第5章开发环境与技术 嵌入式系统设计教程(第2版)

8 MBSD RM (系统内存) 1 6 MB非线性 Flas h ( 硬盘）
JTAG 调试端口
T CP/IP协议 键盘输入 CA N BU S
ARM硬件开发平台
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远程调试的特点

调试器和被调试程序运行在不同的机器上，调 试器运行在宿主机上，而被调试程序则运行在各种 专业调试板上（目标机）。 调试器通过某种通信方式与被调试进程建立联系， 如串口、并口、网络、JTAG或者专用的通信方式。
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ROM Monitor

在目标机上电或复位后首先执行的就是ROM Monitor，它对目标机进行一些必要的初始 化
初始化要求的外围设备，如最基本的串口和用 于内存刷新的系统计时器芯片； 初始化用于下载映像的内存系统； 初始化中断控制器和安装中断处理程序。

初始化自己的程序空间 等待宿主机端的命令
USB
串口
RS232电 平转换
USB口
串口
硬件连接
ARM CPU 执行
PC机硬件平台
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开发流程
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（1）嵌入式软件生成阶段

三个过程 源代码程序 的编写 编译成各个 目标模块 链接成可供 下载调试或 固化的目标 程序
库文件
源程序
目标 模块
可供调试 /固化
编辑器
交叉编 译器
交叉链 接器
串行通信口 局部以太网口 OCD（On Chip Debug）方式，如JTAG、BDM等

物理连接是逻辑连接的基础。 逻辑连接指宿主机与目标机间按某种通信协议建 立起来的通信连接，目前逐步形成了一些通信协 议的标准。

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2）嵌入式软件实现阶段的开发过程

嵌入式软件的开发进入实现阶段，可分为 三个步骤：生成、调试和固化运行。
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ARM实验平台与PC机连接关系框图
PC机
USB口 并口 RS232 网口
Jtag电缆
L CD显示
1 MB线性 Flas h (BIO S) 基于A RM架构的 3 2位 微处理器 Sams u n g S3 C4 4 B0 X
U SB接口 U SBN 9 6 0 3 两个RS-2 3 2 串行通信接口
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交叉编译、交叉调试方法
交叉编译：把在宿主机上编写的高级语言 程序编译成可以运行在目标机上的代码， 即在宿主机上能够编译生成另一种CPU （嵌入式微处理器）上的二进制程序。 交叉调试器是指调试程序和被调试运行在 不同机器上的调试器，能够通过某种方式 控制目标机上被调试程序的运行方式，并 且通过调试器能查看和修改目标机上的内 存、寄存器以及被调试程序中的变量等。
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开发工具的分类
嵌入式软件的开发可以分为以下几种 ：
编写简单的板级测试软件，主要是辅助硬件的调试 开发基本的驱动程序 开发特定嵌入式操作系统的驱动程序（板级支持包） 开发嵌入式系统软件，如：嵌入式操作系统等 开发应用软件

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嵌入式系统开发环境和开发过程

建立交叉开发环境是进行嵌入式软件开发 的第一步，目前常用的交叉开发环境主要有开放 和商业两种类型。开放的交叉开发环境的典型代 表是GNU工具链、目前已经能够支持x86、ARM、 MIPS、PowerPC等多种处理器。商业的交叉开发环 境 则 主 要 有 Metrowerks CodeWarrior 、 ARMSoftware Development Toolkit 、 Embedded Visual C++等。
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1）嵌入式软件的交叉开发环境

交叉开发环境是指用于嵌入式软件开发的 所有工具软件的集合，一般包括：
文本编辑器 交叉编译器 交叉调试器 仿真器 下载器等


交叉开发环境由宿主机和目标机组成，宿 主机与目标机之间在物理连接的基础上建 立起逻辑连接。
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运行平 台 目标机应用系统
调 试 代 理

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5.3 嵌入式系统调试技术
在嵌入式软件开发中，调试时采用的是在宿主 机和目标机之间进行的远程调试，调试器仍然运行 在宿主机的通用操作系统之上，但被调试的进程却 是运行在基于特定硬件平台的嵌入式操作系统中， 调试器和被调试进程通过串口或者网络进行通信。 调试器可以控制、访问被调试的进程，读取被调试 进程的当前状态，并能够改变被调试进程的运行状 态。 远程调试（Remote Debug）允许调试器以某种 方式控制目标机上被调试进程的运行方式，并具有 查看和修改目标机上内存单元、寄存器以及被调试 进程中的变量值等各种调试功能。
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嵌入式系统通常是一个资源受限的系统，因此 直接在嵌入式系统的硬件平台上编写软件比较困 难。目前一般采用的解决办法是首先在通用计算 机（宿主机）上编写程序，然后通过交叉编译 生成目标机上可以运行的二进制代码格式，然
后通过串口或者以太网接口将交叉编译生成 的目标代码传输并装载到目标机上，并在监 控程序或者操作系统的支持下利用交叉调试 器、JTAG调试装臵或ICE进行分析和调试，最 后目标机脱离宿主机单独运行。

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② ROM Monitor方式
在这种调试方式下，调试环境由宿主机端的 调试器、目标机端的监控程序（ROM Monitor） 以及二者间的物理连接三部分构成。 ROM Monitor是运行在目标机上监控被调试程 序运行的一段程序，与宿主机端的调试器一起 完成对应用程序的调试。它要预先被固化到目 标机的ROM中,在目标机复位后首先被执行来完 成对目标机进行一些必要的初始化，然后等待 宿主机的命令。

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交叉调试wk.baidu.com
非交叉调试
调试器和被调试程序运行在不同的计 算机上
调试器和被调试程序运行在同一台计 算机上
可独立运行，无需操作系统支持
需要操作系统的支持
被调试程序的装载由调试器完成
被调试程序的装载由专门的Loader程 序完成
需要通过外部通信的方式来控制被调 试程序
不需要通过外部通信的方式来控制被 调试程序
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（2）嵌入式软件的生成
以上两种开发环境的编译器都完全支持ARM指令 集，但伪指令集不同，代码风格不同，此外生成的 二进制代码的执行效率上也略有不同。 嵌入式软件的运行方式主要有两种：调试方式 和固化方式。在不同方式下，程序代码或数据在目 标机内存中的定位也有所不同。宿主机上提供一定 的工具或者手段对目标程序的运行方式和内存定位 进行选择和配臵，链接器再根据这些配臵信息将目 标模块和库文件中的模块链接成目标程序，因此称 这样的链接器为交叉链接器。
软件的生成主要是在宿主机上进行，利用各种 工具完成对应用程序的编辑、交叉编译和链接 工作，生成可供调试或固化的目标程序。 调试是通过交叉调试器完成软件的调试工作。 调试完成后还需进行必要的测试工作。 固化运行是先用一定的工具将应用程序固化到 目标机上，然后启动目标机，在没有任何工具 干预的情况下应用程序能自动地启动运行。

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②GNU交叉工具链
GNU开发工具包括C编译器GCC、C++编译器G++、 汇编器AS、连接器LD、二进制转换工具、调试工具 GDB和基于不同硬件平台的开发库。 其中，GCC几 乎在各种常见的UNIX平台上都可以见到，即使是 Windows32也有GCC的移植。 GDB支持远程调试模式， 同时还包含一个ARM指令集，能够在PC机上通过软 件方式仿真ARM程序的执行。以上这些工具顺序使 用，必须保持前后一致，才能产生最终需要的二进 制文件，所以称作为工具链。
第5章 嵌入式系统开发环境与相关开发技术
5.1 概述 5.2 嵌入式系统的开发工具 5.3 嵌入式系统调试技术 5.4 嵌入式系统开发经验 5.5 嵌入式系统的Bootloader技术
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5.1 概述
一个嵌入式系统的开发环境一般包括
有开发用的宿主机、嵌入式目标机、 调试器和软件开发工具，它们之间通 过串口、JTAG(并口)和网络接口等 进行通信。
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5.2 嵌入式软件开发工具
“工欲善其事，必先利其器” 嵌入式软件开发工具的集成度和可用性将直接关系 到嵌入式系统的开发效率。ARM的开发工具包括有编译 器、、汇编器、连接器、调试器、操作系统、函数库、 评估板、JTAG调试器、在线仿真器等。目前世界上约有 40多家公司提供不同类型的产品。 在Windows环境下，其代表产品是ARM公司的软件开 发工具包ADS和新推出的RVDS。 在Linux环境中，主要使用GNU开发工具。
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开发工具的分类
根据不同的阶段，嵌入式软件开发工具可 以分为：

需求分析工具（Requirement Analysis Tools） 软件设计工具(Software Design Tools) 编码、调试工具(Coding Tools) 测试工具(Testing Tools) 配臵管理工具、维护工具等

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嵌入式软件的生成
这一过程与普通计算机开发过程的本质区别是在于 交叉编译器和交叉连接器。 其中交叉编译器的主要功能是把在宿主机上编写的 高级语言程序编译成可以在目标机上运行的二进制 代码。常见的ARM软件开发环境有两种： ①ARM公司开发的集成开发环境ADS 1.2，该开发环境 使用了CodeWarrior公司的编译器，使用ADX进行本 地和远程调试。ADS有一系列应用程序及相关文档、 范例组成，主要包括命令行开发工具、GUI开发工 具、实用工具和支持软件。使用它们就可以编写和 调试自己的应用程序了。

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嵌入式系统开发流程框架图
开始新工程
PC机
基本开 发流程
监控结 果
串口助手 或超级终 端
Source Insight
编辑源 代码
ARM SDT Project Manager
编译链 接
仿真调 试
ARM SDT Debuger armJtag
程序下 载
ArmDvk
并口
Jtag 仿真器 内部逻辑 Jtag 开发流程
Target
开发平 台 宿主机开发环境
运 行 库
Host
— 应用软件 — 应用中间件 — 目标机OS
— — — —
编辑 编译 连接 调试
目标机硬件
宿主机 OS 宿主机硬件
交叉开发环境
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嵌入式软件的交叉开发环境

物理连接和逻辑连接 物理连接是指宿主机与目标机通过物理线路连接 在一起，连接方式主要有三种：
可以直接调试不同指令集的程序
只能直接调试相同指令集的程序
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5.3.1 ARM调试技术概述
交叉调试的方式执行即调试器控制被调 试程序的运行常通过如下五种方式： 指令集模拟器、ROM Monitor方式、 JTAG调试方式、实时在线仿真器ICE方式和 基于Angel的调试方式。
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①指令集模拟器
指令集模拟器是用来在一台计算机上模拟另一台计 算机上目标程序运行过程的软件工具，也成为软仿 真器。内部有一个反映目标处理器硬件的数据结构。 它以时序状态机的方式工作，可以根据目标机指令 集定义执行目标指令。 应用场合：没有目标机开发板或者成本太高；被调 试的程序模块不需要在实际开发板上执行；对模块 代码先调试，以加快调试速度。 ARM体系结构计算机，目前经常使用的是ARMulator 指令集模拟器，它作为一个插件集成在ADS1.2集成 开发环境中。

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ROM Monitor

ROM Monitor能配合调试器完成：
程序映像下载 对目标机系统内存的读写 对寄存器的读写 设臵和清除不同类型的断点 单步执行指令 复位系统…等调试功能

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ROM Monitor方式
ROM Monitor能配合调试器完成被调试程序的 下载、目标机内存和寄存器的读/写、设臵断点以 及单步执行被调试程序等功能。 这种方式的最大优点是简单方便、成本低廉。 它还可以支持许多高级的调试功能，可扩展性强， 基本不需要专门的调试硬件支持，几乎所有的交叉 调试器（ADS、GDB）都支持这种方式。 缺点： ROM Monitor要占用目标机一定的资源， 如CPU、RAM和串口或网卡等通信资源；应用程序的 最终运行环境和调试环境有一定的差异；不便于调 试有时间特性的程序，实时性较差。
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ARM映像文件格式
映像文件是计算机上的一个可执行文件，在执 行之前被加载到计算机存储器中。 ARM集成开发环境中的各种原文件（汇编、C以 及C++程序）经过ARM编译器编译之后，生成ELF 格式的目标文件。这些目标文件和相应的C/C++ 运行时库经过ARM连接器连接后，生成.axf映像 文件。在开发板上调试运行后，使用fromelf工 具将映像文件中的调试信息和注释过滤掉生成 二进制的可加载文件.bin。可加载文件可写入 嵌入式设备的ROM中，再加电启动过程执行。