基于ARM Linux 嵌入式系统开发环境的快速构建方法* ①

2015-04-13陶维成姚学军

佳木斯大学学报（自然科学版） 2015年1期

陶维成，姚学军

(芜湖职业技术学院软件创新中心，安徽芜湖241006)

0 引言

近年来，嵌入式系统广泛应用于移动智能、物联网、可穿戴计算、智慧城市等新兴领域.2014 年8月，在中国深圳举行的一年一度工业计算机及嵌入式系统展上，最受关注的是利用嵌入式系统技术作为物联网、智能家居等相关的智能化硬件解决方案［1］.嵌入式系统除了应用于新兴领域外，在传统行业也得到了进一步应用，如工业控制、安防、航空航天、智能家居、智能交通等，在当前的生产生活中，嵌入式系统无处不在［2～3］.

随着嵌入式系统技术和应用的不断发展和深入，从事嵌入式系统研究与开发的人员将越来越多，构建好嵌入式系统开发平台是进行研究、开发的重要基础环节.由于嵌入式系统开发环境相对于传统的PC 开发环境较为复杂，当前国内外尚无此类集成开发环境(IDE)，鉴于此，本文以ARM S3C2440 作为开发板，以内核为Linux 2.6 的Linux作为嵌入式操作系统，快速构建嵌入式系统开发环境，其它嵌入式处理器、嵌入式操作系统，如ARM系列、MIPS，以及μC/OS、WinCE、Andorid 等，其构建方法和原理基本相同，本文不再赘述.最后，对构建的开发平台进行了测试，以及下一步工作.

1 构建嵌入式系统开发环境

在构建嵌入式系统开发环境时，事前在软件、硬件及其它工具方面应做一些准备工作，然后按照步骤，快速构建起嵌入式系统开发环境，实现开发产品的功能.

1.1 软硬件开发工具

在构建嵌入式系统开发平台时，需要准备基本软硬件工具.软件工具主要有:Linux 2.4 内核以上的操作系统及源代码、WindowsXP 或Window 7、VMware、FTP、GCC 交叉编译工具、JTAG 驱、串口通讯工具、Bootloader 源代码，如VIVI 或Uboot 或其它的BootLoaer 等.

硬件工具主要有:一台带有串口的PC 机用作主机ARM 目标板、串口线、交叉或直通以太网线、USB 数据线等.

构建完成后的嵌入式系统开发平台如图1 所示.

1.2 嵌入式系统开发环境构建步骤

构建嵌入式系统开发环境步骤包括:建立硬件环境;建立交叉编译环境;Bootloaer 的编译与移植;Linux 内核裁剪、编译与移植;根文件系统的建立与移植;验证性测试等.

1.2.1 主机工具配置与硬件环境的建立

主机上需具备的环境主要有:Windows XP 或Windows 7、安装虚拟机VMware6.0 以上版本、串口通讯工具，如超级终端或SecureCRT 或Linux minicom 等，在虚拟机中安装Linux 2.4 以上版本或安装双操作系统.其中，串口属性设置为:波特率为“115200”、数据位为“8”、奇偶校验为“无”、停止位为“1”、数据流控制为“无”.

硬件环境包括:(1)开发板串口与主机串口相连接;(2)开发板网口与主机网口连接;(3)JTAG与开发板相连，将开发板上的JTAG 打到JTAG 开关，以便用来烧写BootLoader.

1.2.2 Linux 内核的裁剪与移植

(1)建立交叉编译环境

下载与Linux 操作系统内核版本相对应的交叉编译工具到指定的目录下，如/usr/local/arm/cross－2.95.3.tar.bz2，解开交叉编译工具包，tar xjvf cross－2.95.3.tar.bz2.为了在任一目录都能执行交叉编译器，需要配置环境变量，使内核和其它应用程序均可使用诸如arm－linux－xx 来指定使用该交叉编译器.在/etc/profile 文件中添加交叉编译器的执行路径，如/usr/local/arm/2.95.3/bin，或在/.bashrc 中添加export PATH = /usr/local/arm/2.95.3/bin/:$PATH.

图1 嵌入式系统开发平台

(2)BootLoader 编译与烧写

BootLoader 的作用主要有:将操作系统内核从flash 拷贝到RAM 空间，并执行内核;初始化硬件;提供写入flash 的功能;基于命令的用户操作界面.

准备BootLoader 源文件，本文以VIVI 为例，其源代码包为vivi.tar.gz.将源代码包拷贝到相应目录下并解包，如tar xzvf/usr/local/arm/myarm/vivi.tar.gz.解完包之后，到vivi 目录下，用make menuconfig 对bootloader 进行配置，快速方法是选择默认配置文件，然后使用make 进行编译，编译完成后，在vivi 目录下生成一个名为vivi 的二进制文件.

用JTAG 烧写vivi 到开发板，执行JTAG 相应的命令，如Jflash/f:vivi，此后出现三次要求输入参数，第一次是让选择Flash，选0;第二次是选择JTAG 对flash 的两种功能，也选0;第三次是让选择起始地址，选0.此后等待大约3 ～5min 的烧写时间，当VIVI 烧写完毕后选择参数2，退出烧写，如图2 所示.

图2 Bootloaer 烧写

(3)Linux 内核配置、编译与移植

下载Linux 所需版本内核源代码包到指定目录下，解开包之后，产生一个名为kernel 源码目录.在进行嵌入系统开发时，应根据产品软硬件实际需求，对Linux 内核进行定制，最大程度缩小内核体积，可用可视化方式进行裁剪，make menuconfig，如图3 所示.

图3 Linux kernel 配置界面

当内核配置完成之后，接着就是编译内核，其命令为make clean、make dep、make zIame，当编译成功之后，生成zImage 文件，该文件位置在内核源码下的arch/arm/boot 下面.

通过串口写入内核到开发板.复位开发板，按空格键，进入vivi，输入:vivi ＞load flash kernel x 回车，如图4 所示.

图4 通过串口移植Linux 内核

1.2.3 移植根文件系统

准备好或自己制作根文件系统，通过串口或USB 下载到开发板上的flash 相应分区中，下载方法与内核烧写相同.vivi ＞load flash root x 回车.

当文件系统下载完成时，此时一个基于Linux的嵌入式系统开发环境基本构建完成.但需要注意的是，要实现主机、开发板之间互联互通，简单而又实用的办法是计算机网络通信，因而需要将它们组建成一个局域网，以便开发文件能够上传、下载和远程控制.

此外，开发人员应能较熟练使用Linux 常用命令、工具和服务、C/C++语言、GCC 编译器等.

2 字符设备驱动程序示例

字符设备是Linux 嵌入式系统主要设备之一，Linux 设备分为三类，一类为字符设备，如触摸屏、超声波传感器、红外传感器等，一类为块设备，如flash、硬盘等，一类为网络设备［4］.这些设备需要相应的驱动程序来驱动，在Linux 中，驱动程序是内核的一部分.在整个嵌入式系统中，驱动程序的设计与开发属于板级支持包(BSP)范畴［5］.

驱动程序开发包括两个部分，一是底层驱动设计，一是上层应用测试.一个Linux 字符设备驱动程序主要包括4 个部分:(1)所需要的头文件;(2)对设备的操作:打开(open)、控制(control)、关闭(close)等;(3)文件的操作(file_operations);(4)设备的注册与初始化、卸载(module_init、module_exit).下面以一LED 设备驱动为例给出Linux 字符设备驱动程序架构.

(1)头文件部分