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嵌入式系统教案

嵌入式系统教案. 北京建筑工程学院 . 计算机系. 2014/8/20. 第五章 -2 嵌入式软件设计. 提纲. 嵌入式软件开发的特点. 1. 2. 嵌入式软件的开发流程. 3. 嵌入式软件的调试. 4. ARM 集成开发环境. 嵌入式软件设计. 嵌入式软件开发的特点. 需要交叉开发环境 。交叉开发环境是指实现编译、链接和调试应用程序代码的环境。与运行应用程序的环境不同，它分散在有通信连接的宿主机与目标机环境之中。

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  1. 嵌入式系统教案 北京建筑工程学院.计算机系 2014/8/20

  2. 第五章-2 嵌入式软件设计 提纲 嵌入式软件开发的特点 1 2 嵌入式软件的开发流程 3 嵌入式软件的调试 4 ARM集成开发环境

  3. 嵌入式软件设计 嵌入式软件开发的特点 • 需要交叉开发环境。交叉开发环境是指实现编译、链接和调试应用程序代码的环境。与运行应用程序的环境不同，它分散在有通信连接的宿主机与目标机环境之中。 • 宿主机(Host)：是一台通用计算机，一般是PC机。它通过串口与目标机通信。宿主机的软硬件资源比较丰富，包括功能强大的操作系统及相应的集成开发工具。 • 目标机(Target):在嵌入式软件开发期间使用，目标机可以是嵌入式应用软件的实际运行环境，也可以是能替代实际环境的仿真系统。目标机体积小，集成度高。目标机硬件资源有限，软件可以裁减，也可以配置。

  4. 嵌入式软件设计 嵌入式软件开发的特点 • 引入任务设计方法。嵌入式应用系统以任务为基本的执行单元。嵌入式系统的设计通常采用DARTS（Design and Analysis of Real-Time Systems）设计方法进行任务的设计。DARTS给出了任务划分的方法和定义任务间接口的机制。 • 需要固化程序。通用软件的开发在测试完成以后就可以直接投入运行。其目标环境一般是PC机，在总体结构上与开发环境差别不大。而嵌入式应用程序开发环境是PC机，但运行的目标环境却千差万别，可以是PDA，也可以是仪器设备。而且应用程序在目标环境下必需存储在非易失性存储器中，保证在关机后下次的使用。 • 软件开发难度大。嵌入式应用软件对稳定性、可靠性、抗干扰、实时性等性能要求比通用软件的要求更为严格。

  5. 嵌入式软件设计 嵌入式软件的开发流程 1.需求分析阶段 包括：对问题的识别和分析，制定规格说明文档和需求评审。 2.设计阶段 包括：系统设计、任务设计和任务的详细设计。 3.生成代码阶段 包括：代码编程、交叉编译和链接、交叉调试和测试等。 注：嵌入式集成开发环境都支持交叉编译、链接，如WindRiver公司的Tornado及GNU套件，微软公司的EVC＋＋嵌入式开发环境，RAM公司提供的ADS、SDT等。

  6. 嵌入式软件设计 嵌入式软件的开发流程 4.固化阶段 嵌入式应用软件调试完成以后，编译器要对源代码重新编译一次，以产生固化到目标环境的可执行代码，再烧写到目标环境的Flash中。可执行代码烧写到目标环境以后，还要进行运行测试，以保证程序正确无误。固化测试完成后，整个嵌入式应用软件的开发就基本完成了。

  7. 宿主机 目标机 ARM硬件平台 嵌入式软件设计 嵌入式软件的开发流程

  8. 嵌入式软件的调试 常用调试方法 • 软件仿真（源程序模拟器方式） • 在PC机上，通过软件手段模拟执行为某种嵌入式处理器编写的源程序。 • 驻留监控程序（监控器方式） 监控程序是一段运行于目标机上的可执行程序，主要负责监控目标机上被调试程序的运行情况。它与宿主机端的调试器一起完成对应用程序的调试。被调试程序下载到目标机，就可以进行调试。监控程序一般可完成设置断点、单步执行、查看寄存器或内存空间的值等各项功能。 • 不需要专门的调试硬件 • 需要占用目标板上的一部分资源 • 不能对程序进行完全仿真，主要用于调试在目标机操作系统上运行的应用程序，不适于调试目标操作系统。

  9. 嵌入式软件的调试 常用调试方法 • JTAG仿真器（ICD，In-Circuit Debugger,在线调试器） 通过JTAG口与 目标机的CPU进行通信。 • 完全非插入式调试，不使用片上资源，无需目标存储器，不占用目标系统的任何端口 • 仿真效果更加接近于目标硬件 在线仿真器（ICE，In-Circuit Emulator） ICE是一种完全仿造调试目标CPU设计的仪器。该仿真器可以真正运行所有的CPU动作。使用ICE同使用一般的目标硬件一样，只是在ICE上完成调试之后，需要把调试好的程序重新下载到目标系统上而已。

  10. ARM软件开发工具 ARM主流开发工具 • Windows操作系统 • ARM ADS/SDT + 调试器 • GNU + Cygwin + 调试器 • ARM SDT + 简易电缆 • Linux操作系统 • GNU + GDB

  11. ARM软件开发工具－ADT IDE ADT for ARM集成开发系统

  12. 作业 • 嵌入式软件开发的特点是什么？ • 写出嵌入式系统软件开发的流程。 • 嵌入式系统有哪几种调试方式？现在最流行的是哪种？使用什么接口？

  13. 主要内容 ARM集成开发环境 • ARM开发工具概述 • ARM开发系统的安装 • ARM JTAG 仿真器配置 • 新建工程项目 • 编译工程项目 • AXD调试器的使用方法

  14. ARM集成开发环境 ARM开发工具概述(一) 基于ARM的开发，需要借助硬件工具和软件工具。硬件工具主要是ARM在线仿真器、评估板等，软件工具包括编辑汇编、编译链接、调试软件、嵌入式操作系统和函数库。目前世界上有诸多公司提供以上不同类别的软硬件产品。 开发者选用ARM处理器开发嵌入式系统时，选择合适的开发工具可以加快进度，节省开发成本。因此一套运行于PC机上，含有编辑软件、汇编软件、连接软件、调试软件、项目管理以及函数库的集成开发环境(IDE，Integrate Develop Enviorment)是必不可少的。集成开发环境用于开发ARM的应用和驱动程序，而调试工作需要借助于ARM实时仿真器和评估板方可完成。

  15. ARM集成开发环境 ARM开发工具概述(一) 实际上，多数嵌入式开发者都借助Windows平台的IDE环境和ARM实时仿真器来开发驱动和应用程序，再将其移植到其它嵌入式操作系统上。 常用的集成开发环境(IDE)有ARM SDT,ARM ADS,MULTI2000,Hitool for ARM等，较为流行的仿真器如Multi-ICE,ARM JTAG等。这里主要介绍ARM ADS集成开发环境和ARM Multi-ICE JTAG仿真器。

  16. ARM集成开发环境 ARM开发工具概述(二) • 软件工具 • ARM ADS(ARM Developer Suite)是ARM公司推出的新一代ARM集成开发软件环境，用以取代ARM公司以前推出的ARM SDT开发软件，目前用户使用的ARM ADS新版本为ADS1.2。 • ARM ADS对ARM SDT的模块进行了增强，替换了部分SDT的部件。ADS由命令行开发工具，ARM时实库，GUI环境(Code Warrior和AXD)，实用程序和支持软件组成。有这些部件，用户就可以为ARM系列的RISC处理器编写和调试自己的应用程序。

  17. ARM集成开发环境 ARM开发工具概述(二) • 软件工具 • ADS支持所有的ARM体系处理器，包括ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、ARM10E和Intel Xscale系列，除支持Windows平台操作系统外，还支持在 RedHat Linux操作系统上的运行。 • 这里介绍基于Windows平台的ARM开发，让您快捷掌握Code Warrior和AXD的使用，致力于ARM的开发。

  18. ARM集成开发环境 ARM开发工具概述(三) • 硬件工具 • ARM Multi-ICE JTAG仿真器是SoC应用开发的强大调试工具，是进行硬件开发、驱动程序调试、应用软件开发的必备工具。它用于ARM处理器内核软件调试，符合IEEE 1149.1规范，可以满足更多用户对ARM处理器内核软件的开发、调试需求。 • ARM Multi-ICE JTAG仿真器支持所有内含embedded-ICETMlogic的基于ARM内核的芯片，同时也支持所有新的尚在开发中的ARM内核SoC芯片。通过JTAG仿真器，用户可以轻松修改寄存器、存储器、设置断点、观察窗口、程序下载及RealMonitorTM 实时调试。 • ARM Multi-ICE JTAG仿真器配备ARM ADS软件集成开发调试环境，编译、链接、可视化调试一应俱全，软件模拟、项目管理方便快捷，快速提高代码开发效率。

  19. ARM开发工具概述(四) ARM集成开发环境 • ARM JTAG主要特征如下： • 支持所有内建Embedded-ICE逻辑单元的ARM处理器 • 支持多个内核系统 • 支持ARM ADS1.2开发环境 • 连接简便，兼容不同电压的目标系统 • 用户可通过JTAG修改寄存器、存储器内容等 • 除JTAG扫描链外，不占用目标板上的其它任何资源 • 支持实时硬件断点 • 支持程序下载及实时调试 • 通信速度快，高速数据下载可达130KB/S • JTAG速度可配置，以满足不同调试对象的需求 • 支持所有符合RDI 1.50或RDI 1.51规范的调试工具软件 • 支持多目标平台,如ATMEL、SamSung、Intel、Philips、Sharp • 提 供丰富的例程和使用说明 • 体积轻巧，性能稳定

  20. ARM开发工具概述(五) ARM集成开发环境 • ARM Multi-ICEJTAG实时仿真器支持的ARM内核： • ARM7TDMI ARM710T ARM7TDMI-S • ARM7DMI ARM720T ARM740T • ARM7TDI-S ARM7EJ-S ARM926EJ-S • ARM9TDMI ARM9E-S ARM940T • ARM946E-S ARM920T ARM966E-S • ARM1020E ARM922T ARM966E-S • Intel XScale PXA210 PXA250 80200 • 支持的操作系统： • Windows 98/NT/2000/ME/XP • X86 RedHat Linux 6.2/7.2/8.0

  21. ARM开发系统的安装(一) ARM集成开发环境 • 硬件连接 • ARM Multi-ICEJTAG使用标准的25pin并口插座和20pin的JTAG插座作为接口。有的目标板可能使用14pin的JTAG插座，它的信号定义和20pin的JTAG接口的信号排列顺序如下图1。对于这两类接口，它们相同信号的电气特性一样，因此可以把对应的信号直接相连进行转换。20pin和14pinJTAG接口信号定义

  22. ARM开发系统的安装(二) ARM集成开发环境 ARM开发系统的硬件连接如下图所示：

  23. ARM开发系统的安装(三) ARM集成开发环境 • 软件安装 • 开发PC主机系统需求： • Pentium IBM兼容PC，带有可用的并口 • CD-ROM驱动器 • 200MHz以上CPU • 300MB以上空闲硬盘空间 • 32MB（Win98）或64MB（Win2000）以上内存空间 • 建议Microsoft Windows 98或2000操作系统 ARM开发系统软件的安装过程分为两步： 1、安装ARM Multi-ICE，这是仿真器驱动程序。 2、安装ARM Developer Suite(ADS)，这是ARM的集成开发环境。 插入安装光盘后，按照默认的设置进行安装即可。

  24. ARM JTAG仿真器配置(一) ARM集成开发环境 1.按照硬件连接图所示,做好仿真器、目标板和PC机的硬件连接.需要注意的是：要先给仿真器加电,然后再给目标板加电。 2.打开“开始程序ARM Multi-ICE v2.2”运行Multi-ICE server，启动仿真器驱动。

  25. ARM JTAG仿真器配置(二) ARM集成开发环境 3. 点击FileAutoconfigure或相应快捷键，自动连接仿真器，如下图所示。仿真器能够检测ARM目标板的CPU型号或者ARM内核级别，这就表明仿真器已经连接并能够仿真目标板。

  26. ARM JTAG仿真器配置(三) ARM集成开发环境 对于某些ARM内核的CPU来说，在点击FileAutoconfigure自动配置时可能会出现“UNKNOWN”的情况，这属于正常现象。这时，用户需要根据自己的内核级别，进行手动配置。这里以ARM920T内核为例，简要介绍。

  27. ARM JTAG仿真器配置(四) ARM集成开发环境 A：首先要建立相应ARM内核的配置文件。新建一文本格式的文件，以 cfg 为扩展名，比如：AT91RM9200DK.cfg，最好保存到ADS的安装 目录 C：\Program Files\ARM\Multi-ICE路径下。 文件的内容如下： [Title] ATMEL AT91RM9200 Demonstration Kit ;---------------------- THUNDER part --------------------------- [TAP 0] ARM920T ; Tell the Server to interrogate the device to gather IDCODE details ; For manual configuration the default is NO if not specified [TAPINFO] YES [Timing] Low=0 ; this equates to 10MHz TCK frequency High=0 Adaptive=OFF ; do not use adaptive clocking

  28. ARM JTAG仿真器配置(五) ARM集成开发环境 B：打开“开始程序ARM Multi-ICE v2.2”运行Multi-ICE server，启动仿真器驱动。点击FileAutoconfigure自动配置,等待出现“Unknow”提示。然后打开FileLoad-Configuration选项。 在弹出的对话框中查找并加载在上面建立的文件AT91RM9200DK.cfg。

  29. ARM JTAG仿真器配置(六) ARM集成开发环境 调入该文件后，Multi-ICE Server能够检测ARM内核，说明手动配置成功。 图7 如果仿真器连接到PC机，刚打开Multi-ICE Server时出现警告，或者该窗口右下角的两个绿灯不亮，应该检查仿真器、电源及其连接是否有故障。

  30. 新建工程项目(一) ARM集成开发环境 1．打开“开始程序ARM Developer Suite v1.2Codewarrior for ARM Developer Suite”，进入ADS集成开发环境。 2．从FilesNew菜单新建一个工程项目，如下图所示。

  31. 新建工程项目(二) ARM集成开发环境 3．在New对话框的Project选项卡中创建新工程项目。如图所示：ProjectARM Executable image，用于生成一个可执行的ELF格式的映像文件。在Project Name文本框中填写将要建立的工程项目的名称，在Location文本框中设置工程项目的路径。

  32. 新建工程项目(三) ARM集成开发环境 4．单击“确定”，这样根据工程项目模板就生成一个新工程项目，如下图所示。可以查看在“Location”所指定的文件夹下，生成了一个XXX文件夹，它又包括XXX_Data文件夹和一个XXX.mcp文件。

  33. 新建工程项目(四) ARM集成开发环境 5．新建一个源文件：FilesNewfileText file，如图所示：

  34. 新建工程项目(五) ARM集成开发环境 在File Name 填写源文件名称（如init.s），在Location设置源文件的路径。建议新建文件路径和项目路径一致。这里，可以选中“Add to project”项，在Project下拉列表中选择想要加入的工程项目的名称（即上面所建立的 XXX.mcp），并选中Target目标栏中“Debug”、“DebugRel”和“Release”选项。 6．在新建的文本文件中编写程序代码，如下图所示：

  35. 新建工程项目(六) ARM集成开发环境 编辑完成后，保存该项目文件。如果该项目包括多个文件，继续新建文件直至完成。

  36. 新建工程项目(七) ARM集成开发环境 7．添加所有源文件到项目工程。 　　如果在第5步中没有选中“Add to project”项，在项目文件下的空白处单击右键，选择“Add files”，在弹出的对话框中选择刚才新建的文件，全部加载到该项目中。 加载完成后，一个完整的项目工程就建立成功！

  37. 编译工程项目(一) ARM集成开发环境 1．设置编译环境。 可以看到TargetS中有三个目标：DebugRel、Debug、Release， 默认的目标为DebugRel（带有基本调试信息）,用于调试时可以 选择Debug（带有全部调试信息）. 通过DebugRel Settings对话 框设置的各种选项对于其它两个目标无效，Targets页面如图所 示。

  38. 编译工程项目(二) ARM集成开发环境 2．打开Target Settings。 值得注意的是Post-Linker，用于选择对连接器输出的文件的处 理方式，经常使用的是：ARM fromELF,它可以将ELF格式的文 件转换成各种二进制文件格式供下载使用。同时确定“Output Directory”中的路径，在“Access Paths”下设置你所建的项目下 的XXX.axf文件的路径，下图为Target Settings设置页面。

  39. 编译工程项目(三) ARM集成开发环境 3．编译器的选项设置。 首先打开Language Settings项下的ARM Assembler，这是ARM汇编编译 器的选项。这里根据目标系统的实际情况，将ARM Assembler中的处理器 类型（Architecture or Processor）设置为ARM920T。

  40. 编译工程项目(四) ARM集成开发环境 打开Language Settings项下的ARM C Compiler选项，这是armcc编译器的选项。将ARM C Compiler中的处理器类型也设置为ARM920T。如果需要使用 C++和Thumb指令集，则应将ARM C++ Compiler，Thumb C Compiler和Thumb C++ Compiler也作同样的设置。

  41. 编译工程项目(五) ARM集成开发环境 其它各个选项一般按默认设置即可:ARM920T,Pure-endian softfp， litter endian，ANSI/ISO Standard C。 4．连接器的选项设置。 选择Linker下的ARM Linker选项。 打开Output选项卡,需要注意的 是RO Base，它是用来设置映象文件中RO属性输出段的加载时地址 和运行时地址,该地址值必须是字对齐的。它应该在RAM区，如果 没有指定地址值,使用默认地址0x8000。 在AT91RM9200实验箱中，当系统上电或复位时，固化在Flash中 Boot程序首先运行，将SDRAM映射在0x2000,0000~0x2200,0000-1 （32MB）的地址空间。因此，该RO值只要设置在上述地址范围即 可，当然也可以设置在内部RAM区域，即0x200000。下图为ARM Linker设置页面。RW Base设置映像文件中包含RW属性和ZI属性 的输出段的运行时域的起始地址，该地址必须字对齐。如果它与- split一起使用，会将映像文件中RW/ZI属性输出段的加载时地址和 运行时地址都设置为文本框中的值。

  42. 编译工程项目(六) ARM集成开发环境 如果没有选择RW Base选项，映像文件中只包含一个加载时域和一个运行时域。此时，RO属性的输出段、RW属性的输出段以及ZI属性的输出段都包含在同一时域中。当设置RW Base选项时，映像文件包括两个运行时域，一个包含RO属性的输出段，另一个包含RW/ZI属性的输出段。同样，指定-split选项后，映像文件包括两个加载时域。

  43. 编译工程项目(七) ARM集成开发环境 • Layout选项卡，在连接方式为Simple时有效，它安排一些输入段在映像文件中的位置。 • Place at the beginning of image选项组，用于指定将某个输入段放置在它所在的运行时域的开头。比如将复位异常中断处理程序的输入段放置在运行时域的开头。有以下两种方式指定输入段： • 在Object/Symbol文本框中指定符号名称，则定义该符号的输入段被指定。 • 在Object/Symbol文本框中指定目标文件名称，在Section文本框中指定一个输入段名称，从而确定一个输入段作为指定的输入段。 Place at the end of image选项组，用于指定将某个输入段放置在它所在运行时域的结尾。比如包含校验和数据的输入段通常放置在运行时域的结尾。指定一个输入段的方法与Place at the beginning of image选项组相同，通常可以不予设置。

  44. 编译工程项目(八) ARM集成开发环境 这里采用方法二，将Object/Symbol设置为init.o，Section设置为Init，这些选项保证初始化代码在所有其它代码之前被执行。init.o目标文件是由汇编文件init.s生成的，Init是输入段名称，在init.s的AREA伪代码语句处定义。组合框Place at the end of image中的输入段设置可以忽略。

  45. 编译工程项目(九) ARM集成开发环境 5．fromELF工具选项。 打开Linker项下的ARM fromELF选项，将其中的output format设置为Plain binary ，该选项设置输出目标文件的格 式，有多种类型供选择。 为ARM fromELF中的Output file name指定文件名。此设置可以省略， 使用缺省文件名即工程名.bin，默认存放在DebugRel/Debug下。

  46. 编译工程项目(十) ARM集成开发环境 6．项目编译。 　　设置好编译连接的参数后，选中图中红圈所示的编译按钮，对整个工 程编译。当然选中一个.s文件或.c文件，单击鼠标右键可以对单个文件进行 编译。直到弹出的错误和警告信息为“0 error, x warnings”时，整个项目的 编译成功，方能进入调试环境。也可以通过单击Project菜单下的Make命令 或者快捷键F7来进行编译连接和输出目标文件。

  47. AXD调试器的使用(一) ARM集成开发环境 • AXD Debugger是用户用来调试应用程序的开发环境，支持软件仿真和带目标系统的硬件仿真两种方式。其中，软件仿真方式无需用户硬件系统的支持，使用宿主机的CPU模拟ARM微处理器的运行，可进行与硬件无关的应用程序的调试和运行。 • 当需要进行带目标系统的硬件仿真，调试和运行与硬件相关的应用程序时，必须建立AXD Debugger与目标系统的连接。在此之前，应先对AXD Debugger进行如下配置，步骤如下： • a.配置ARM Multi-ICE V2.2 • 做好仿真器和目标系统的硬件连接，先后给仿真器和目标系统上电。 • 运行Multi-ICE Server，进行自动配置或者手动配置，确保ARM实时仿真器能够检测到ARM内核。

  48. AXD调试器的使用(二) ARM集成开发环境 b.配置调试环境 打开AXD Debugger窗口，打开OptionsConfigure Target选项，出现目标选择的对话框。用户安装后第一次使用AXD时，需要添加仿真器的目标环境。 点击“Add” 按钮，在出现的浏览框中查找Multi-ICE.dll文件。

  49. AXD调试器的使用(三) ARM集成开发环境 根据Multi-ICE的安装路径（默认安装的路径是C：\Program Files\ARM\Multi-ICE）选定Multi-ICE.dll文件，然后点击 “确定” 按钮。出现以下画面：

  50. AXD调试器的使用(四) ARM集成开发环境 点击　“OK” 按钮 ，进入Multi-ICE的设置对话框。

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