嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺的構(gòu)建和實現(xiàn)

摘    要: 本文從軟硬件兩方面介紹了構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺的基本思路，并給出了一套實現(xiàn)方案。該平臺硬件部分低成本、擴展性強、升級方便；軟件部分功能豐富，操作系統(tǒng)內(nèi)核基于開放源代碼的mClinux系統(tǒng)，成熟穩(wěn)定，GUI支持中文。
我們從硬件/軟件協(xié)同設計的角度出發(fā)，構(gòu)建和實現(xiàn)了一套基于Linux系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺，包括硬件設計平臺和軟件開發(fā)平臺兩部分。利用該平臺可以方便地進行有關嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)，是一套廉價而全面的解決方案。

硬件設計平臺
硬件平臺由基本系統(tǒng)(包括CPU和存儲器)加上外圍接口電路模塊構(gòu)成?；鞠到y(tǒng)為操作系統(tǒng)內(nèi)核提供一個最小的調(diào)試和運行環(huán)境，外圍接口模塊包括目前應用較為廣泛的多種硬件接口電路，如LCD液晶顯示模塊、觸摸屏模塊、CF卡模塊、USB模塊、以太網(wǎng)模塊、IC卡模塊等，可以方便地根據(jù)開發(fā)者的需求進行選擇使用。硬件設計平臺基本框架如圖1所示。
目前，硬件平臺基于摩托羅拉公司的DragonBall EZ328(16MHz)微處理器，主要配置包括8MB EDO DRAM、4MB FLASH、320×240像素單色LCD、6個輸入按鍵、一路RS232接口、一路10M以太網(wǎng)接口等。EZ328是一款得到了廣泛應用的32位嵌入式微處理器，內(nèi)部集成了大量的功能模塊，并且具有較強的擴展能力。EZ328取消了內(nèi)存管理單元(MMU),降低了硬件成本及運行功耗。EZ328所支持的引導模式也極大地方便了系統(tǒng)的調(diào)試。在我們的開發(fā)板上，只要驅(qū)動EZ328的EMUBRK引腳為低電平并執(zhí)行系統(tǒng)復位，就可使EZ328進入引導模式,其內(nèi)建的引導程序就會開始運行，初始化芯片上集成的UART控制器并準備接收數(shù)據(jù)。這樣開發(fā)者就可以通過UART控制器寫寄存器來初始化開發(fā)板，然后下載程序到開發(fā)板的RAM和FLASH中運行調(diào)試。同時，硬件平臺CPU可方便地升級到VZ328(主頻33MHz，EZ328的后續(xù)產(chǎn)品)。而且，在EZ328硬件平臺上開發(fā)的軟件幾乎不需要修改就能使用在VZ328和ColdFire系列微處理器上，具有很廣的適用面。ColdFire微處理器主要應用于互聯(lián)網(wǎng)設備、LAN電話技術、低端網(wǎng)絡控制、工業(yè)控制、圖像和存儲等等。

圖1  硬件設計平臺基本框架

圖2 軟件開發(fā)環(huán)境

軟件開發(fā)平臺
軟件平臺由嵌入式Linux操作系統(tǒng)、嵌入式圖形用戶界面(GUI)、GNU交叉編譯調(diào)試工具組成。其中嵌入式Linux操作系統(tǒng)包括嵌入式Linux內(nèi)核，ROM/RAM文件系統(tǒng)。選用Linux是因為Linux高度模塊化，容易定制，具有很高的可移植性。
軟件平臺所實現(xiàn)的嵌入式Linux系統(tǒng)內(nèi)核是在mCLinux系統(tǒng)的基礎上移植而來的。它是專門面向沒有MMU的CPU的Linux操作系統(tǒng)，并且專為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作，得到了廣泛的應用，新型的藍牙網(wǎng)絡設備也采用了mClinux操作系統(tǒng)。mCLinux作為一個高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux，雖然體積很小，但仍然保留了Linux的大多數(shù)優(yōu)點：穩(wěn)定、良好的移植性，優(yōu)秀的網(wǎng)絡功能，完備的對各種文件系統(tǒng)的支持，以及標準豐富的API。在我們的開發(fā)平臺上，移植的操作系統(tǒng)內(nèi)核大小約400KB，提供了通用Linux API和完整的TCP/IP 協(xié)議棧，實現(xiàn)了對NFS、ext2、ROMfs、JFFS文件系統(tǒng)的支持。
GUI采用了MicroWindows，具有中文本地化支持，包括GB2312 等字符集的支持，中文輸入法等等。在其上又開發(fā)了基于FLTK的嵌入式GUI圖形包，提供了比較完善的圖形功能，如對菜單、按鈕、滾動條等多種GUI控件的支持。
采用這種圖形包，我們已開發(fā)出大小僅1MB的嵌入式中文Web瀏覽器，并且正在集成清華文通的中文手寫輸入軟件。
交叉編譯調(diào)試工具采用通用的Linux開發(fā)套件—GNU開發(fā)套件，包括了一系列的開發(fā)調(diào)試工具。主要組件有：
● Gcc—編譯器，可以做成交叉編譯的形式，即在宿主機上開發(fā)編譯目標板上可運行的二進制文件。
● Binutils—輔助工具，包括objdump(可以反編譯二進制文件)，as(匯編編譯器)，ld(連接器)等等。
● Gdb—調(diào)試器，可使用多種交叉調(diào)試方式，包括使用串口和以太網(wǎng)調(diào)試。

開發(fā)環(huán)境
本嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺的GNU開發(fā)套件運行于桌面Linux操作系統(tǒng)。開發(fā)者首先使用Gcc和Gdb編譯和調(diào)試bootloader程序；再通過串口將宿主機和目標板連接起來，使EZ328進入引導模式，通過一個簡單的perl程序?qū)⒄{(diào)試好的Bootloader程序下載到目標板的RAM中，作為monitor監(jiān)控程序，同時在宿主機上啟動minicom和它進行串口通信，對Linux內(nèi)核及驅(qū)動進行下載和調(diào)試；一旦Linux內(nèi)核在目標板上運行并初始化以太網(wǎng)接口，再由網(wǎng)線將宿主機和目標板連接起來(如圖２所示)。通過以太網(wǎng)，開發(fā)者可以使用NFS文件系統(tǒng)安裝上宿主機的硬盤，這樣目標板就可以通過以太網(wǎng)對宿主機的硬盤直接進行操作，不需下載即可調(diào)試程序；若Linux內(nèi)核啟動了遠程登錄服務，開發(fā)者還可以登錄到目標板上調(diào)試應用程序。

結(jié)語
嵌入式系統(tǒng)具有集成度高、體積小、反應速度快、智能化、穩(wěn)定性高及可靠性強等特點，應用十分廣泛。追蹤國外嵌入式系統(tǒng)領域的先進技術，根據(jù)國情研發(fā)自己的嵌入式系統(tǒng)軟硬件平臺，對提高國內(nèi)的嵌入式系統(tǒng)研究水平非常重要。在現(xiàn)有的這套開發(fā)平臺上，我們已經(jīng)為有關單位完成了電子書(Ebook)項目的研制，同時開展了嵌入式操作系統(tǒng)實時性的研究，整個平臺具有良好的使用效果和應用前景。