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嵌入式应用软件开发环境δOS/λTool的设计与实现 电子科技大学 郭兵 熊光泽 陈丽蓉 北京系统工程研究所 蔡建平 摘要 嵌入式系统的广泛应用需要良好的嵌入式应用软件开发环境支持。本文重点研究一种嵌入式应用软件开发环境δOS/λTool的设计思想，并详细介绍实时操作系统δOS的结构和嵌入式应用软件开发工具包λTool的组成及实现的关键技术。 关键词 嵌入式系统 软件开发环境 实时操作系统 开发工具 引言 嵌入式计算机系统（简称嵌入式系统）是实时系统的重要组成部分。其结构紧凑、资源有限，一般由嵌入式微处理器等硬件及其软件（包括实时操作系统RTOS和实时应用程序）组成，具有嵌入性和实时性等特点。嵌入式系统的广泛应用需要良好的嵌入式应用软件开发环境（以下简称嵌入式软件开发环境）支持。由于嵌入式系统的目标机受资源限制，不可能建立庞大、复杂的开发工具，其开发环境和目标运行环境往往相互分离。因此，嵌入式应用软件的开发方式一般是：在宿主机（Host）上建立开发环境，进行应用程序编码和交叉编译，然后宿主机通过串口或网络与目标机（Target）建立连接，将应用程序下载到目标机上进行交叉调试。应用程序经过调试和优化，最后将应用程序固化到目标机中实际运行。嵌入式软件开发环境是嵌入式系统开发中重要的系统软件，一般与RTOS捆绑销售。作为一种专用软件，其技术含量高，价格昂贵，是现代数字化产品开发的必备工具软件。嵌入式软件开发环境δOS/λTool是一套集成的嵌入式软件开发环境，主要用于开发、调试实时操作系统δOS的应用程序。嵌入式软件开发工具包λTool以Windows或Linux为宿主机平台，以X86，PowerPC，MIPS，Strong ARM为目标机平台。 一、 δOS/λTool的设计思想1. 设计目标嵌入式软件开发环境δOS/λTool的设计目标归纳起来主要有以下几点。（1） 先进性和通用性：技术上达到国际同类软件的先进水平，同时满足多种RTOS和BSP(Board Support Packet)的开发需求。（2） 可靠性：对嵌入式应用软件的代码质量有较高的要求，必须保证系统的可靠性。（3） 安全性：必须保证交叉编译器产生的目标代码中没有“技术陷阱”或“后门”等有害的附加代码。（4） 支持Ada等高级语言的开发：由于Ada语言具有可靠性和实时性的特点，故在嵌入式系统方面有着广泛的应用。（5） 开放性：开发工具要符合相应的标准，易于实现同第3方工具的接口，易于扩展。 2. 技术路线根据设计目标，我们采用的技术路线是：以GNU(GNU'S Not Unix)工具软件为基础，参照国外有代表性的嵌入式软件开发环境产品，主要为δOS提供一种嵌入式软件开发环境。以GNU工具软件为基础，是因为GNU软件秉承“自由、开放”的精神，在Internet网上提供免费的有关研究和开发成果，大量的系统软件源码能够通过Internet网免费获得，尽管补丁和BUGS多，测试工作存在一些问题，但仍不失为自主开发嵌入式软件开发环境的重要资源和基础。参照国外有代表性的嵌入式软件开发环境产品（如pRISM+、Tornado），是因为这些产品采用了先进、成熟的技术，代表了当今嵌入式软件开发环境的发展方向。因此，我们根据上述技术路线，结合国情和已有的自主开发成果，拟定了可行的高起点技术方案，并采用快速原型法，坚持试用改进、逐步求精的技术路线，着重突破关键技术，最终成功地建立起一种满足高档需求的嵌入式软件开发环境δOS/λTool，其组成框图如图1所示。图1嵌入式软件开发环境δOS/λTool的组成二、 δOS的结构实时操作系统δOS是在科技预研成果CRTOS x86/rm、CRTOS x86/spm、CRTOS x86/fpm、CRTOS DSP/C3X的基础上，结合国外有关RTOS的特点，发展起来的实时操作系统系列软件。包括实时内核δ\ Core、网络组件δ\ Net、调试组件δ\ Aware、图形用户组件δ\ GUI等。δOS设计采用微内核结构和Client/Server模式，利用微内核固有的特点,加强系统的可伸缩性、可裁剪性、可靠性及代码的可重用性，采用面向对象的设计技术、独立的超微内核（纳核）可移植界面及板级支持包（BSP），来提高RTOS的可移植性，加强并完善与实时性能相关的算法和对象设计。δOS的总体结构如图2所示。图2 δOS系统结构图δOS从上到下有4个层次。上层是实时应用及RTOS的核外服务器（即RTOS软组件）。目前在服务器的设计上提供了基于TCP/IP协议的网络通信服务器δ\ Net，实现了较完整的TCP/IP协议族。此外，还提供了轻型GUI组件δ\ GUI、调试组件δ\ Aware等。下层是微内核及其可移植的纳核层，它直接在微内核内为实时应用提供线程管理、线程间的通信服务、微内核与服务器间的通信管理、定时器和时钟管理、中断管理、内存管理、字符I/O和可靠性服务，并提供与硬件特性无关的纳核层可移植界面。纳核本身与微处理器的特性有关。纳核与微内核设计是整个系统设计的核心。BSP层提供屏蔽板级硬件特性（如微处理器的外围电路）的功能，便于RTOS在不同外围电路组合的硬件上实现移植。δOS能够支持的目标CPU较为广泛，包括X86、PowerPC、MIPS和Strong ARM等。其中目标机为X86（包含386EX和PC386两种BSP）的产品δOS x86/fpm已成功实现，经过测试和试用，达到设计目标。图3 λTool中的主要开发工具三、 λTool的组成1. 主要开发工具嵌入式软件开发工具包λTool是一个完整的工具集。目前我们已成功地实现了与δOS x86/fpm相配套的产品λTool x86/fpm，如图3所示。λTool中的开发工具主要包含以下几种。（1） 开发管理：通过书写Makefile，能够方便地进行应用程序的编译和链接。（2） 版本控制：采用CVS或RCS版本控制软件，维护软件的版本和一致性。（3） 编辑器：使用方便，对Ada、C、C++和ASM语言关键字变色提示，上下文帮助敏感。（4） 配置工具：设置应用程序使用的δOS参数，包括内核参数、软部件选择（如δ\ Net、δ\ Aware和δ\ GUI等）以及软部件参数，实现RTOS的定制。（5） 交叉编译器：Cgcc支持Ada、C、C++和ASM源程序的编译、链接和定位，尤其是Ada语言的嵌入式应用软件开发支持，以及与交叉编译器相配套的实用程序，包括目标文件格式转换工具（支持的文件格式有H\ record、S\ record、ABS、BIN、COFF和ELF）等。（6） 交叉调试器：Cgdb具有中文化的GUI和命令行两种使用方式，支持Ada、C和C++源语言级和汇编级符号调试以及单串口调试。调试功能丰富，除具有同目标机建立连接、下载目标程序、设断点、单步跟踪、查看栈、寄存器、变量内容等基本调试功能外，还具有识别和操纵RTOS对象等高级调试功能，能够较好地满足交叉调试的需求。（7） 目标监控器：Monitor提供386EX和PC386两种BSP，可灵活配置，如选择串口、网络口以及设置通信参数等，支持不同配置的目标机。（8） 联机帮助系统：采用HTML格式书写的完整用户联机手册。2. 实现的关键技术由于GNU工具软件主要为用于本地开发（Native Development）而设计，当用于交叉开发时，须要解决一系列关键技术，主要包括以下4个方面。（1） 对RTOS平台的支持：Cgcc支持的RTOS执行体要求以函数库形式提供，在编译时作为普通函数库链接使用，但需要设置正确的程序启动文件crt0.o、链接定位文件linkcmds、RTOS头文件路径和函数库路径等。因此，λTool基本上与RTOS无关，具有通用性，能够支持多种RTOS，除支持δOS外。还能够支持VRTX等。（2） 应用编程语言的RTL（实时运行库）支持：在δOS上实现的Ada语言绑定库（Bindings）符合POSIX标准P1003.5C，对Ada应用程序的实时运行提供支持。同时，在δOS上也实现了C++和C语言的实时运行库。（3） 交叉调试器的高级调试功能：Cgdb除能够进行C、C++源语言级和汇编语言级的符号调试以及具有同目标机建立连接、下载目标程序、设断点、单步跟踪、查看栈、寄存器、变量内容等基本调试功能外，还具有以下高级调试功能：具有Os\ aware功能，即Cgdb能够识别和操纵δOS的系统对象（包括任务、信号量、邮箱、堆栈、I/O缓冲区、软时钟等）;能够设置任务断点以及进行任务级跟踪调试;能够跟踪和操纵IDT表和GDT表;能够对中断进行调试并且直接进行RTOS系统功能调用等。这些都是嵌入式软件交叉开发中需要的高级调试功能。（4） 目标机监控器的设计：在目标机上与主机端Cgdb配合工作的通常是监控器（Monitor）。一般可将Monitor分为ROM Monitor和Task Monitor。我们设计的Monitor 既可以裁剪为Task Monitor，又可以裁剪为ROM Monitor。具有可移植性好、支持高级调试功能、支持多种调试方式、可裁剪等优点。 3. 主要特点嵌入式软件开发工具包λTool主要有以下5个特点。（1） 工具的开放性。开放性一般包括以下几个方面，即符合标准、可移植、可伸缩和易获得性。a. 符合标准：主要开发工具Cgcc和Cgdb符合相应标准，如Cgcc能够编译的Ada、C++、C和ASM语言分别符合Ada\ 95、AT&T C++、ANSI C和AT&T标准。Cgdb能够调试的目标文件是标准的ELF格式。b. 可移植性：所有开发工具（除ROM Monitor汇编启动代码部分外）基本上都是用ANSI C实现。在各种UNIX平台及Windows平台上具有良好的源码级可移植性。c. 可伸缩性：主要开发工具Cgcc和Cgdb可以根据需要进行伸缩、裁剪，如Gcc（本地编译器）能够支持Ada、C++、C、Object C、Fortran、Chill和Java等多种语言的编译，但在生成Cgcc时，可选择需要的1种或几种开发语言的编译模块（词法分析、语法分析、语义分析等），减少生成的Cgcc及其函数支持库的代码尺寸。生成Cgdb时，也能够选择需要的1种或几种开发语言的编译模块，减少生成的Cgdb及其函数支持库的代码尺寸。d. 易获得性：所有开发工具（包括Cgcc、Cgdb和ROM Monitor等）的源码都是符合GPL协议的软件，很容易从Internet的许多站点上获得，对其长期发展有着坚实的基础。（2） 工具的易用性。全中文化的用户界面设计和信息提示，以及工具的许多功能设置，方便用户开发使用，如Cgdb具有Reload功能，不用重启目标监控器，也能够下载一个新的应用程序。（3） 工具的安全性。所有开发工具都具有源码。在使用和分析过程中，未发现“技术陷阱”或“后门”等有害的附加代码，能够满足一般嵌入式系统的安全性需求。（4） 工具的可扩展性。由于所有工具都是源码开放，且符合相应标准，很容易增加需要的功能，因而，工具具有可扩展性，也易于实现同第三方工具的接口。（5） 工具的可维护性。由于所有工具都是源码开放，我们对源代码经过仔细的研究和分析，已经掌握了相关的关键技术，能够根据不同嵌入式应用的需求，对工具进行一定的维护和扩展。结束语嵌入式软件开发环境δOS/λTool能够支持Ada、C++、C和ASM等开发语言，资源丰富、可用，能够满足嵌入式应用软件的开发需求。其成功的典型应用包括电子对抗子系统、卫星移动通信实验子系统、车载卫星定位系统、湖南计算机厂网络终端设备、奥能信息终端产品、江友IP Phone等。但对于开发大型、复杂的嵌入式系统，目前还存在一些问题需要解决，如支持更多的目标处理器、交叉编译优化技术、嵌入式系统安全性的V&V（validation and verification）分析工具以及全面的工具集成技术等。δOS/λTool作为国内一套拥有源码的嵌入式软件开发环境，有着较高的开发起点，已经大大缩短了国内在嵌入式软件开发环境上同国际水平的差距，有着巨大的发展潜力和广阔的应用前景。因此，我们将持续追踪嵌入式软件开发环境的最新发展，吸收、消化其先进的技术，不断完善δOS/λTool，最终形成一套高可靠、高可用的嵌入式软件开发环境。MES 参考文献 1熊光泽等一种微内核嵌入式实时操作系统的设计，第八届抗恶劣环境计算机学术年会 2蔡建平等实时嵌入式系统与Ada支持，第八届抗恶劣环境计算机学术年会 3VRTX培训教程电子科技大学微机所嵌入式软件设计中心 4GNU软件用户参考.http://sourceware.cygnus.com 5Tornado用户参考手册.WindRiver Corporation 6POSIX 1003.5C/D5：POSIX ADA LanguageInterfaces.IEEE Computer Society,1998

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来源:单片机与嵌入式系统应用 作者:电子科技大学 郭兵 熊光泽 陈丽蓉;北京系统工程研究所 蔡建平 时间:2006/2/12 0:00:00