1、黃河科技學院 第 I 頁題目（基于ARM的嵌入式軟件開發(fā)的研究）院（系）名稱信息工程學院專 業(yè) 名 稱測控技術(shù)與儀器學 生 姓 名李子文學 生 學 號1101190041 2014年10月26日摘 要嵌入式系統(tǒng)為控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機器或用于工廠運作的設(shè)備，ARM作為一種嵌入式系統(tǒng)處理器，以高性能、低功耗、低成本等優(yōu)點占領(lǐng)了大部分市場。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等部分組成，用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。本文主要介紹了基于ARM-Linux的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)利用、嵌入式系統(tǒng)的概念、組成及嵌入式系統(tǒng)上的應(yīng)用程序，簡述了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程

2、，最后預(yù)測了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展前景和發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：ARM，嵌入式，Linux，嵌入式系統(tǒng) 黃河科技學院 第 8 頁黃河科技學院 第 頁Based on ARM embedded software development researchAbstractEmbedded system to control, monitor or auxiliary equipment, machines, or for the operation of the plant equipment, ARM processor, as a kind of embedded system, with high per

3、formance, low power consumption, low cost advantages, such as occupied most of the market. It usually consists of embedded microcontroller processor, peripheral hardware, embedded operating system and user application components, such as used to implement the control of the other devices, such as mo

4、nitoring or management function. Based on ARM - Linux is mainly introduced in this paper the concept of development and utilization of the embedded system, embedded system, composition and application of embedded system, this paper expounds the development process of embedded system, finally forecas

5、ts the development prospect and development direction of the embedded system. Keywords: ARM, embedded Linux, embedded systems黃河科技學院 第 頁目 錄1 基于ARM的嵌入式系統(tǒng)11.1嵌入式系統(tǒng)的定義及特點11.2嵌入式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)12 嵌入式軟件系統(tǒng)開發(fā)方法22.1 交叉編譯環(huán)境的建立22.2引導程序Bootloader的開發(fā)32.3 Linux內(nèi)核開發(fā)33 基于ARM的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用概況53.1嵌入式系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀53.2基于ARM的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域54 嵌入式系

6、統(tǒng)的發(fā)展前景75總結(jié)8參考文獻：9黃河科技學院 第 8 頁1 基于ARM的嵌入式系統(tǒng)1.1嵌入式系統(tǒng)的定義及特點嵌入式系統(tǒng)是用來控制或者監(jiān)視機器、裝置、工廠等大規(guī)模設(shè)備的系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系。它與普通的計算機系統(tǒng)有著較大差別，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1.嵌入式系統(tǒng)主要是為某種特定的應(yīng)用而設(shè)的，系統(tǒng)的建立都是與應(yīng)用結(jié)合在一起的；2.為了使嵌入式系統(tǒng)的可靠性高和功耗小，就要求嵌入式系統(tǒng)的軟硬件都是可以自由添加和刪除的；3.嵌入式系統(tǒng)的控制程序可以直接燒錄到芯片之中，不需要磁盤載體；4.為了能把控制程序燒

7、錄到嵌入式系統(tǒng)的芯片中，就必須要有一套與嵌入式系統(tǒng)配套的編譯軟件和燒錄工具。11.2嵌入式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)主要有嵌入式軟件和嵌入式硬件兩部分組成，硬件主要包括各種電子元件搭建的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中最主要的部分就是控制微處理器；軟件就是為完成特定工作程序和程序運行所需要的平臺環(huán)境。一般的嵌入式系統(tǒng)大致可以分為4個部分：嵌入式處理器、嵌入式外圍設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用軟件，其層次關(guān)系如圖1所示。圖1 嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)2 嵌入式軟件系統(tǒng)開發(fā)方法ARM(Advanced RISC Machines)是一個于1990年成立于英國劍橋的公司，主要以芯片銷售為主，公司的前身是上個世紀80年代的A

8、corn Computers公司，以開發(fā)處理器為主要業(yè)務(wù)。隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的逐漸深入，ARM便被用來代替微處理器，有時也是嵌入式技術(shù)的一種稱呼。現(xiàn)如今，基于ARM微處理器的嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，包括工業(yè)自動化控制、電子數(shù)碼消費產(chǎn)品、智能家電、通信工程、無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及軍事領(lǐng)域等。2基于ARM微處理器的嵌入式系統(tǒng)之所以能有如此廣泛的應(yīng)用，主要是因為：1.體積小、低功耗、低成本、高性能；2.支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件；3.大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；4.大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；5.尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；6.指

9、令長度固定。因此基于ARM的嵌入式系統(tǒng)今后將會有更廣泛的應(yīng)用前景。本文主要是將ARM處理器應(yīng)用到Linux系統(tǒng)開發(fā)中，以搭建ARM-Linux軟件開發(fā)平臺為例來深入研究基于ARM微處理器的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。2.1 交叉編譯環(huán)境的建立嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件需要在嵌入式系統(tǒng)適合的平臺上運行，而對于大部分的Linux系統(tǒng)而言，是沒有足夠的資源來為嵌入式系統(tǒng)的軟件提供開發(fā)工具和調(diào)試工具的。因此，為了保證嵌入式系統(tǒng)的正常運行，為嵌入式系統(tǒng)的軟件搭建一個開發(fā)運行平臺是必需。大部分的嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)所采用的都是一種交叉式編譯方式，即編譯、鏈接和調(diào)試的過程既可以在PC機上進行，也可以在目標機上進行。3通過上面的

10、介紹可以了解到，所謂交叉編譯環(huán)境的搭建就是為了將軟件代碼編譯好，燒錄到嵌入式開發(fā)板中，以便其完成特定工作。因此交叉編譯環(huán)境需要一臺PC機作為主機，還需要執(zhí)行命令的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板，在主機上，通過編譯軟件將命令代碼編譯成開發(fā)板識別的語言燒錄到其中，以便執(zhí)行任務(wù)。PC機與嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板（ARM板）之間通過交換機（switch）鏈接到一起，交換機與開發(fā)板之間的鏈接是通過串口和網(wǎng)線相連的。PC機在Linux系統(tǒng)上用交叉編譯軟件將命令代碼編譯為機器識別的二進制代碼后，經(jīng)由交換機，通過串互協(xié)議和TFTP協(xié)議，將其燒錄到開發(fā)板上。具體的操作流程如圖2所示。圖2 交叉編譯環(huán)境2.2引導程序Bootloade

11、r的開發(fā)Bootloader是嵌入式系統(tǒng)在加電后執(zhí)行的第一段代碼，在它完成CPU和相關(guān)硬件的初始化之后，再將操作系統(tǒng)映像或固化的嵌入式應(yīng)用程序裝在到內(nèi)存中然后跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)所在的空間，啟動操作系統(tǒng)運行。4命令代碼燒錄到嵌入式開發(fā)板后，在運行之前，必須將嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)備初始化，將內(nèi)存釋放，使新程序的運行達到一個良好的狀態(tài)，以保證程序的順利運行，也便于在出現(xiàn)故障后能保護系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序。因此，嵌入式系統(tǒng)需要通過運行一個引導程序Bootloader來完成上述工作。PC主機和目標開發(fā)板之間的連接有一支路是通過串口連接的，這在圖2中可以看到。Bootloader引導程序工作的時候是通過串口來進行數(shù)

12、據(jù)的錄入和輸出操作的。2.3 Linux內(nèi)核開發(fā) Linux是最受歡迎的自由電腦操作系統(tǒng)內(nèi)核 ，Linux內(nèi)核的主要模塊（或組件）分以下幾個部分：存儲管理、CPU和進程管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備管理和驅(qū)動、網(wǎng)絡(luò)通信，以及系統(tǒng)的初始化（引導）、系統(tǒng)調(diào)用等。 Linux內(nèi)核的開發(fā)主要包括Linux的配置和編譯過程，以及最后形成Linux的映像文件。對于嵌入式Linux內(nèi)核的配置流程主要包括以下幾個步驟：(1)根據(jù)Linux內(nèi)核的源代碼信息下載對應(yīng)的ARM補丁，然后將補丁打上。Linux內(nèi)核的源代碼信息可以到arch/arm子目錄中查看，頭文件信息可以在include/asm-arm目錄中找到，

13、接著需要修改Makefile文件，并定制相應(yīng)的交叉編譯器，搭建交叉編譯環(huán)境。(2)在對Linux內(nèi)核的源代碼進行相應(yīng)的修改之后，為了確保交叉編譯器的正常使用，需要將修改后的信息進行重置，這樣能保證硬件配置和應(yīng)用開發(fā)環(huán)境都能適應(yīng)新的內(nèi)核配置?；贏RM的Linux嵌入式系統(tǒng)包括接收模塊、執(zhí)行模塊和編譯分析模塊，每個模塊間的活動都是根據(jù)命令流的指示進行，共同協(xié)調(diào)來完成特定的任務(wù)。對于一個比較大型的系統(tǒng)來說，系統(tǒng)是由很多不同的構(gòu)件所組成的，而每個構(gòu)件又由很多的子結(jié)構(gòu)形成，每部分都需要指令接收、解析、執(zhí)行，因此只有將這些部分全部有機組合起來才能構(gòu)成一個完整的嵌入式系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。5嵌入式系統(tǒng)中信息的解

14、析主要分為變換分析和事務(wù)分析，這兩種分析方式應(yīng)用的場合不同，在不具有顯著數(shù)據(jù)流的情況下應(yīng)使用變換分析法來進行解析，相反若具有了顯著的數(shù)據(jù)流信息，則就要采用事務(wù)分析法。總之對于這兩種解析法的運用要遵循靈活的原則，不能只認準其中的一種，要綜合運用，對于負責的大系統(tǒng)而言，先將系統(tǒng)細化，再對于不同部分有針對性地采用相應(yīng)的解析方法。3 基于ARM的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用概況3.1嵌入式系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的應(yīng)用范圍越來越廣，幾乎覆蓋了人類日常生活的各個方面，像手持電腦終端、電視機等終端、廚房的智能電器、家電、車載多媒體設(shè)備、醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備及排號機等很多的公共服務(wù)設(shè)施。隨著科技的不斷進步，社會的信息化、智能

15、化及網(wǎng)絡(luò)化都大跨步發(fā)展，這也為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展提供了更廣闊的空間，為其進入更多的領(lǐng)域提供了技術(shù)支持。如在自動控制領(lǐng)域，各種自動控制的機床、車床廣泛應(yīng)用于機械加工，自動化的汽車組裝流水線用于汽車的組裝，保質(zhì)保量；在通信領(lǐng)域，各種智能手機系統(tǒng)都是基于ARM嵌入式系統(tǒng)研制而成，還有很多的終端等都是基于嵌入式系統(tǒng)而發(fā)明的，可以說嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)融入到了社會的各個方面。3.2基于ARM的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域上面綜合介紹了ARM嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展概狀，其廣泛的應(yīng)用前景如圖3所示。圖3 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域其應(yīng)用領(lǐng)域概括為如下幾個方面：（1）在工業(yè)控制方面：各種自動化控制設(shè)備中大量使用了基于ARM式的嵌入式微控制器

16、。（2）在交通管理方面：汽車本身的影音系統(tǒng)及導航系統(tǒng)都是在嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上制造的，用以增加駕乘樂趣和駕駛的簡易性；交管部門對于道路情況的監(jiān)管，對于交通設(shè)施的控制也都應(yīng)用了嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品。（3）在信息家電方面：最主要的一種應(yīng)用就是智能家居，這也是以后人類居住的一種趨勢，通過在家中設(shè)置很多的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品，然后再編寫相應(yīng)的控制程序，這樣通過現(xiàn)在的無線蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)無線通信，這樣就可以通過手機等手持設(shè)備，在外就可以對家中的電器等進行調(diào)節(jié)控制。（4）在公共服務(wù)設(shè)施方面：像智能公交卡(Contactlesssmartcard，CSC)系統(tǒng)、自動售貨機、自動取款機、自動租車系統(tǒng)、自助柜員機等各種

17、為了便捷人們生活的公共服務(wù)設(shè)施中，都大量應(yīng)用了嵌入式系統(tǒng)。（5）在環(huán)境工程和自然方面：對于環(huán)境和自然條件的監(jiān)測需要不間斷進行，這項工作靠人來完成顯然是不可能的，而如果使用嵌入式系統(tǒng)來完成，就輕而易舉了，不僅可以監(jiān)測，而且還能對收集的資料信息進行分析，并做出判斷。4 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展前景現(xiàn)代科技的發(fā)展不僅為嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用提供了更廣泛的應(yīng)用空間，也為其提供了相應(yīng)的技術(shù)支持。嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域顯然已經(jīng)成為另一種科學，也由于網(wǎng)絡(luò)與通訊的高速進步，帶動了信息家電，信息工業(yè)的潮流，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為不可或缺的生活必需品?，F(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)在系統(tǒng)相應(yīng)速度、功耗、成本方面都較以前有了很大的進步。以后的嵌入式系統(tǒng)的

18、應(yīng)用主要是向多功能、無線通信、便捷性等方面發(fā)展，他的發(fā) 展方向?qū)⑹枪δ茉絹碓綇姶螅C合數(shù)字處理能力、管理能力、控制能力、通訊能力為一體的系統(tǒng)。高性能、高集成度的系統(tǒng)將是嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向。與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系起來，實現(xiàn)三網(wǎng)合一才能將嵌入式系統(tǒng)帶入一個全新的時代。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新興領(lǐng)域日益成為信息產(chǎn)業(yè)的主旋律，作為這些產(chǎn)業(yè)應(yīng)用技術(shù)中最核心部分的嵌入式系統(tǒng)，更是受到普遍的關(guān)注 。大學生學好嵌入式不僅要學好嵌入式基本理論知識，還要深入實際研究，實現(xiàn)與企業(yè)的真正對接。5總結(jié)目前，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了人類生活的方方面面，發(fā)展前景十分廣闊。中國嵌入式軟件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展面臨著良好的發(fā)展環(huán)境與機遇，這包括政府的重視與扶植、信息產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的融合機遇、壟斷局面尚未形成、中國制造的良好基礎(chǔ)、自由軟件運動的興起等等。同時，不可否認的是長期以來，由于人才、宣傳、資金等諸多問題以及嵌入式本身所特有的軟硬結(jié)合特性，使嵌入式軟件人才一直處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。本文主要介紹了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程、結(jié)構(gòu)組成，以建立ARM-Linux系統(tǒng)為例，研究了基于ARM的嵌入式系