《嵌入式系统的原理及应用》课程讲义_5-8

《嵌入式系统的原理及应用》课程讲义5-8目录第3章嵌入式Linux应用程序开发 (2)3.1 Linux开发环境的建立 (2)3.2 交叉编译器和工程管理器make (3)3.2.1 GNU gcc (3)3.2.2 编写Makefile文件 (9)3.3 嵌入式Linux系统的开发 (15)3.3.1 编写BootLoader (15)3.3.2 嵌入式Linux2.6系统的裁减 (21)3.3.3 根文件系统的裁减 (28)3.4 嵌入式Linux应用程序的开发流程 (30)3.4.1 开发方式 (30)3.4.2 应用程序实例 (33)第5次课：嵌入式Linux应用程序开发(10学时)主要介绍3个方面的内容：(1) Linux开发环境的建立；(2) GNU gcc交叉编译器；(3) Makefile文件书写规则。

第3章嵌入式Linux应用程序开发传统的嵌入式开发环境需要单片机的仿真器，包括C语言、汇编语言、调试工具等的集成开发环境IDE、实时操作系统等。

购买一个仿真器一般要花上千元，购买C编译器或IDE也要花几千元以上，而购买实时操作系统则要花上十万元乃至几十万元。

由于Flash技术的发展，特别是一些CPU可以用JTAG口在背景模式BDM(Back ground Debug Mode)下调试，故仿真器已可以省去。

随着BDM调试工具的标准化，BDM调试工具会变得越来越简单、越来越通用，一些BDM调试工具已经简单到仅仅在PC机并行口和单片机的JTAG接口之间加一道5~3.3V的缓冲，自制BDM调试工具变得越来越容易。

软件方面，Linux下的自由软件GNUgcc可以完成几乎所有知名CPU以及DSP的交叉C编译和调试，故IDE可以省去。

至于操作系统，uClinux、RTLinux、μC/OS等源码开放的、免费的嵌入式操作系统也都性能稳定可靠。

因此，全部使用遵循GPL的自由软件开发嵌入式应用无疑是一种不错的选择。

Linux是遵循GPL的自由软件的典型代表。

然而，使用自由软件有一定的难度，例如如果采用Linux，首先要熟悉Linux 的使用，学会看Linux下的帮助信息。

然后是学会遇到问题如何解决。

向高手请教是解决问题的办法之一。

还有一个方法是上BBS，在网上搜索，因为你遇到的问题其他人以前或许也遇到过，解决办法可能网上就有。

再有一个办法就是直接给作者发电子邮件。

自由软件有源码、大多都有作者的Email地址。

使用Linux 下的GNUgcc等软件的难点主要在使用环境的建立上，一旦使用环境建立起来了，仅仅是使用并不难。

在国外，这部分工作有专门的系统管理员为你做好，而国内这部分工作往往要自己做，故增加了Linux系统的使用难度。

以GNUgcc为例，根据经验，建立并熟悉使用的过程大约需要2个月的时间。

而熟悉一个买来的商业软件也需要2周乃至1个月的时间。

也就是说，买商业软件可以节省1个月的时间。

使用自由软件开发嵌入式应用的意义决不仅限于经济上节省开支。

学习使用Linux下自由软件的过程，实际上是培养IT高手的过程。

提倡使用自由软件将造就一大批有共同语言的精英。

3.1 Linux开发环境的建立用Linux开发嵌入式应用，可以在自己的PC机上装一套Linux，例如，RedHat Linux。

可以使用Linux中的Xwindows(xterm)开若干个窗口用于编译、下载、调试等；可以使用Linux中的emacs作文本编译。

Windows中有的软件在Linux中几乎都有。

但由于多数人对Linux环境和Linux中的应用程序不熟悉，宁愿用PC 上基于Windows的操作系统，此时可以在Windows环境下安装VMware虚拟机软件。

VMWare 的Windows 版本能够在Windows 环境下开出Linux 的窗口，但VMWare 不是自由软件，实验室现在正在用这种方式。

另一种办法是用1台PC 机运行Linux 作为服务器。

开发小组中每个成员都可以通过局域网用Telnet 登录到这台Linux 服务器上去，被开发的目标板也挂在网上。

在服务器的Linux 环境下，用GNUgcc 编译生成目标代码，再用FTP 传回到自己的PC 机上，然后通过串行口或网络下载到目标机上。

BDM 工具主要用于硬件调试。

因为BDM 工具的支持软件也是Linux 下的自由软件，故BDM 工具只能接在Linux 服务器的并口上。

硬件调试完成后，可以把Debug 程序写入Flash ，然后就不需要BDM 工具了。

检验开发环境是否建立好了得有1块目标板。

在开发环境建立起来之前，冒然设计自己的硬件，难度较大。

可以用商家提供的评估板作为目标板先把开发环境建立起来。

可以通过用GNUgcc 编译Linux 然后下载到目标板上运行的办法来熟悉Linux 下GNUgcc 的开发环境，检验开发环境是否已建立好。

如果是购买第3方的硬件，则要特别小心。

有些恶劣厂商的产品的确可以运行Linux ，但其是在软件或硬件中做了些陷阱，使用户只能用他的硬件。

3.2 交叉编译器和工程管理器make3.2.1 GNU gcc“交叉编译器”一词，看上去很玄乎，实际上很简单。

如果大家学了单片机就比较容易理解。

不少同学用过C51。

实际上C51就是一个典型的交叉编译器。

理由很简单：C51的编译器是在PC 机上使用的，然而编译出来的目标码却不能在PC 机上运行，只能下载到单片机上才能运行。

编译的最主要的工作就在将你的程序转化成运行该程序的CPU 所能识别的机器代码，不同的CPU 有相应的编译器，另一方面。

编译器本身也是程序，当然也要在某一个CPU 平台上运行。

于是交叉编译的交叉点就在那个编译器本身是CPU1上的一个程序，却在为CPU2编译代码。

当然，假如在你的ARM 系统上，操作系统已经正常运行，并且你的资源足够多，你可以把PC 机上运行的ARM 编译工具移植到ARM 上，然后所有该系统的应用程序都直接在ARM 系统上编译，这就不算交叉编译，但如果有条件这么作，程序的开发或者移植就方便多了，因为整个开发过程又回到在自己PC 机上编应用程序的那种模式了，那就是在自己的地盘上用自己的编译器编自己的应用程序。

与不使用操作系统的开发模式不同(此处的操作系统尤其指提供了专门的接口函数库的操作系统，目前的网线 串口线 并口(JTAG)UCOS就不算)，在目标板(就是实现系统的板子)使用操作系统的开发模式下，交叉编译环境中还需要该对应该操作系统的库。

比如uClinux提供的uClibc。

此时，开发用的主机上不光要有目标板CPU所需的编译工具，还要有对应操作系统的库，又因为一般库文件还要在开发机上拿目标CPU的编译器重新编译一下，所以还要把操作系统的原码也放到开发机上。

虽然操作系统的接口库至关重要，但大家似乎已经淡忘了它的存在。

这些多是因为大家已经远离了刀耕火种的年代(需要告诉编译器需要的include路径，lib路径，以及lib的名称)，集成的编译环境让我们编译链接的所有繁琐工作化作对BUILD按钮的潇洒一击。

而且不论是windows环境，还是linux环境，都有环境变量去记录这些参数。

但尝试将/usr/lib 目录改一个名字，你就会知道你不能无视他们的存在，因为操作系统的功能都是通过这些库来交给应用层程序使用的。

当然如果你的系统不依靠任何操作系统，像最原始的那种完全自己实现所有代码，就只需要一个编译工具，少了这些罗嗦事。

以上的东西一般时候是没有必要仔细研究，但交叉环境下开发或移植比较大的程序时，你可能就需要了解编译器，链接器等开发工具的几乎所有重要参数。

运行于Linux操作系统下的自由软件GNUgcc编译器，不仅可以编译Linux 操作系统下运行的应用程序、编译Linux本身，还可以作交叉编译，编译运行于其它CPU上的程序。

可以作交叉编译的CPU(或DSP)涵盖了几乎所有知名厂商的产品。

用于嵌入式应用的、众所周知的CPU包括：Intel的i386、Intel960、AMD29K、ARM、M32、MIPS、M68K、ColdFare、PowerPC、68HC11/12、TI 的TMS32等等。

详细列表可查看/reading网站。

GNUgcc编译器是一套完整的交叉C编译器，包括：◇C交叉编译器gcc；◇交叉汇编工具as；◇反汇编工具objdump；◇连接工具Ld；◇调试工具gbd。

常用的交叉编译器为3.4.1和2.95.3两个版本。

可以直接下载编译好的交叉编译器，自己去重新编译一下意义不是很大。

(1) gcc的基本规则Linux系统下的gcc（GNU C Compiler）是GNU推出的功能强大、性能优越的多平台编译器，是GNU的代表作品之一。

gcc是可以在多种硬体平台上编译出可执行程序的超级编译器，其执行效率与一般的编译器相比平均效率要高20%~30%。

gcc 编译器能将C、C++语言源程序、汇程式化序和目标程序编译、连接成可执行文件，如果没有给出可执行文件的名字，gcc将生成一个名为a.out的文件。

在Linux系统中，可执行文件没有统一的后缀，系统从文件的属性来区分可执行文件和不可执行文件。

而gcc则通过后缀来区别输入文件的类别，下面我们来介绍gcc所遵循的部分约定规则。

.c为后缀的文件: C语言源代码文件；.a为后缀的文件: 是由目标文件构成的档案库文件；.C，.cc或.cxx 为后缀的文件: 是C++源代码文件；.h为后缀的文件: 是程序所包含的头文件；.i 为后缀的文件: 是已经预处理过的C源代码文件；.ii为后缀的文件: 是已经预处理过的C++源代码文件；.m为后缀的文件: 是Objective-C源代码文件；.o为后缀的文件: 是编译后的目标文件；.s为后缀的文件: 是汇编语言源代码文件；.S为后缀的文件: 是经过预编译的汇编语言源代码文件。

(2) gcc的执行过程虽然我们称gcc是C语言的编译器，但使用gcc由C语言源代码文件生成可执行文件的过程不仅仅是编译的过程，而是要经历四个相互关联的步骤∶预处理(也称预编译，Preprocessing)、编译(Compilation)、汇编(Assembly)和连接(Linking)。

命令gcc首先调用cpp进行预处理，在预处理过程中，对源代码文件中的文件包含(include)、预编译语句(如宏定义define等)进行分析。

接着调用cc1进行编译，这个阶段根据输入文件生成以.o为后缀的目标文件。

汇编过程是针对汇编语言的步骤，调用as进行工作，一般来讲，.S为后缀的汇编语言源代码文件和汇编、.s为后缀的汇编语言文件经过预编译和汇编之后都生成以.o为后缀的目标文件。

当所有的目标文件都生成之后，gcc就调用ld来完成最后的关键性工作，这个阶段就是连接。