嵌入式系統(tǒng)設(shè)計arm的軟件分析

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

ARM的軟件分析

浙江大學(xué)鄭音飛

議程

ARM嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式linux在ARM中的應(yīng)用 ARM嵌入式系統(tǒng)的交叉編譯和調(diào)試技術(shù) ARM嵌入式系統(tǒng)的指令及編程基于ARM的嵌入式linux操作系統(tǒng)的移植一、ARM嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)知識操作系統(tǒng)內(nèi)核用戶界面基礎(chǔ)知識操作系統(tǒng)功能

程序運(yùn)行一個程序的運(yùn)行離不開操作系統(tǒng)的配合，其中包括指令和數(shù)據(jù)載入內(nèi)存，I/O設(shè)備和文件系統(tǒng)的初始化等等。

I/O設(shè)備訪問每種I/O設(shè)備的管理和使用都有自己的特點(diǎn)。而操作系統(tǒng)接管了這些工作，從而使得用戶在使用這些I/O設(shè)備的過程中會感覺更方便。

文件訪問文件訪問不僅需要熟悉相關(guān)I/O設(shè)備（磁盤驅(qū)動器等）的特點(diǎn)，而且還要熟悉相關(guān)的文件格式。另外，對于多用戶操作系統(tǒng)或者網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，從計算機(jī)安全角度考慮，需要對文件的訪問權(quán)限做出相應(yīng)的規(guī)定和處理。這些都是操作系統(tǒng)所要完成的工作。

系統(tǒng)訪問對于一個多用戶或者網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)而言，操作系統(tǒng)需要對用戶系統(tǒng)訪問權(quán)限做出相應(yīng)的規(guī)定和處理。

錯誤檢測和反饋當(dāng)操作系統(tǒng)運(yùn)行時，會出現(xiàn)這樣那樣的問題。操作系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)提供相應(yīng)的機(jī)制來檢測這些信息，并且能對某些問題給出合理的處理或者報告用戶。

系統(tǒng)使用紀(jì)錄在一些現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，出于系統(tǒng)性能優(yōu)化或者系統(tǒng)安全角度考慮，操作系統(tǒng)會對用戶使用過程紀(jì)錄相關(guān)信息。

程序開發(fā)一般操作系統(tǒng)都會提供豐富的API供程序員開發(fā)應(yīng)用程序，并且很多程序編輯工具，集成開發(fā)環(huán)境等等也都是通過操作系統(tǒng)提供的。操作系統(tǒng)內(nèi)核操作系統(tǒng)內(nèi)核的功能：（1）、內(nèi)存管理（2）、進(jìn)程與中斷管理（3）、調(diào)度機(jī)制（4）、I/O設(shè)備（5）、文件管理內(nèi)存管理功能一般而言，內(nèi)存管理需要完成以下功能：二次定址、保護(hù)、共享、邏輯組織和物理組織。內(nèi)存分割有

固定分割、動態(tài)分割、分頁和分段等四種內(nèi)存分割機(jī)制。虛擬內(nèi)存虛擬內(nèi)存機(jī)制基于分頁技術(shù)或者分頁與分段兩種技術(shù)的結(jié)合，它是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的一個顯著特征。虛擬內(nèi)存技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要有硬件支持，并得到操作系統(tǒng)配合共同完成，從而能夠提供給每個進(jìn)程一個幾乎不受限制的虛擬內(nèi)存空間。虛擬內(nèi)存機(jī)制的實(shí)現(xiàn)不僅需要操作系統(tǒng)方面的軟件支持，而且需要有相應(yīng)的硬件（MMU）支持，比如地址轉(zhuǎn)換功能支持等。內(nèi)存管理進(jìn)程與中斷管理

對每一個現(xiàn)代操作系統(tǒng)而言，其基本任務(wù)之一就是進(jìn)程管理。操作系統(tǒng)需要為進(jìn)程分配資源；實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間共享和交換信息；保護(hù)進(jìn)程資源；以及實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間同步，為此，操作系統(tǒng)需要為每一個進(jìn)程維護(hù)一個特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于描述該進(jìn)程的狀態(tài)和資源占用情況，從而實(shí)現(xiàn)對進(jìn)程的管理和控制。中斷是現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)普遍采用和支持的技術(shù)。因?yàn)橹袛囗憫?yīng)的本質(zhì)是占用一段處理器時間，必然與進(jìn)程有密切的聯(lián)系。幾乎所有的計算機(jī)系統(tǒng)都提供了中斷機(jī)制以便讓系統(tǒng)中的其它模塊能夠中斷正在執(zhí)行中的進(jìn)程從而完成一些緊急任務(wù)，這就是中斷。最常見的中斷類型主要有四類，即軟件中斷、定時中斷、I/O中斷和硬件故障。

中斷會引發(fā)一系列的事件發(fā)生。中斷的一般處理流程如下：第一步，某個中斷源（如軟件、I/O、定時器甚至是硬件故障）向處理器發(fā)出中斷信號；第二步，處理器在響應(yīng)中斷之前完成當(dāng)前指令；第三步，處理器檢測是否存在中斷，并發(fā)給中斷源一個確認(rèn)信號，這個確認(rèn)信號可以讓中斷源撤出其中斷信號；第四步，處理器將處理器時間交給中斷處理例程之前需要做一些準(zhǔn)備工作，這其中主要包括保存在中斷點(diǎn)時當(dāng)前程序的狀態(tài)。最低限度的保存信息應(yīng)該包括程序狀態(tài)字信息和當(dāng)前程序下一條指令的地址；第五步，處理器執(zhí)行中斷處理例程；第六步，中斷例程執(zhí)行完畢后，處理器保存與中斷例程相關(guān)的必要信息，處理器恢復(fù)被中斷程序在中斷點(diǎn)時的狀態(tài)；第七步，處理器繼續(xù)原來的指令執(zhí)行過程。調(diào)度機(jī)制

在計算機(jī)系統(tǒng)中，最寶貴并且最容易引起各進(jìn)程競爭的資源就是處理器。如何公平合理地分配給各進(jìn)程足夠的處理器時間，并且盡可能提高處理器的利用率同樣是操作系統(tǒng)原理研究的重要內(nèi)容。而這個任務(wù)是由操作系統(tǒng)的調(diào)度機(jī)制完成的。調(diào)度類型分為：單處理器調(diào)度，多處理器調(diào)度和實(shí)時調(diào)度都會遇見的三種類型，即長期調(diào)度、中期調(diào)度和短期調(diào)度。I/O設(shè)備

I/O設(shè)備作為計算機(jī)系統(tǒng)與外界的交互和通訊媒介，其管理和控制也不容忽視。而且，由于I/O設(shè)備千差萬別，這就給操作系統(tǒng)的I/O設(shè)備管理和控制造成了不少的難度和麻煩。

I/O設(shè)備盡管很多，但是我們可以根據(jù)其信息傳遞的發(fā)送者和接收者的不同來將其分為三類，即人機(jī)交互型、計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)交互型、通訊類型。其中人機(jī)交互型I/O是指用于人機(jī)交互的I/O設(shè)備，如，顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)或者打印機(jī)；而對計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)交互型I/O而言，所傳遞信息只是計算機(jī)內(nèi)部可識別的，如，磁盤驅(qū)動器、傳感器、控制器等；而通訊類型I/O則用于計算機(jī)系統(tǒng)與外部設(shè)備的交互，這樣的I/O設(shè)備包括調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)卡等等。文件管理

文件管理的核心部分是文件系統(tǒng)。它對操作系統(tǒng)的性能影響頗大。現(xiàn)在人們已經(jīng)提出了很多不同類型的文件系統(tǒng)，形成了操作系統(tǒng)研究與實(shí)踐的一道亮麗的風(fēng)景線。幾個常用的概念：文件是一些相似紀(jì)錄的集合。文件都有一個唯一標(biāo)示的文件名，應(yīng)用程序或用戶可以通過它來對文件定位。文件系統(tǒng)向用戶或程序提供一個使用文件的統(tǒng)一界面，從而能夠使得對文件的各類操作能夠在更加抽象更加簡便的層次上進(jìn)行。文件組織是指其中紀(jì)錄的邏輯結(jié)構(gòu)。文件組織類型有堆文件、順序文件、索引順序文件、快速文件等五種組織類型。

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)的應(yīng)用開始面向普通大眾。字符型用戶界面產(chǎn)生了。Linux的控制臺、DOS的命令提示符狀態(tài)等等都是字符型用戶界面的典型代表。在字符型用戶界面，界面的基本顯示單元是ASCII編碼的字符。當(dāng)然，通過精細(xì)編程，字符型用戶界面也可以達(dá)到很好的交互。但是，由于基本顯示單元是字符，并不能得到靈活自然的效果。圖形用戶界面的引入，使得計算機(jī)的交互能力得到顯著增強(qiáng)。在蘋果公司第一次引入圖形用戶界面的時候，人們因?yàn)樗鼤母嗟挠嬎銠C(jī)資源而為它的前途擔(dān)憂。但是在微軟公司的極力倡導(dǎo)下，圖形用戶界面技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用和完善，各類圖形用戶界面層出不窮。而微軟公司也因?yàn)槠洳捎昧藞D形用戶界面的Windows95系統(tǒng)而開始登上操作系統(tǒng)領(lǐng)域的霸主地位。用戶界面

圖形用戶界面圖形用戶界面（GUI）是迄今為止計算機(jī)系統(tǒng)中最為成熟的人機(jī)交互技術(shù)。GUI分為以下幾個模塊：底層I/O設(shè)備驅(qū)動（顯示設(shè)備驅(qū)動、鼠標(biāo)驅(qū)動、鍵盤驅(qū)動等）、基本圖形引擎（畫點(diǎn)、畫線、區(qū)域填充）、消息驅(qū)動機(jī)制、高層圖形引擎（畫窗口、畫按鈕）以及GUI應(yīng)用程序接口（API）。智能化用戶界面智能化用戶界面是將人工智能技術(shù)融入到用戶界面中去的產(chǎn)物?，F(xiàn)在比較成熟的智能化用戶界面技術(shù)有語音輸入、手寫識別。而正在蓬勃興起的是利用Agent技術(shù)對用戶界面的改造和提升上。議程

ARM嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式linux在ARM中的應(yīng)用 ARM嵌入式系統(tǒng)的交叉編譯和調(diào)試技術(shù) ARM嵌入式系統(tǒng)的指令及編程基于ARM的嵌入式linux操作系統(tǒng)的移植嵌入式linux在ARM中的應(yīng)用嵌入式linux內(nèi)核嵌入式設(shè)備的文件系統(tǒng)嵌入式用戶界面驅(qū)動程序舉例嵌入式linux內(nèi)核

嵌入式Linux主要可以分為兩類：第一類是在利用Linux強(qiáng)大功能的前提下，使它盡可能的小，以滿足許多嵌入式系統(tǒng)對體積的要求，如uClinux；第二類是將Linux開發(fā)成實(shí)時系統(tǒng)尤其是硬（firm）實(shí)時系統(tǒng)，應(yīng)用于一些關(guān)鍵的控制場合，如RTLinux、HardHatLinux等。

uCLinux的設(shè)計思想就是通過對標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核的裁減，去除虛擬內(nèi)存管理部分代碼，并且對內(nèi)存分配進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到提高系統(tǒng)運(yùn)行效率的目的。它經(jīng)過各方面的小型化改造，形成了一個高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux，雖然它的體積很小，但是仍然保留了Linux的大多數(shù)的優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對各種文件系統(tǒng)的支持、以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的API。(1)通用LinuxAPI(2)內(nèi)核體積＜512KB(3)內(nèi)核+文件系統(tǒng)＜900KB(4)完整的TCP/IP協(xié)議棧(5)支持大量其它的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(6)支持各種文件系統(tǒng)，包括NFS、ext2、ROMfsandJFFS、MS-OS和FAT16/32嵌入式設(shè)備的文件系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)需要一種以結(jié)構(gòu)化格式存儲和檢索信息的方法；這就需要文件系統(tǒng)的參與。嵌入式存儲設(shè)備通常主要是RAM和作為永久存儲媒質(zhì)的Flash。用戶可以根據(jù)可靠性、健壯性和增強(qiáng)功能等需求來選擇這些設(shè)備的文件系統(tǒng)的類型.第二版擴(kuò)展文件系統(tǒng)Ext2fs（Extended2Filesystem）

Ext2FS的優(yōu)點(diǎn)在于：Ext2FS支持達(dá)4TB的文件容量。Ext2FS文件名稱最長可達(dá)1012個字符。當(dāng)創(chuàng)建文件系統(tǒng)時，管理員可以選擇邏輯塊的大?。ㄍǔ４笮】蛇x擇1024、2048和4096字節(jié)）。Ext2FS實(shí)現(xiàn)快速符號鏈接：不需要為此目的而分配數(shù)據(jù)塊，并且將目標(biāo)名稱直接存儲在索引節(jié)點(diǎn)（inode）表中。這使得文件系統(tǒng)的性能有所提高，特別是在訪問速度上。臨時文件系統(tǒng)tmpfs（TemporaryFilesystem）

MPFS有以下優(yōu)點(diǎn)：動態(tài)的文件系統(tǒng)大?。何募到y(tǒng)的體積可以根據(jù)復(fù)制、創(chuàng)建或刪除的文件或目錄數(shù)量來縮小或放大。這使得內(nèi)存的使用非常合理?？焖伲阂?yàn)門MPFS是駐留在RAM中的，所以讀寫幾乎都是瞬時完成。即使以交換的形式存儲文件時，由于I/O操作的快速，仍能保證足夠快的速度。TMPFS的一個缺點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)重新引導(dǎo)時會丟失所有數(shù)據(jù)。因此，重要的數(shù)據(jù)、需要永久保存的數(shù)據(jù)是不能存儲在TMPFS文件系統(tǒng)上的日志FALSH文件系統(tǒng)(JFFS)

JFFS2在扇區(qū)級別上執(zhí)行FLASH的擦除、寫、讀操作，在適應(yīng)FLASH芯片特性上要比Ext2FS文件系統(tǒng)更好。JFFS2提供了比Ext2FS更好的掉電崩潰保護(hù)。Ext2FS文件系統(tǒng)在修改少量數(shù)據(jù)時，是將整個扇區(qū)復(fù)制到內(nèi)存中，在內(nèi)存中組合成新數(shù)據(jù)，在寫回整個扇區(qū)。顯然，當(dāng)FLASH芯片的扇區(qū)較大時，這樣做的效率是非常低的。由于在數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存后就擦除了FLASH的相應(yīng)扇區(qū)，如果不幸在內(nèi)存中組合數(shù)據(jù)時發(fā)生了電源故障或其它事故，那么將丟失整個數(shù)據(jù)集合。但是，JFFS2文件系統(tǒng)是附加文件而不是重寫整個扇區(qū)，避免了這一點(diǎn)。并且JFSS2具有掉電崩潰保護(hù)功能。JFFS2是專門為FLASH芯片這樣的嵌入式文件設(shè)備設(shè)計的，所以它的設(shè)計已經(jīng)提供了良好的FLASH芯片管理功能。嵌入式用戶界面

從用戶的觀點(diǎn)來看，圖形用戶界面（GUI）是系統(tǒng)的一個最至關(guān)重要的方面：用戶通過GUI與系統(tǒng)進(jìn)行交互，所以GUI應(yīng)該易于使用并且非?？煽?。此外，它不能占用太多的內(nèi)存，以便在內(nèi)存受限的微型嵌入式設(shè)備上無縫執(zhí)行。所以，它應(yīng)該是輕量級的，并且能夠快速裝入。

Microwindows

Microwindows是CenturySoftware的開放源代碼項(xiàng)目，設(shè)計用于帶小型顯示單元的微型設(shè)備。Microwindows體系結(jié)構(gòu)是基于客戶機(jī)/服務(wù)器（Client/Server）的。它具有分層設(shè)計：最底層是屏幕和輸入設(shè)備驅(qū)動程序（關(guān)于鍵盤或鼠標(biāo)）來與實(shí)際硬件交互。在中間層，可移植的圖形引擎提供對線的繪制、區(qū)域的填充、多邊形、裁剪以及顏色模型的支持。在最上層，Microwindows支持兩種API：win32/WinCEAPI實(shí)現(xiàn)，稱為Microwindows；另一種API與GDK非常相似，它稱為Nano-X。Nano-X用在Linux上。它是象X的API，用于占用資源少的應(yīng)用程序。Qt/EmbeddedQt/Embedded是Trolltech新開發(fā)的用于嵌入式Linux的圖形用戶界面系統(tǒng)。Trolltech最初創(chuàng)建Qt作為跨平臺的開發(fā)工具用于Linux臺式機(jī)。它支持各種有UNIX特點(diǎn)的系統(tǒng)以及MicrosoftWindows。作為最流行的Linux桌面環(huán)境之一的KDE就是用Qt編寫的。它的優(yōu)點(diǎn)包括：(1)面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)有助于更快地執(zhí)行(2)占用很少的資源，大約800K(3)抗鋸齒文本和混合視頻的象素映射它的缺點(diǎn)是：Qt/Embedded和Qpe只能在獲得商業(yè)許可證的情況下才能使用。驅(qū)動程序舉例

簡單起見，我們以一個按鍵的實(shí)現(xiàn)為例來講述驅(qū)動的編寫。平臺上的一個按鍵和外部中斷IRQ6相連，當(dāng)按鍵按下時，引腳輸入低電平觸發(fā)中斷。下面我們來看驅(qū)動程序的設(shè)計。設(shè)備初始化驅(qū)動程序在init_keyboard()中實(shí)現(xiàn)向系統(tǒng)注冊主次設(shè)備號，設(shè)備名，并初始化寄存器，如下：voidinit_dev_set(void){ICR=0x00;//低電平觸發(fā)中斷PDDIR=0x80;//設(shè)置PD7為輸入PDSEL=0x80;//PD7作為I/O與外部連接PDKBEN=0x00;//鍵盤中斷使能}intinit_keyboard(void){#definekeyboard_major50//手動分配主設(shè)備號為50#definekeyboard_minor0//次設(shè)備號為0intrc;rc=register_chrdev(keyboard_major,"keyboard",&keyboard_fops);elseinit_dev_set();returnrc;};注冊中斷和中斷處理程序

在open函數(shù)中向內(nèi)核注冊中斷，如下：staticintkeyboard_open(structinode*inode,structfile*file)rc=request_irq(IRQ_MACHSPEC|IRQ6_IRQ_NUM,keyboard_interrupt,IRQ_FLG_STD,“keyboard-IRQ”,NULL/*Userdata!!!*/);//向內(nèi)核注冊中斷if(rc)//返回值不為零，則注冊失敗

{printk("keyboard-Driver:Errorwhileinstallinginterrupthandler\n");return-ENODEV;};MOD_INC_USE_COUNT;return0;staticvoidkeyboard_interrupt(intirq,void*dev_id,structpt_regs*regs){//中斷處理程序ISR|=(1<<18);wake_up_interruptible(&wq);/*喚醒隊(duì)列*/}read的實(shí)現(xiàn)

staticintkeyboard_read(structinode*inode,structfile*file,char*buffer,intsize)

{char*ch;#ifdefDEBUGprintk("I'mreadingthedevice!\n");/*調(diào)用讀函數(shù)時的調(diào)試信息*/#endifinterruptible_sleep_on(&wq);#ifdefDEBUGprintk(“I'mwakeup!\n");#endifreturn0;}議程

ARM嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式linux在ARM中的應(yīng)用

ARM嵌入式系統(tǒng)的交叉編譯和調(diào)試技術(shù) ARM嵌入式系統(tǒng)的指令及編程基于ARM的嵌入式linux操作系統(tǒng)的移植ARM嵌入式系統(tǒng)的交叉編譯和調(diào)試技術(shù)基本知識交叉編譯技術(shù)調(diào)試技術(shù)基本知識

我們在編寫計算機(jī)程序時所用的編程語言多為高級語言，如C/C++、Java等，而計算機(jī)只能執(zhí)行機(jī)器代碼，因此需要一種工具來完成從源程序到機(jī)器代碼的轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換工具就是編譯器。編譯器是將一種語言翻譯成另一種語言的計算機(jī)程序,它將源程序作為輸入，產(chǎn)生用目標(biāo)語言編寫的等價（有時經(jīng)過優(yōu)化）程序。目標(biāo)語言可以是機(jī)器代碼，也可以是另一種語言,比如匯編等。編譯的一般過程:（1）詞法分析：輸入源程序，通過對源程序字符串的掃描和分解，將其轉(zhuǎn)化成一個一個的單詞符號，這些單詞符號構(gòu)成一個單詞序列。單詞符號是語言的基本組成部分。（2）語法分析：把詞法分析的單詞符號串分解成一個一個的句型或者句子，確定輸入的單詞符號串是否符合給定的語法。（3）語義分析：給出各個句型和句子的含義。（4）中間代碼生成：把不同的句型和句子按照高級語言的語義翻譯成中間代碼。（5）中間代碼優(yōu)化：遵循程序等價變換的原則，把中間代碼加工變換成節(jié)省運(yùn)行時間和存儲空間的目標(biāo)中間代碼。（6）目標(biāo)代碼生成：實(shí)現(xiàn)最后的轉(zhuǎn)換，把中間代碼轉(zhuǎn)換成特定的機(jī)器語言。交叉編譯技術(shù)交叉編譯隨著硬件平臺和操作系統(tǒng)的多樣化，軟件向不同平臺移植的工作變得越來越繁復(fù)。交叉編譯技術(shù)的引入為軟件的不同平臺移植創(chuàng)造了便利條件。在交叉編譯技術(shù)中有兩種比較典型的實(shí)現(xiàn)，一個我們稱之為Java模式，即Java的字節(jié)碼編譯技術(shù)；另外一個我們稱之為GNUGCC模式，即通常所講的CrossGCC技術(shù)。調(diào)試技術(shù)

有很多方法可以用來監(jiān)控運(yùn)行著的用戶空間程序：可以為其運(yùn)行調(diào)試器并單步調(diào)試該程序，添加打印語句，或者添加工具來分析程序。下面將介紹幾種可以用來調(diào)試Linux上運(yùn)行的程序的方法。順帶介紹四種調(diào)試問題的情況，這些問題包括段錯誤，內(nèi)存溢出和泄漏，還有掛起。內(nèi)存調(diào)試內(nèi)存泄漏（即malloc()內(nèi)存在對應(yīng)的free()調(diào)用執(zhí)行后永不被釋放）和緩沖區(qū)溢出（例如對以前分配到某數(shù)組的內(nèi)存進(jìn)行寫操作）是一些常見的問題。介紹2種調(diào)試內(nèi)存的工具：（1）、MEMWATCHMEMWATCH由JohanLindh編寫，是一個開放源代碼C語言內(nèi)存錯誤檢測工具，您可以自己下載它。只要在代碼中添加一個頭文件并在gcc語句中定義了MEMWATCH之后，您就可以跟蹤程序中的內(nèi)存泄漏和錯誤了。MEMWATCH支持ANSIC，它提供結(jié)果日志紀(jì)錄，能檢測雙重釋放（double-free）、錯誤釋放（erroneousfree）、沒有釋放的內(nèi)存（unf