摘要：本文描述了ARM7 與uCLinux 操作系統(tǒng)的特點，詳細討論了基于ARM7 與uCLinux開發(fā)的平臺構(gòu)建過程。利用構(gòu)建好的開發(fā)平臺，通過示例來說明了基于NFS 方式的嵌入式Linux 的應(yīng)用程序開發(fā)流程，該開發(fā)平臺將進一步應(yīng)用于放射性氣體氣溶膠連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。

　　0 引言

　　隨著網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體和信息家電時代的到來，嵌入式系統(tǒng)在經(jīng)歷了近 20 年的發(fā)展歷程之后，進入了一個全新的發(fā)展階段。Linux 操作系統(tǒng)以其穩(wěn)定性好、可靠性高、源代碼公開、可裁剪等優(yōu)點已成為嵌入式領(lǐng)域的一股新興力量，具有巨大的市場潛力和商業(yè)價值。而ARM 處理器是目前應(yīng)用的最為廣泛的嵌入式處理器架構(gòu)。因此，將Linux 操作系統(tǒng)移植到ARM 處理器平臺上并應(yīng)用于實際的產(chǎn)品是最為流行的嵌入式產(chǎn)品解決方案。

　　放射性氣體氣溶膠監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理一般是以 8 位單片機作為控制核心，直接導(dǎo)致硬件電路復(fù)雜、設(shè)計和調(diào)試難度加大、集成度低、穩(wěn)定性差、系統(tǒng)升級難度較大等缺點。因此，本文采用LPC2210+uCLinux 的開發(fā)模式來設(shè)計整個監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理模塊，能夠很好的提升整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性。其中LPC2210 是基于32 位ARM7TDMI 內(nèi)核的處理器，uCLinux 操作系統(tǒng)是開放源代碼的嵌入式Linux 的典范之作，主要針對沒有MMU(存儲器管理單元)的處理器，具有良好的可移植性和優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能。

　　1 硬件平臺介紹

　　硬件平臺采用 LPC2210 為系統(tǒng)硬件核心開發(fā)板，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。主要包括：存儲系統(tǒng)、系統(tǒng)接口、用戶接口3 個部分。LPC2000 系列ARM7 處理器I/O 口供電電源為3.3V，內(nèi)核及片內(nèi)外設(shè)供電電源為1.8V，所以，系統(tǒng)設(shè)計為3.3V 應(yīng)用系統(tǒng)。該系列的處理器可以使用外部時鐘源，內(nèi)部PLL 電路可調(diào)整系統(tǒng)時鐘，使系統(tǒng)運行速度更快（CPU 最大操作時鐘為60MHz）。

　　該硬件平臺擴展了2MB NOR Flash 和8MB PSRAM。為了方便程序調(diào)試以及最終代碼的固化應(yīng)用，使用LPC2210 外部存儲器接口的Bank0 和Bank1 地址空間。在使用uCLinux操作系統(tǒng)時，NOR Flash 用來存放bootloader 程序，以便于加載并引導(dǎo)放在NAND Flash 中的uCLinux 內(nèi)核。

　　LPC2210 具有外部總線接口，設(shè)計電路為16 位總線方式對網(wǎng)卡芯片RTL8019AS 進行訪問，即數(shù)據(jù)總線D0~D15 與網(wǎng)卡芯片的SD0~SD15 連接，由于RTL8019AS 工作電壓是5V，而LPC2210 的I/O 電壓是3.3V，故需在總線上串接470 歐的保護電阻。網(wǎng)卡芯片的Vih 最小值為2.0V，故與LPC2210 連接時不需要加電平轉(zhuǎn)換芯片。

圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2 嵌入式Linux 開發(fā)平臺的構(gòu)建

　　本研究采用在宿主機上編寫程序，然后通過交叉編譯生成目標(biāo)平臺上可以運行的可執(zhí)行文件，最后下載到目標(biāo)板的特定位置運行的方法構(gòu)建平臺，即通常稱為的“宿主機+目標(biāo)板”的開發(fā)模式，如圖2 所示。目標(biāo)板分別通過RS-232 串口和RJ-45 以太網(wǎng)接口與宿主機連接。

　　宿主機上需要運行 2 個窗口，即宿主機本機操作窗口和串口終端窗口。宿主機操作窗口可以是本機的操作終端，也可以是通過遠程登錄登錄到Linux 服務(wù)器的操作界面。串口終端窗口可以是Linux 下的minicom，也可以是windows 下的超級終端。目標(biāo)板可以看成一臺計算機，串口終端就相當(dāng)于這臺計算機的顯示器，作為人機交互界面。在宿主機編譯、鏈接后得到的可執(zhí)行文件下載到目標(biāo)板上運行。

圖2 嵌入式Linux 交叉開發(fā)環(huán)境[!--empirenews.page--]

　　2.1 uCLinux 操作系統(tǒng)的移植

　　在開始移植操作系統(tǒng)之前，先準(zhǔn)備好移植所需要的軟件包，主要包括：交叉編譯所需的編譯工具包、uCLinux 源碼包、完整的bootloader 程序及根文件系統(tǒng)。上述二種工具包都有眾多版本，本文分別選擇的是uCLinux-dist-20040408.tar.gz、arm-elf-tools-20040427.sh。整個移植工作分為三步：建立交叉編譯環(huán)境；編譯配置內(nèi)核；bootloader 及根文件系統(tǒng)的移植。

　　2.1.1 建立交叉編譯環(huán)境

　　將工具包 arm-elf-tools-20040427.sh 拷貝到目錄/usr/src 下，為其增加可執(zhí)行權(quán)限（#chmod755 arm-elf-tools-20040427.sh）；然后安裝arm-elf-gcc（# ./ arm-elf-tools-20040427.sh）,安裝完畢后查看/usr/local/bin 目錄下是否存在arm-elf-gcc 等文件，如存在，表明交叉編譯器安裝成功；最后是添加交叉編譯的路徑，這一步在安裝過程會自動執(zhí)行和保存，并在下次啟動之后仍然有效（#export PATH=$PATH:/usr/local/arm-elf/bin）。至此，交叉編譯環(huán)境已經(jīng)建立完畢。

　　2.1.2 交叉編譯uCLinux 內(nèi)核

　　在交叉編譯內(nèi)核之前，首先要對編譯選項進行配置。為了配置過程的直觀性，一般選擇“make menuconfig”命令，進入uCLinux v3.1.0 Configuration 界面，主要是設(shè)置嵌入式處理器的型號以及操作系統(tǒng)的版本，然后選擇Default all settings 后進行編譯即可。交叉編譯工作一次由以下命令完成：

　　#cd /usr/src/uCLinux-dist // uCLinux-dist 為uCLinux 源代碼所在目錄

　　#make distclean // 清除上一次編譯所產(chǎn)生的輔助文件和目標(biāo)文件

　　#make menuconfig // 通過文本菜單方式配置uCLinux

　　#make dep // 建立源代碼文件的依賴關(guān)系

　　#make //編譯內(nèi)核

　　編譯結(jié)束之后會在 uCLinux 安裝目錄下建立romfs 和images 兩個目錄。其中romfs 為romfs 文件系統(tǒng)的臨時存放目錄；images 為生成的目標(biāo)代碼目錄，其中romfs.img 為romfs文件系統(tǒng)的映像文件，image.bin 為文件系統(tǒng)和內(nèi)核代碼的目標(biāo)文件。

　　2.1.3 bootloader 及根文件系統(tǒng)的移植

　　通過 RS-232 串口將完整的bootloader 程序下載到目標(biāo)板的NOR Flash 中。主要工作是在WinXP 下設(shè)置超級終端，波特率38400、8 位數(shù)據(jù)位、1 位停止位、無奇偶校驗位、無流控制。通過運行下載程序，可以將bootloader 下載到NOR Flash 中。

　　建立 uCLinux 超級終端，設(shè)置波特率為115200、8 位數(shù)據(jù)位、1 位停止位、無奇偶校驗位、無流控制。命名為uCLinux。然后啟動開發(fā)板，在超級終端中也即嵌入式開發(fā)板的“顯示器”中，可以看到bootloader 的啟動界面，通過FlashFXP 軟件可以將目錄bin、boot、etc下的文件下載到開發(fā)板。

　　2.1.4 uCLinux 的啟動

　　通過 bootloader 轉(zhuǎn)載和引導(dǎo)剛剛生成的內(nèi)核和文件系統(tǒng)。bootloader 引導(dǎo)內(nèi)核的方式是：將內(nèi)核影像文件和根文件系統(tǒng)下載至PSRAM 中直接啟動，而不是從NAND Flash 中讀入PSRAM,這種方法不需要燒寫Flash。如圖3 是uCLinux 操作系統(tǒng)啟動后的界面。

圖3 uCLinux 操作系統(tǒng)的啟動界面

　　2.2 NFS 輔助開發(fā)環(huán)境的建立

　　網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS，Network File System）是一種將遠程主機上的分區(qū)（目錄）經(jīng)網(wǎng)絡(luò)掛載到本地系統(tǒng)的一種機制，通過對網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)的支持，用戶可以在本地系統(tǒng)上像操作本地分區(qū)一樣來對遠程主機的共享分區(qū)（目錄）進行操作。因此，通過建立NFS，把Linux 宿主機上的特定分區(qū)共享到待調(diào)試的目標(biāo)板上，就可以直接在目標(biāo)板上操作Linux 宿主機的特定分區(qū)，同時可以在線對程序進行調(diào)試和修改，大大方便了軟件的開發(fā)。故NFS 是嵌入式Linux 開發(fā)的一個重要組成部分，下面詳細說明如何建立NFS 輔助開發(fā)環(huán)境。

　　2.2.1 宿主機端NFS 服務(wù)器的配置

　　以 root 身份登錄Linux 服務(wù)器，編輯/etc 目錄下的共享目錄配置文件exports，指定共享目錄及權(quán)限等。

　　執(zhí)行如下命令編輯文件 /etc/exports：

　　#vi /etc/exports

　　在該文件中添加如下內(nèi)容：

　　/home/work 192.168.0.* (rw, sync, no_root_squash)

　　然后保存退出。

　　添加的內(nèi)容表示允許 IP 地址范圍在192.168.0.*的計算機以讀寫的權(quán)限來訪問/home/work 目錄。

　　其中，/home/work 也稱為服務(wù)器輸出共享目錄；rw 讀寫權(quán)限；sync 數(shù)據(jù)同步寫入內(nèi)存和硬盤；no_root_squash 為NFS 服務(wù)器共享目錄用戶的屬性，如果用戶是root，那么對于這個共享目錄來說就具有root 權(quán)限。

　　接著執(zhí)行如下命令，以啟動端口映射：

　　#/etc/rc.d/init.d/portmap start

　　最后執(zhí)行如下命令啟動 NFS 服務(wù)，此時NFS 就會激活守護進程，然后開始*client 端的請求：

　　#/etc/rc.d/init.d/nfs start

　　在 NFS 服務(wù)器啟動后，還需檢查Linux 服務(wù)器的防火墻等設(shè)置(一般需要關(guān)閉防火墻服務(wù))，確保沒有屏蔽掉NFS 使用的端口和允許通信的主機，主要是檢查Linux 服務(wù)器iptables，ipchains 等選項的設(shè)置，以及/etc/hosts.deny，/etc/hosts.allow 等文件。

　　到此，宿主機端 NFS 服務(wù)器配置完成。

　　最后在宿主機上進行 NFS 服務(wù)器的回環(huán)測試，驗證共享目錄是否能夠被訪問。在宿主機上運行如下命令：

　　# mount –t nfs –o nolock 192.168.0.10:/home/work /mnt

　　# ls /mnt

　　命令將宿主機的 NFS 輸出共享目錄掛載到/mnt 目錄下，因此如果NFS 配置正確的話，應(yīng)該可以在/mnt 目錄下看到/home/work 共享目錄的內(nèi)容。

　　2.2.2 目標(biāo)板端NFS 客戶端的配置

　　在宿主機端的設(shè)置成功之后，還需要對客戶端進行相關(guān)的設(shè)置。在目標(biāo)板系統(tǒng)的命令行下，執(zhí)行如下命令來進行NFS 共享目錄的掛載：

　　/> mkdir /mnt/nfs //建立宿主機輸出共享目錄的掛載點

　　/> mount –t nfs –o nolock 192.168.0.10:/home/work /mnt/nfs

　　/> cd /mnt/nfs

　　/> ls

　　此時，目標(biāo)板終端所顯示的內(nèi)容即為宿主機的輸出目錄的內(nèi)容，即宿主機的輸出目錄/home/work 通過NFS 映射到了嵌入式目標(biāo)板的/mnt/nfs 目錄。由于Linux 默認下不啟動NFS，每次宿主機進入Linux 之后都要重新完成NFS 的啟動和掛載，比較麻煩?？梢詫⒁陨系拿顚懭胨拗鳈C的腳本文件/etc/rc.d/rc.local 中，宿主機啟動時會執(zhí)行此文件。[!--empirenews.page--]

　　3 嵌入式Linux 應(yīng)用程序的開發(fā)

　　完成上述工作之后，嵌入式Linux 開發(fā)平臺搭建成功。在這個平臺上即可以進行相關(guān)應(yīng)用程序的開發(fā)。本文采用NFS 方式進行應(yīng)用程序的開發(fā)。

　　基于 NFS 方式的應(yīng)用程序開發(fā)，首先在宿主機上通過vi 編輯器進行源代碼的編輯，然后通過交叉編譯，最后生成可執(zhí)行文件，在嵌入式目標(biāo)板端通過NFS 方式掛載宿主機的共享分區(qū)，讓應(yīng)用程序直接運行在嵌入式目標(biāo)系統(tǒng)，并進行調(diào)試?；?NFS 方式的開發(fā)流程如圖4 所示。

圖 4 基于NFS 方式的開發(fā)流程圖

　　當(dāng)開發(fā)人員完成了應(yīng)用程序的調(diào)試之后，可以將調(diào)試好的應(yīng)用程序下載到目標(biāo)系統(tǒng)的Flash 中或者直接編譯到嵌入式Linux 內(nèi)核中，從而最終形成一個獨立的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。下面介紹一個示例來說明基于嵌入式 Linux的應(yīng)用程序開發(fā)流程。該示例使用MiniGUI的靜態(tài)框、按鈕和編輯框空間，實現(xiàn)一個Login 系統(tǒng)登錄的對話框。對話框中要求輸入用戶名和密碼，如果輸入正確的用戶名和密碼（例如用戶名為51，密碼為888888）則進入系統(tǒng)（顯示一個主窗口），否則彈出錯誤對話框，并要求用戶再次輸入用戶名和密碼。實現(xiàn)本示例之前，必須確保已經(jīng)搭建好MiniGUI 編譯和開發(fā)板上的運行環(huán)境。

　　實驗步驟如下：

　　第一步：編輯源程序

　　在宿主機的工作目錄/home/work 下使用vi 編輯器編輯源程序，源程序名為login.c。

　　部分程序源代碼如下：

　　// 定義對話框

　　static DLGTEMPLATE MyDlg =

　　{ WS_BORDER | WS_CAPTION,

　　WS_EX_NONE,

　　2, 50, 235, 190,

　　"登錄",

　　0,

　　0,

　　6,

　　NULL,

　　0

　　};

　　// 定義對話框中的控件

　　static CTRLDATA CtrlInitData[] =

　　{

　　{ "static",

　　WS_VISIBLE | SS_SIMPLE,

　　25,10, 200, 16,

　　IDC_SLOGIN,

　　"請輸入用戶名和密碼.",

　　0,

　　WS_EX_NONE

　　},

　　{ "static",

　　WS_VISIBLE | SS_SIMPLE,

　　10,40, 60, 16,

　　IDC_SUSER,

　　"用戶名:",

　　0,

　　WS_EX_NONE

　　},

　　{ "static",

　　WS_VISIBLE | SS_SIMPLE,

　　10,80, 60, 16,

　　IDC_SPASS,

　　"密碼:",

　　0,

　　WS_EX_NONE

　　},

　　{ "edit",

　　WS_CHILD | WS_VISIBLE | WS_BORDER | WS_TABSTOP,

　　70,40, 140,25,

　　IDC_EUSER,

　　"",

　　0,

　　WS_EX_NONE

　　},

　　{ "edit",

　　WS_CHILD | WS_VISIBLE | WS_BORDER | ES_PASSWORD | WS_TABSTOP,[!--empirenews.page--]

　　70,80, 140,25,

　　IDC_EPASS,

　　"",

　　0,

　　WS_EX_NONE

　　},

　　{ "button",

　　WS_VISIBLE | WS_TABSTOP | BS_DEFPUSHBUTTON,

　　80,120, 80,25,

　　IDOK,

　　"確定",

　　0,

　　WS_EX_NONE

　　}

　　};

　　//設(shè)置用戶名和密碼

　　#define USER_NO 3

　　static char *g_user[USER_NO] = {"root",

　　"51",

　　"WXM"

　　};

　　static char *g_pass[USER_NO] = {"******",

　　"888888",

　　"2046"

　　};

　　第二步：修改對應(yīng)的 Makefile.am 文件，設(shè)置編譯login.c 文件

　　在命令行下輸入 # make

　　當(dāng)命令執(zhí)行完畢之后，會在當(dāng)前目錄下生成名為login 的可執(zhí)行文件。

　　第三步：在目標(biāo)板掛載共享目錄，并運行程序。

　　/> cd usr

　　/>usr> portmap&

　　[26]

　　/usr> mount –t nfs 192.168.0.10:/home/work /usr/pro –o nolock //掛載共享目錄

　　/>cd /usr/pro

　　/usr/pro ./login //運行程序，顯示登入對話框

　　第四步：使用目標(biāo)板上的功能鍵 0~9 輸入用戶名和密碼，使用TAB 鍵轉(zhuǎn)移到下一個焦點，使用BACK 鍵刪除已輸入的字符，使用ENTER 確定輸入。當(dāng)用戶名和密碼輸入正確時，登錄成功，登入界面被關(guān)閉，并顯示一個MiniGUI 主窗口。如圖5 示：

圖5 “登入”對話框和歡迎界面

　　4 結(jié)束語

　　作為實時放射性氣體氣溶膠監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)的重要組成部分，本文通過分析ARM7 和uCLinux 特點，將二者有機結(jié)合，構(gòu)建了ARM7+uCLinux 的嵌入式通用開發(fā)平臺，并展示了應(yīng)用該開發(fā)平臺開發(fā)應(yīng)用程序的詳細過程。該平臺的應(yīng)用克服了大多數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)因采用8 位單片機為控制核心實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集而帶來的硬件電路復(fù)雜、穩(wěn)定性差、升級困難等問題。故本文作者創(chuàng)新點：通過采用ARM7+uCLinux 的嵌入式通用開發(fā)平臺克服了大多數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路復(fù)雜、穩(wěn)定性差、升級困難等缺點；同時采用該開發(fā)平臺在開發(fā)過程中使用NFS 方式下載開發(fā)的應(yīng)用程序，為嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)節(jié)省了大量的時間，大大提高了開發(fā)效率。