到Flash中。系统移植 当内核
17、在交叉编译成功后，加载到目标平台上正常启动，并出现类似VFS: Cant mount root file system的提示时，则表示可以开始系统移植方面的工作了。系统移植实际上是一个最小系统的重建过程。，在此使用目标平台上的二进制代码生成这个最小系统。包括：init、libc库、驱动模块、必需的应用程序和系统配置脚本。一旦这些工作完成，移植工作就进入联调阶段了。5.5 应用程序的调试在开发环境和操作系统建立后，就可以开始应用程序的开发了。应用程序的开发一般先在宿主机上调试完成，然后下载到目标板。为保证正常下载，必须建立可靠的连接。 建立连接应用程序的调试是在保证宿主机与目标机正确连接的基础上
18、进行的，连接的方式主要有串口连接、网络连接和JTAG口连接等方式。JTAG口的连接在前面章节已详细介绍，在此介绍串口连接和网络连接两种方式。编写应用程序 #include int main(void)printf(Hello, World! n);return 0;保存文件名为hello.c。在宿主机端编译并运行hello程序：gcc o hello hello.chello正确的结果将在主机的显示器上打印如下字符串：Hello，World！编译在目标机上运行的hello程序：arm-linux-gcc o hello hello.c如果在RedHat中运行，该程序将出现如下错误结果：hell
19、obash: hello: cannot execute binary file由于编译器采用的是arm-linux-gcc编译器，因此使用上述命令编译出来的程序只能在ARM处理器上运行，不能在X86平台下运行。 下载应用程序 应用程序的下载调试可以选择串口方式，也可以采用网络方式。对于支持USB的目标板，还可以借助U盘复制生成的可执行文件。1串口下载2网络下载 TFTP NFS调试应用程序 Linux包含了一个名为gdb的GNU调试程序，gdb是一个用来调试C和C+程序的强力调试器。通过gdb，在程序运行时观察程序的内部结构和内存的使用情况。以下是gdb所提供的一些功能： 启动程序，可以按照
20、自定义的要求灵活地运行程序； 可使被调试的程序停在所设置的断点处； 当程序停止运行时，可以检查此时程序的状况； 动态的改变程序的执行环境。gdb 这种方式运行gdb可以直接指定想要调试的程序。这将告诉gdb装入名为fname的可执行文件。 gdb调试命令n file装入想要调试的可执行文件；n kill终止正在调试的程序；n list列出产生执行文件的源代码的一部分；n next执行一行源代码但不进入函数内部；n step执行一行源代码而且进入函数内部；n run执行当前被调试的程序；n quit退出gdb；n watch监视一个变量的值，不管它何时被改变；n break设置断点，使程序执行到这里时被挂起；n make不必退出gdb就可以重新产生可执行文件；n shell不必退出gdb就可以执行UNIX shell命令。
