慶幸的是,，GNU所倡導(dǎo)的自由軟件給開發(fā)者帶來了福音。1984 年,，旨在開發(fā)一個類似 Unix 的,，并且是完全免費的完整操作系統(tǒng)和配套工具：GNU 系統(tǒng)（發(fā)音為"guh-NEW"）。GNU的操作系統(tǒng)和開發(fā)工具都是免費的,，遵循GNU 通用公共許可證 (GPL)協(xié)議,，任何人都可以從網(wǎng)上獲取全部的源代碼。關(guān)于GNU和公共許可證協(xié)議的詳細資料,，讀者可參看GNU網(wǎng)站的中文介紹：http://www./home.cn.html,。

　　除了大家熟知的Linux操作系統(tǒng)外，GNU的軟件還包括編譯器（gcc,，g++）,、二進制轉(zhuǎn)換工具（objdump，objcopy）,、調(diào)試工具（gdb,，gdbserver，kgdb）和基于不同硬件平臺的開發(fā)庫,。GNU開發(fā)工具的主要缺點是采用命令行方式,，用戶掌握和使用比較困難，不如基于 Windows系統(tǒng)的開發(fā)工具好用,。但是,，GNU工具的復(fù)雜性是由于它更貼近編譯器和操作系統(tǒng)的底層，并提供了更大的靈活性,。一旦學(xué)習(xí)和掌握了相關(guān)工具,，也就了解了系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)知識，為今后的開發(fā)工作打下基礎(chǔ),。GNU的開發(fā)工具都是免費的,，遵循GPL協(xié)議，任何人都可以從網(wǎng)上獲取,。筆者參與了一個基于 ARM平臺的嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā),，采用的是摩托羅拉龍珠系列的MC928MX1。從測試代碼,、引導(dǎo)程序,、嵌入式Linux移植,、應(yīng)用程序、圖形界面都可以用GNU工具進行開發(fā),，不需要在開發(fā)工具上做額外的投入,。本文所介紹的開發(fā)方法同樣適用于其它公司的基于ARM的產(chǎn)品。

1 硬件平臺

　　MC928MX1（以下簡稱MX1）是摩托羅拉公司基于ARM核心的第一款MCU,，主要面向高端嵌入式應(yīng)用,。內(nèi)部采用ARM920T內(nèi)核，并集成了 SDRAM/Flash,、LCD,、USB、藍牙（bluetooth）,、多媒體閃存卡（MMC）,、CMOS攝像頭等控制器。關(guān)于MX1的詳細資料,，感興趣的讀者可以參考http://www./semiconductors/,。作為應(yīng)用開發(fā)的最小系統(tǒng)必須包括RAM（程序運行空間）、Flash（存放目標(biāo)代碼）和串行接口（用于調(diào)試和下載程序）,。MX1提供了6個片選端（CS0~CS5）,，內(nèi)置了SDRAM控制器，數(shù)據(jù)寬度 32位,。在筆者的系統(tǒng)中采用了2片8M×16位的SDRAM和2片4M×16位的同步Flash存儲器,，分別接入數(shù)據(jù)線的低16位和高16位，如圖1所示,。

　　圖1中SDRAM接片選端CS2,，F(xiàn)lash接片選端CS3，其余為SDRAM/Flash的控制信號,。最小系統(tǒng)還包括至少1個串行接口,，可以采用MX1內(nèi)置的UART控制器，圖略,。

2 自舉模式

　　目前,，許多嵌入式處理器都提供了自舉模式（Bootstrap），供用戶寫入引導(dǎo)代碼,。自舉模式利用了固化在芯片內(nèi)部的一段引導(dǎo)程序,，當(dāng)處理器復(fù)位時，如果在特定引腳上加信號,，則處理器將在復(fù)位后執(zhí)行固化ROM中的程序。例如,，MX1提供了4條復(fù)位引腳,，復(fù)位時引腳不同的電平組合可以從不同的片選端啟動系統(tǒng),。自舉ROM中的程序完成串口的初始化，然后等待用戶從串口寫入用戶代碼,。自舉模式所能接受的是一種專門格式的文本文件,，包括數(shù)據(jù)和要寫入/讀出的地址。關(guān)于自舉模式的代碼格式,，可參考相關(guān)芯片的手冊,。在摩托羅拉的網(wǎng)站還提供了許多小工具，幫助開發(fā)者將其它格式的文件轉(zhuǎn)換成為自舉模式格式,。通過自舉模式下載的通常是一段和上位機軟件（如超級終端）通信的程序,，完成接收數(shù)據(jù)并寫入Flash的操作。寫入的數(shù)據(jù)可以是用戶自己的應(yīng)用程序,、數(shù)據(jù)或者操作系統(tǒng)的內(nèi)核,。通過自舉模式下載的引導(dǎo)程序同樣可以用GNU工具開發(fā)。

3 GNU的編譯器和開發(fā)工具

　　GNU提供的編譯工具包括匯編器as,、C編譯器gcc,、C++編譯器g++、連接器ld和二進制轉(zhuǎn)換工具objcopy,?；贏RM平臺的工具分別為 arm-linux-as、arm-linux-gcc,、arm-linux-g++,、arm -linux-ld 和arm-linux-objcopy。GNU的所有開發(fā)工具都可以從www.上下載,，基于ARM的工具可以從 www.uclinux.org獲得,。GNU的編譯器功能非常強大，共有上百個操作選項,，這也是這類工具讓初學(xué)者頭痛的原因,。不過，實際開發(fā)中只需要用到有限的幾個,，大部分可以采用缺省選項,。GNU工具的開發(fā)流程如下：編寫C、C++語言或匯編源程序,，用gcc或g++生成目標(biāo)文件,，編寫連接腳本文件，用連接器生成最終目標(biāo)文件（elf格式）,，用二進制轉(zhuǎn)換工具生成可下載的二進制代碼,。GNU工具都運行在Linux下，開發(fā)者需要1臺運行Linux的PC 作為上位機。由于篇幅所限,，不能完整地介紹整個嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)過程,，將以第二節(jié)中提到的通過自舉模式下載的引導(dǎo)程序為例，說明開發(fā)的過程,。對于像 Linux這樣的大系統(tǒng),，基本的開發(fā)流程是一樣的。

　　引導(dǎo)程序?qū)⑼ㄟ^自舉模式下載到MX1的片內(nèi)RAM,，從地址0x00300000開始并執(zhí)行,。完成串口和SDRAM的初始化后，引導(dǎo)程序?qū)⒌却邮諔?yīng)用程序或操作系統(tǒng)內(nèi)核,，將接收到的數(shù)據(jù)放在SDRAM中,。數(shù)據(jù)接收完畢后，引導(dǎo)程序?qū)DRAM中的數(shù)據(jù)寫入Flash,，下一次就可以從Flash中直接引導(dǎo)系統(tǒng)了,。由于操作系統(tǒng)的內(nèi)核比較大，如Linux有1 MB以上,，下載過程必須考慮糾錯,。因此，接收部分采用Xmode協(xié)議,，可以用Windows下超級終端的Xmode發(fā)送方式發(fā)送文件,。

    （1）編寫C、C++語言或匯編源程序

　　通常匯編源程序用于系統(tǒng)最基本的初始化,，如初始化堆棧指針,、設(shè)置頁表、操作ARM的協(xié)處理器等,。初始化完成后就可以跳轉(zhuǎn)到C代碼執(zhí)行,。需要注意的是， GNU的匯編器遵循AT&T的匯編語法,，讀者可以從GNU的站點（www.）上下載有關(guān)規(guī)范,。匯編程序的缺省入口是start標(biāo)號，用戶也可以在連接腳本文件中用ENTRY標(biāo)志指明其它入口點（見下文關(guān)于連接腳本的說明）,。

    （2）用gcc或g++生成目標(biāo)文件

　　如果應(yīng)用程序包括多個文件,，就需要進行分別編譯，最后用連接器連接起來,。如筆者的引導(dǎo)程序包括3個文件：init.s（匯編代碼,、初始化硬件） xmrecever.c（通信模塊，采用Xmode協(xié)議）和flash.c（Flash擦寫模塊）,。

分別用如下命令生成目標(biāo)文件：

arm-linux-gcc-c-O2-o init.o init.s

arm-linux-gcc-c-O2-o xmrecever.o xmrecever.c

arm-linux-gcc-c-O2-o flash.o flash.c

其中-c命令表示只生成目標(biāo)代碼,，不進行連接,；-o 命令指明目標(biāo)文件的名稱；-O2表示采用二級優(yōu)化,，采用優(yōu)化后可使生成的代碼更短,，運行速度更快。如果項目包含很多文件,，則需要編寫makefile文件。關(guān)于makefile的內(nèi)容,，請感興趣的讀者參考相關(guān)資料,。

（3）編寫連接腳本文件

　　gcc等編譯器內(nèi)置有缺省的連接腳本。如果采用缺省腳本,，則生成的目標(biāo)代碼需要操作系統(tǒng)才能加載運行,。為了能在嵌入式系統(tǒng)上直接運行，需要編寫自己的連接腳本文件,。編寫連接腳本,，首先要對目標(biāo)文件的格式有一定了解。GNU編譯器生成的目標(biāo)文件缺省為elf格式,。elf文件由若干段（section）組成,，如不特殊指明，由C源程序生成的目標(biāo)代碼中包含如下段：.text（正文段）包含程序的指令代碼,；.data(數(shù)據(jù)段)包含固定的數(shù)據(jù),，如常量、字符串,；.bss（未初始化數(shù)據(jù)段）包含未初始化的變量,、數(shù)組等。C++源程序生成的目標(biāo)代碼中還包括.fini（析構(gòu)函數(shù)代碼）和.init（構(gòu)造函數(shù)代碼）等,。有關(guān)elf文件格式,，讀者可自行參考相關(guān)資料。連接器的任務(wù)就是將多個目標(biāo)文件的.text,、.data和.bss等段連接在一起,，而連接腳本文件是告訴連接器從什么地址開始放置這些段。例如筆者的引導(dǎo)程序連接文件link.lds為：

ENTRY(begin)

SECTION

{ .=0x00300000;

.text : { *(.text) }

.data: { *(.data) }

.bss: { *(.bss) }

}

　　其中,，ENTRY(begin)指明程序的入口點為begin標(biāo)號,；.=0x00300000指明目標(biāo)代碼的起始地址為0x00300000，這一段地址為MX1的片內(nèi)RAM,；.text : { *(.text) }表示從0x00300000開始放置所有目標(biāo)文件的代碼段,，隨后的.data: { *(.data) }表示數(shù)據(jù)段從代碼段的末尾開始，再后是.bss段,。

（4）用連接器生成最終目標(biāo)文件

　　有了連接腳本文件,，如下命令可生成最終的目標(biāo)文件：

arm-linux-ld-nostadlib-o bootstrap.elf-T link.lds init.o xmrecever.o flash.o

其中,，ostadlib表示不連接系統(tǒng)的運行庫，而是直接從begin入口,；-o指明目標(biāo)文件的名稱,；-T指明采用的連接腳本文件；最后是需要連接的目標(biāo)文件列表,。

（5）生成二進制代碼

　　連接生成的elf文件還不能直接下載執(zhí)行,，通過objcopy工具可生成最終的二進制文件：

arm-linux-objcopy-O binary bootstrap.elf bootstrap.bin

其中-Obinary指定生成為二進制格式文件。Objcopy還可以生成S格式的文件,，只需將參數(shù)換成-O srec,。如果想將生成的目標(biāo)代碼反匯編，還可以用objdump工具：

arm-linux-objdump-D bootstrap.elf

　　至此,，所生成的目標(biāo)文件就可以直接寫入Flash中運行了,。如果要通過自舉模式下載，還需要轉(zhuǎn)換為自舉模式的文件格式,，相關(guān)轉(zhuǎn)換工具可以在摩托羅拉的網(wǎng)站上找到,。

　　掌握了GNU工具后，開發(fā)者就可以開發(fā)或移植C或C++代碼的程序,。用戶可以不需要操作系統(tǒng),，直接開發(fā)簡單應(yīng)用程序。但對于更復(fù)雜的應(yīng)用來說,，操作系統(tǒng)必不可少,。目前流行的源代碼公開的操作系統(tǒng)如Linux、μC/OS都可以用GNU工具編譯,。ARM的Linux已有很多成熟的版本,，可以支持 ARM720、ARM920,、ARM1020等多種處理器,，讀者可從www.uclinux.org或www.armdevzone.com上獲取最新信息。Linux移植過程中和處理器相關(guān)的代碼都放在arch/arm目錄下,。對于內(nèi)核,，用戶需要做的是設(shè)定自己系統(tǒng)的內(nèi)存映像，RAM起始地址,，I/O地址空間和虛擬I/O地址空間,，參看arch/arm/mach-integrator/arch.c文件。除了內(nèi)核外,，用戶還需要為自己的系統(tǒng)編制各種各樣的驅(qū)動程序,。

4 調(diào)試工具

　　Linux下的GNU 調(diào)試工具主要是gdb、gdbserver和kgdb,。其中g(shù)db和gdbserver可完成對目標(biāo)板上Linux下應(yīng)用程序的遠程調(diào)試,。 gdbserver是一個很小的應(yīng)用程序,，運行于目標(biāo)板上，可監(jiān)控被調(diào)試進程的運行,，并通過串口與上位機上的gdb通信,。開發(fā)者可以通過上位機的gdb輸入命令，控制目標(biāo)板上進程的運行,，查看內(nèi)存和寄存器的內(nèi)容,。gdb5.1.1以后的版本加入了對ARM處理器的支持，在初始化時加入－target== arm參數(shù)可直接生成基于ARM平臺的gdbserver,。gdb工具可以從ftp://ftp./pub/gnu/gdb/上下載,。

　　對于Linux內(nèi)核的調(diào)試，可以采用kgdb工具,，同樣需要通過串口與上位機上的gdb通信，對目標(biāo)板的Linux內(nèi)核進行調(diào)試,。由于篇幅所限,，感興趣的讀者可以從http://oss./projects/kgdb/上了解具體的使用方法。

結(jié)束語

　　本文以一個具體的實例為例,，對GNU工具中的常用功能作了介紹,。其實GNU工具的功能還遠不止這些，更進一步的操作有：針對不同處理器,，不同算法的軟件優(yōu)化,、高效的內(nèi)嵌匯編、大型項目管理功能等,。相信GNU能成為越來越多開發(fā)人員的選擇,。