嵌入式开发过程及相关概念

嵌入式开发过程及相关概念

基于Linux/uClinux 的嵌入式产品的开发，在确定好产品需求之后，通常遵循如下的开发过程：

第1步. 确定硬件设备。包括处理器、存储设备、显示屏、触摸屏以及其他外设，比如网卡、声卡等。通常，我们可以从一些方案提供商那里购买得到比较符合自己需求的硬件开发板（或者硬件参考设计板），有了这类硬件板，我们就可以根据自己的需求进一步定制，从而缩短开发周期。

第2步. 移植操作系统并开发设备驱动程序。通常，针对一款新的硬件开发板移植

Linux/uClinux 操作系统是技术难度较高的工作。如果我们购买由方案供应商提供的硬件开发板，则内核和大部分设备驱动程序是现成的，我们只需要开发定制设备的驱动程序即可。

第3步. 编写自己的应用软件。利用Linux/uClinux 开发嵌入式产品有个最大的好处，就是我们可以在PC 环境上完成绝大多数的应用软件开发和调试工作。比如，如果您的产品需要从某个特定的网站下载一幅图片然后显示在屏幕上，则我们可以在PC 上实现该软件，之后移植到硬件板上即可。因为该程序涉及的主要接口：网络、显示卡等，不管在PC 上，还是在硬件开发板上，均保持一致的接口。于是，只要在PC 上运行正确，该程序就能够在嵌入式硬件开发板上正确运行。

第4步. 将应用软件移植到硬件板子上并进行测试及调试。这个过程主要就是将应用软件以及应用软件所使用的函数库等，通过交叉编译器编译成目标硬件板上的程序，然后和共享库、常用工具程序等一起，形成一个完整的文件系统映像，之后下载到硬件板上，并在硬件板上进行应用软件的测试和调试。需要注意的是，因为嵌入式系统上的资源毕竟有限，比如内存的可获得性、存储空间的可用性等均会影响程序的正常运行，因此，我们需要在实际的硬件板上运行应用程序以便测试整个系统。

第5步. 通常，上述步骤符合一种迭代关系。进行到第4步时，也许我们会发现应用程序本身的一些问题，也许会发现驱动程序存在问题。这时，我们就要回到第2步、第3步修正错误并开展第二次迭代。当然，也有可能会发现我们最初选择的硬件性能和能力有缺陷，从而会导致从第1步重新来过。

第6步. 经过严格测试之后，整个硬件和软件系统就可以交给产品设计部门设计外观和模具并最终到生产线上生产了。以上就是基于Linux/uClinux 的嵌入式产品开发的一般过程。接下来我们重点介绍上述过程中的一些重要概念。

交叉编译

交叉编译是嵌入式开发中最常见的概念。交叉编译是相对于通常桌面上的开发而言的。在我们开发Windows 程序时，我们通常在Windows 平台上运行一个集成开发环境，编写代码，然后利用集成开发环境所带的编译器将代码编译并连接成Windows 平台上的程序，之后还可以在集成开发环境中运行并调试该程序。这种开发方式对PC 而言是非常方便的，因为PC 平台的软硬件配置已经足以完成编译程序这类计算量非常大的工作。然而，对嵌入式系统来讲，由于其硬件能力所限，我们不可能在嵌入式系统上安装编译器和连接器，然后在嵌入式系统上编写代码、编译并连接程序。于是，就出现了交叉编译器

（cross-compiler）。交叉编译器通常运行在某台功能足够强大的宿主机（host）上，可用来编译某个源程序，然后生成针对特定目标平台（target）的代码。

通常来讲，C 语言的交叉编译环境主要由如下几个部分组成：

?交叉编译器及相关二进制工具（连接器、归档工具、符号剥离器等）。

?针对目标平台的C 头文件。不同的目标平台具有自身特有的函数库及对应的头文件，这样，在宿主机上，我们就需要保留一份针对该目标平台的头文件，以便用来交叉编译C 程序。

?针对目标平台的C 函数库。和头文件一样，在宿主机上，我们也要保留一份针对特定目标平台的函数库，以便连接生成最终的目标程序。

构成交叉编译环境的以上各部分，通常又称为交叉“工具链（toolchain）”。我们在开发嵌入式系统之前，通常要做的第一件事情就是安装交叉工具链。

我们举例说明普通编译和交叉编译的不同。同样是下面的helloworld 程序：

#include

int main (void)

{

printf (“Hello, world\n”);

return 0;

}

当我们在一台Linux PC 机上进行正常编译时，我们使用下面的命令：

user$ gcc –o helloworld helloworld.c

其中，gcc 就是普通的本机 C 编译器。该编译器在遇到#include 这一预编译指令时，将在本机的/usr/include 或者/usr/local/include 目录下寻找stdio.h 这个文件。当gcc 正确编译上述代码，要连接生成helloworld 程序时，gcc 就会调用本机连接器（ld），并连接本机/lib 目录下的默认 C 函数库libc.so。当我们在一台Linux PC 上针对一款ARM 硬件平台交叉编译该程序时，我们使用下面的命令：

user$ arm-linux-gcc –o helloworld helloworld.c

其中，arm-linux-gcc 是针对ARM 硬件平台的交叉编译器，该交叉编译器是可运行在PC 平台上的本机程序。当它遇到#include 这一预编译指令时，将在交叉编译环境中寻找stdio.h 这个头文件，而在连接生成目标平台的可执行程序时，也会在交叉编译环境中寻找libc.so 这个函数库。这里的交叉编译环境指本机上的一个目录树结构，这个目录树通常和本机的开发环境类似，但位于不同的文件系统位置上，以避免和本机开发环境相混淆。以常用的arm 的开发工具链为例，交叉编译器及二进制工具会被安装到

/usr/local/arm-linux/bin/ 目录下，头文件会被安装到

/usr/local/arm-linux/arm-linux/include/ 目录下，而函数库会被安装到

/usr/local/arm-linux/arm-linux/lib/ 目录下。在安装了交叉工具链之后，为了正确运行上述命令，我们通常还要如下设置PATH 环境变量：

user$ export PATH=:/usr/local/arm-linux/bin:$PATH

这样，Shell 命令解释器就能够找到arm-linux-gcc 的正确路径并执行上述命令。一般情况下，我们不需要特别指出头文件和函数库所在位置，交叉编译器会在默认的位置寻找头文件及库函数。然而，在某些情况下，尤其是在进行uClinux 开发时，我们可能会希望使用不同的库函数（比如uClibc），这时，就需要通过–I、-L 等选项特别指定头文件和库函数的位置。这将在后面的章节中详细讨论。

内核移植