嵌入式arm實(shí)習(xí)報(bào)告

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用概述

在今日，嵌入式ARM 技術(shù)已經(jīng)成為了一門比較熱門的學(xué)科，無論是在電子類的什么領(lǐng)域，你都可以看到嵌入式ARM 的影子。如果你還停留在單片機(jī)級別的學(xué)習(xí)，那么實(shí)際上你已經(jīng)落下時代腳步了，ARM 嵌入式技術(shù)正以幾何的倍數(shù)高速發(fā)展，它幾乎滲透到了幾乎你所想到的領(lǐng)域。由于嵌入式系統(tǒng)具有體積小、性能強(qiáng)、功耗低、可靠性高以及面向行業(yè)具體應(yīng)用等突出特征， 目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于軍事國防、消費(fèi)電子、信息家電、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制等各個領(lǐng)域。嵌入式的廣泛應(yīng)用可以說是無所不在。

linux系統(tǒng)

linux系統(tǒng)主要是由用戶空間和內(nèi)核空間再加上外部的硬件平臺構(gòu)成，用戶空間就是用戶應(yīng)用程序的運(yùn)行空間，主要包括兩方面的內(nèi)容：用戶應(yīng)用程序和GNU C Library(glibc)。而內(nèi)核空間有三方面的內(nèi)容，一是系統(tǒng)調(diào)用接口，它作為用戶空間和內(nèi)核空間相互轉(zhuǎn)移的一種方式，二是內(nèi)核空間，三是體系相關(guān)內(nèi)核代碼，在linux內(nèi)核代碼中，可以看到arch目錄下有許多子目錄，其中每一個子目錄代表一種硬件平臺。

而為什么要把linux系統(tǒng)劃分為用戶空間和內(nèi)核空間呢？主要是一旦用戶空間和內(nèi)核空間沒有分開，那用戶將擁有很大的權(quán)限去操控內(nèi)核或用戶應(yīng)用程序的崩潰將會造成系統(tǒng)的崩潰，而linux系統(tǒng)是利用cpu的模式分級來分別運(yùn)行用戶空間和內(nèi)核空間，這樣就可以使操作系統(tǒng)得到充分的保護(hù)。而現(xiàn)代的cpu通常實(shí)現(xiàn)了不同的工作模式，以ARM處理器為例實(shí)現(xiàn)了7種運(yùn)行模式，分別為：

1）用戶模式(usr)：ARM微處理器正常程序執(zhí)行模式

2）系統(tǒng)模式(sys)：運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)

3）中斷模式(irq)：用于通用的中斷處理

4）外部中斷模式(fiq)：用于高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理

5）數(shù)據(jù)訪問終止模式(abt)：當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時進(jìn)入該模式，可用于虛擬存儲及存儲保護(hù)

6）管理模式(svc)：操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式

7）未定義指令中止模式(und)：當(dāng)未定義的指令執(zhí)行時進(jìn)入該模式，可用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真ARM微處理器的運(yùn)行模式可以通過軟件改變，也可以通過外部中斷或異常處理改變，除用戶模式外，其他模式都是非用戶模式或特權(quán)模式，除用戶模式和系統(tǒng)模式外，其他模式都是異常模式，常用于處理異常或中斷，以及需要訪問受保護(hù)的系統(tǒng)資源等情況。

同時用戶空間和內(nèi)核空間是程序執(zhí)行的兩種不同狀態(tài)，通過系統(tǒng)調(diào)用和硬件中斷去實(shí)現(xiàn)用戶空間到內(nèi)核空間的轉(zhuǎn)移，系統(tǒng)調(diào)用是主動的，硬件中斷是被動的，比如鍵盤按下或者串口中斷。

接下來說說linux的內(nèi)核架構(gòu)，它主要是包含7大組成部分

1.內(nèi)存管理 內(nèi)存管理的主要作用是使多個進(jìn)程能安全高效的共享內(nèi)存區(qū)域，通常使用以下兩個手段：

①內(nèi)存映射：將物理內(nèi)存映射到虛擬內(nèi)存中，變有限為無限

②有效管理：使用各種內(nèi)存管理算法（如伙伴算法），減少內(nèi)存浪費(fèi)

2.虛擬文件系統(tǒng) vfs隱藏了各種文件系統(tǒng)的具體細(xì)節(jié)，為文件操作提供統(tǒng)一的接口

3.網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 它為linux提供了完善豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)

4.進(jìn)程管理 進(jìn)程管理的重點(diǎn)是創(chuàng)建進(jìn)程、停止進(jìn)程，并控制它們之間的通信。進(jìn)程管理還包括控制活動進(jìn)程如何共享cpu，即進(jìn)程調(diào)度。

5.設(shè)備驅(qū)動 設(shè)備驅(qū)動也是內(nèi)核的一部分，它不同于內(nèi)核的其他部件，并且獨(dú)立于內(nèi)核的其他部件，同時它是與設(shè)備交互的唯一模塊，通常由第三方廠商開發(fā)，一個驅(qū)動程序不與其他驅(qū)動程序交互；內(nèi)核與驅(qū)動程序之間也僅通過一個嚴(yán)格定義的接口-交互。

6.系統(tǒng)調(diào)用接口 SCI層為用戶空間提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)來訪問Linux內(nèi)核，搭起了用戶空間到內(nèi)核空間的橋梁。

7.體系相關(guān)部分

Linux內(nèi)核源代碼采用樹形結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，非常合理地把功能相關(guān)的文件都放在同一個子目錄下，使得程序更具可讀性。

下面介紹下這些目錄的組成

arch目錄

arch是architecture的縮寫。內(nèi)核所支持的每種CPU體系，在該目錄下都有對應(yīng)的子目錄。每個CPU的子目錄，又進(jìn)一步分解為boot,mm,kernel等子目錄，分別包含控制系統(tǒng)引導(dǎo)，內(nèi)存管理，系統(tǒng)調(diào)用等。其下子目錄有

| --x86 /*英特爾cpu及與之相兼容體系結(jié)構(gòu)的子目錄*/

| |--boot /*引導(dǎo)程序*/

| | |--compressed /*內(nèi)核解壓縮*/

| |--tools /*生成壓縮內(nèi)核映像的程序*/

| |--kernel /*相關(guān)內(nèi)核特性實(shí)現(xiàn)方式，如信號處理、時鐘處理*/ | |--lib /*硬件相關(guān)工具函數(shù)*/

block目錄

部分塊設(shè)備驅(qū)動程序

crypto目錄

加密、壓縮、CRC校驗(yàn)算法

documentation

內(nèi)核的文檔

drivers目錄（重點(diǎn)）

設(shè)備驅(qū)動程序

fs目錄

存放各種文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)代碼。每個子目錄對應(yīng)一種文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，公用的源程序用于實(shí)現(xiàn)虛擬文件系統(tǒng)vfs。

| |--devpts /* /dev/pts虛擬文件系統(tǒng)*/

| |--ext2 /*第二擴(kuò)展文件系統(tǒng)*/

| |--fat /*MS的fat32文件系統(tǒng)*/

| |--isofs /*ISO9660光盤cd-rom上的文件系統(tǒng)*/

include目錄

內(nèi)核所需要的頭文件。與平臺無關(guān)的頭文件在include/linux 子目錄下，與平臺相關(guān)的頭文件則放在相應(yīng)的子目錄中。

init目錄

內(nèi)核初始化代碼

ipc目錄

進(jìn)程間通信的實(shí)現(xiàn)代碼

kernel目錄

Linux大多數(shù)關(guān)鍵的核心功能都是在這個目錄實(shí)現(xiàn)。（調(diào)度程序，進(jìn)程控制，模塊化）

lib目錄

庫文件代碼

mm目錄

mm目錄中的文件用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)存管理中與體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的部分（與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的部分在哪里實(shí)現(xiàn)？arch）

net目錄

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)代碼

| |--802 /*802無線通訊協(xié)議核心支持代碼*/

| |--appletalk /*與蘋果系統(tǒng)連網(wǎng)的協(xié)議*/

| |--ax25 /*AX25無線INTERNET協(xié)議*/

| |--bridge /*橋接設(shè)備*/

| |--ipv4 /*IP協(xié)議族V4版32位尋址模式*/

| |--ipv6 /*IP協(xié)議族V6版*/

samples

一些內(nèi)核編程的范例

scripts

配置內(nèi)核的腳本

security

SElinux的模塊

sound

音頻設(shè)備的驅(qū)動程序

usr

cpio命令實(shí)現(xiàn)

virt

內(nèi)核虛擬機(jī)

Linux內(nèi)核的配置與編譯

Linux內(nèi)核具有可定制的優(yōu)點(diǎn)，配置內(nèi)核的目的是裁剪掉不必要的文件和目錄，獲得一個最簡單的又能滿足用戶開發(fā)的操作系統(tǒng)，以解除嵌入式開發(fā)過程中所遇到的存儲空間有限的困擾。內(nèi)核配置與編譯的具體步驟如下：

1.清除臨時文件、中間文件和配置文件

1）make clean

Remove most generated files but keep the config即清除大部分生成的文件但保留配置文件

2）make mrproper

Remove all generated files + config files即清除所有生成的文件還有配置文件

3）make distclean

Mrproper + remove editor backup and patch files即實(shí)現(xiàn)

make mrproper命令的同時刪除編輯器備份文件和補(bǔ)丁文件

2.確定目標(biāo)系統(tǒng)的軟硬件配置情況，比如cpu類型，網(wǎng)卡型號，所需支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。

3.使用如下命令之一配置內(nèi)核：

1） make config:基于文本模式的交互式配置

2）make menuconfig:基于文本模式的菜單型配置

3）make oldconfig:使用已有的配置文件（.config），但是會詢問新增的配置選項(xiàng)

4）make xconfig:圖形化的配置（需安裝圖形化系統(tǒng)）

Make menuconfig是最為常用的內(nèi)核配置方式 如果一個.config文件已經(jīng)存在，它將使用該文件設(shè)置那些默認(rèn)的值

4.編譯內(nèi)核

編譯內(nèi)核通常也需要幾個步驟，一是清除以前編譯通過的殘留文件；二是編譯內(nèi)核image文件和可加載模塊；三是安裝模塊。

下面是編譯內(nèi)核的具體步驟。

①make dep 命令用在內(nèi)核2.4或之前，用于建立源文件之間的依賴關(guān)系，在執(zhí)行內(nèi)核配置命令之后使用，不過在2.6內(nèi)核中已經(jīng)取消該命令，該功能由內(nèi)核配置命令實(shí)現(xiàn)。

②make clean 命令用于刪除前面留下來的中間文件，該命令不會刪除.config等配置文件。這個步驟是可選的，它的目的是清除原先編譯過而殘留的.com和.o（obj文件）。如果是剛下載的源代碼，那么這一步就可以省略了，但是如果已經(jīng)編譯多次內(nèi)核，這一步是必要的，不然后面可能會出現(xiàn)很多莫名其妙的小問題。 

③make zImage命令用于編譯生成壓縮形式的內(nèi)核鏡像，當(dāng)編譯成功后，就會在arch\arm\boot\目錄下生成zImage文件，大小一般為幾百KB。對于嵌入式Linux內(nèi)核而言，直接將生成的zImage下載到嵌入式目標(biāo)板的flash中即可。對于較大的內(nèi)核，如果用make zImage編譯，系統(tǒng)會提示使用make bzImage命令來編譯，bzImage是big zImage的縮寫，可用于生成較大的壓縮內(nèi)核，比如桌面Linux系統(tǒng)內(nèi)核。

④在配置菜單的過程中，有些選項(xiàng)被選擇為模塊的，即選項(xiàng)前為[M]，并且在回答Enable loadable module support(CONFIG_MODULES)時選了Yes的，則接下來就還要用命令make modules 來編譯這些可加載模塊，并用

make modules_install將make modules生成的模塊文件復(fù)制到相應(yīng)目錄，桌面Linux內(nèi)核一般是在/lib/modules目錄下。

⑤制作init ramdisk

mkinitrd initrd-$version $version

例：

mkinitrd initrd-2.6.29 2.6.29

$version 可以通過查詢/lib/modules下的目錄得到Ramdisk是將一部分固定大小的內(nèi)存當(dāng)做分區(qū)來使用。它并非一個實(shí)際的文件系統(tǒng)，二是一種將實(shí)際的文件系統(tǒng)裝入內(nèi)存的機(jī)制，并且可以作為根文件系統(tǒng)。將一些經(jīng)常被訪問而又不會更改的文件（如只讀的根文件系統(tǒng)）通過ramdisk放在內(nèi)存中，可以明顯的提高系統(tǒng)的性能。在linux的啟動階段，initrd提供了一套機(jī)制，可以將內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)一起載入內(nèi)存。

⑥cp arch/x86/boot/bzImage

/boot/vmlinuz-$version

$version 為所編譯的內(nèi)核版本號

（拷貝initrd-2.6.29到/boot下，將arch/x86/boot/bzImage更名為vmlinuz-2.6.29移動到/boot下）

⑦修改/etc/http://m.emrowgh.comnf 或者/etc/http://m.emrowgh.comnf

（GNU GRUB（簡稱 GRUB ）是一個來自GNU項(xiàng)目的多操作系統(tǒng)啟動程序。GRUB是多啟動規(guī)范的實(shí)現(xiàn)，它允許用戶可以在計(jì)算機(jī)內(nèi)同時擁有多個操作系統(tǒng)，并在計(jì)算機(jī)啟動時選擇希望運(yùn)行的操作系統(tǒng)。GRUB可用于選擇操作系統(tǒng)分區(qū)上的不同內(nèi)核，也可用于向這些內(nèi)核傳遞啟動參數(shù)。）

這時重啟Linux操作系統(tǒng)，在進(jìn)入內(nèi)核時按下回車鍵進(jìn)入內(nèi)核選擇界面，選擇自己編譯的內(nèi)核，即可進(jìn)入自己編譯的內(nèi)核的操作系統(tǒng)，用uname -r 可以查看當(dāng)前內(nèi)核版本。

嵌入式linux文件系統(tǒng)的制作與移植

文件系統(tǒng)包含兩個層次的含義：

1.按照固定格式組織的目錄與文件

2.在特定的存儲介質(zhì)上管理這些目錄和文件需要的數(shù)據(jù)

當(dāng)我們在linux下輸入ls / 的時候，見到的目錄結(jié)構(gòu)以及這些目錄下的內(nèi)容都大同小異，這是因?yàn)樗�有的linux發(fā)行版在對根文件系統(tǒng)的布局上都遵循FHS（Filesystem Hierarchy Standard）標(biāo)準(zhǔn)的建議規(guī)定。

各個目錄名稱及其存放的內(nèi)容：

/bin 必備的用戶命令，例如ls、cp等

/sbin 必備的系統(tǒng)管理員命令，例如ifconfig、reboot等

/dev 設(shè)備文件，例如mtdblock0、tty1等

/etc 系統(tǒng)配置文件，包括啟動文件，例如inittab等

/lib 必要的鏈接庫，例如C鏈接庫、內(nèi)核模塊

/home 普通用戶主目錄

/root root用戶主目錄

/usr/bin 非必備的用戶程序，例如find、du等

/usr/sbin 非必備的管理員程序，例如chroot、inetd等

/usr/lib 庫文件

/var 守護(hù)程序和工具程序所存放的可變，例如日志文件

/proc 用來提供內(nèi)核與進(jìn)程信息的虛擬文件系統(tǒng)，由內(nèi)核自動生成目錄下的內(nèi)容

/sys 用來提供內(nèi)核與設(shè)備信息的虛擬文件系統(tǒng)，由內(nèi)核自動生成目錄下的內(nèi)容

/mnt 文件系統(tǒng)掛接點(diǎn)，用于臨時安裝文件系統(tǒng)

/tmp 臨時性的文件，重啟后將自動清除

根文件系統(tǒng)是Linux啟動時使用的第一個文件系統(tǒng)。沒有根文件系統(tǒng)，Linux將無法正常啟動。根文件系統(tǒng)由一系列目錄組成，目錄中包含了應(yīng)用程序、C庫、以及相關(guān)的配置文件。

那如何制作一個根文件系統(tǒng)呢？主要包括以下步驟：

1、創(chuàng)建根文件系統(tǒng)的目錄

如：mkdir bin sbin lib etc dev proc sys usr mnt tmp var

2、創(chuàng)建設(shè)備文件

cd dev

mknod -m 666 console c 5 1

mknod -m 666 null c 1 3

cd ..

3、安裝/etc

tar -xzvf etc.tar.gz /xx-x/rootfs/etc

4、配置busybox

進(jìn)入busybox目錄執(zhí)行

make menuconfig

進(jìn)入 Busybox Settings

build Options->

選中 “Build busybox as a static binary”, 靜態(tài)鏈接

Cross Compiler prefix (arm-linux-)

Installation Options->

選中 “Don‘t use /usr”, 選中該項(xiàng)可以避免busybox被安裝到

宿主系統(tǒng)的/usr目錄下，破壞宿主系統(tǒng)

Busybox Installation Prefix (/nfsroot/rootfs)該選項(xiàng)表明編

譯后的busybox的安裝位置

7、編譯、安裝busybox

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-

make install

前提是系統(tǒng)中安裝好了交叉編譯工具arm-linux-gcc

至此一個粗略的根文件系統(tǒng)制作完成，下面就需要移植到開發(fā)板中。 我們知道ARM嵌入式系統(tǒng)的組成為：

1）bootloader 引導(dǎo)加載器

2）kernel 操作系統(tǒng)內(nèi)核

3）rootfs 根文件系統(tǒng) (帶GUI,QTopia)

在系統(tǒng)加載完內(nèi)核后就會去啟動根文件系統(tǒng)，而啟動根文件系統(tǒng)這個過程被bootargs這個參數(shù)控制，所以我們需要修改這個參數(shù)以使系統(tǒng)運(yùn)行我們的根文件系統(tǒng)，但這之前我們需要在宿主機(jī)上將根文件系統(tǒng)共享出來。我們先在linux系統(tǒng)中配置好nfs服務(wù)器，并且在設(shè)置配置文件exports將根文件系統(tǒng)所在路徑共享出來，接下來在ARM開發(fā)板啟動時控制超級終端進(jìn)入shell界面，在這里輸入命令print會顯示開發(fā)板啟動的配置信息，通過set命令我們可以設(shè)置bootargs 參數(shù)為：

console=ttySAC0

root=/dev/nfs

nfsroot=192.168.0.113:/mynfs/rootfs ip=http://m.emrowgh.com:eth0:off

設(shè)置完成后用save命令保存設(shè)置，輸入reset復(fù)位命令，ARM系統(tǒng)重啟，重啟完成后我們看到ARM系統(tǒng)的根文件系統(tǒng)就是我們自己制作的根文件系統(tǒng)。 

實(shí)習(xí)體會

在嵌入式系統(tǒng)中，除了課本上的基礎(chǔ)知識外，還學(xué)會了軟件編程的基本思路，掌握了液晶屏的使用及其電路設(shè)計(jì)方法；掌握有關(guān)音頻處理的基礎(chǔ)知識；掌握液晶顯示文本及圖形的方法與程序設(shè)計(jì)。

通過這次設(shè)計(jì)，掌握了液晶顯示實(shí)驗(yàn)、μC/OS-II移植、μC/OS-IILCD顯示的工作原理及串口通信實(shí)驗(yàn)的工作過程，學(xué)會了使用仿真軟件Embest EduKit-IV實(shí)驗(yàn)平臺及ULINK2仿真器套件，并學(xué)會通過應(yīng)用軟件仿真來實(shí)現(xiàn)各種通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對以后的學(xué)習(xí)和工作都起到了一定的作用，加強(qiáng)了動手能力和學(xué)業(yè)技能。雖然花了很長時間編寫軟件程序設(shè)計(jì)，但這一切還是理論上的。希望學(xué)校能提供機(jī)會和條件，讓我們能夠去真正地將理論和實(shí)踐相結(jié)合。通過這次程序，感覺自己所掌握的知識是那么的有限，還有許多需要改進(jìn)和不足的地方，同時也幫助了我怎樣學(xué)好這門課程，增加了我對這門學(xué)科的興趣�？傮w來說，這次實(shí)習(xí)我受益匪淺。在摸索該如何設(shè)計(jì)電路使之實(shí)現(xiàn)所需功能的過程中特別有趣，培養(yǎng)了我的設(shè)計(jì)思維，增加了實(shí)際操作能力。在讓我體會到了設(shè)計(jì)電路的艱辛的同時，更讓我體會到成功的喜悅和快樂。通過這次實(shí)習(xí)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使我更加清楚以后的發(fā)展及學(xué)習(xí)的方向。

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