嵌入式系統(tǒng)開發(fā)原理與實踐

第1章 嵌入式系統(tǒng)概述 1
1.1 引言 1
1.2 什么是嵌入式系統(tǒng) 1
1.2.1 嵌入式系統(tǒng)的歷史與現(xiàn)狀 2
1.2.2 嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 2
1.2.3 應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展方向 3
1.3 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計 5
1.3.1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的過程 5
1.3.2 硬件平臺的選擇 5
1.3.3 軟件平臺的選擇 6
1.4 嵌入式微處理器ARM 8
1.4.1 ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域及一般特點 9
1.4.2 ARM微處理器系列 9
1.5 嵌入式操作系統(tǒng) 11
1.5.1 嵌入式Linux 11
1.5.2 Windows CE 12
1.5.3 Symbian 13
1.5.4 其他嵌入式操作系統(tǒng) 13
1.6 嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 14
1.6.1 開發(fā)流程 14
1.6.2 交叉編譯與鏈接 15
1.6.3 遠程調(diào)試 16
1.6.4 測試與優(yōu)化 17
1.7 小結(jié) 17
1.8 習(xí)題與思考題 18
第2章 PXA255開發(fā)系統(tǒng) 19
2.1 XScale系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 19
2.1.1 XScale超級流水線 20
2.1.2 XScale乘/累加MAC 21
2.1.3 協(xié)處理器 21
2.1.4 內(nèi)存管理 22
2.1.5 指令cache 22
2.1.6 數(shù)據(jù)cache 23
2.1.7 轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩沖器BTB 23
2.1.8 性能監(jiān)視 23
2.1.9 電源管理 23
2.1.10 調(diào)試 23
2.2 PXA255處理器結(jié)構(gòu)與特性 24
2.2.1 時鐘和電源管理模塊 26
2.2.2 系統(tǒng)綜合單元 28
2.2.3 DMA控制器 33
2.3 XSBase255開發(fā)系統(tǒng) 34
2.3.1 硬件資源 35
2.3.2 軟件資源 44
2.4 小結(jié) 46
2.5 習(xí)題與思考題 47
第3章 開發(fā)環(huán)境的建立 48
3.1 XSBase255目標(biāo)機環(huán)境 48
3.1.1 JTAG接口簡介 49
3.1.2 XSBase255上的JTAG接口 49
3.1.3 Boot Loader 50
3.2 宿主機環(huán)境 50
3.2.1 宿主機環(huán)境的建立 50
3.2.2 BOOTP協(xié)議 51
3.2.3 TFTP協(xié)議 51
3.2.4 交叉編譯 52
3.2.5 Make工具 52
3.3 實驗 56
3.3.1 燒寫XSBase255的Boot Loader 56
3.3.2 使用Minicom實現(xiàn)串口通信 57
3.3.3 建立開發(fā)環(huán)境 60
3.3.4 熟悉交叉編譯環(huán)境和開發(fā)工具 65
3.4 小結(jié) 68
3.5 習(xí)題與思考題 68
第4章 嵌入式系統(tǒng)的Boot Loader技術(shù) 69
4.1 Boot Loader程序的基本概念 69
4.1.1 Boot Loader所支持的硬件環(huán)境 70
4.1.2 Boot Loader的安裝地址 70
4.1.3 Boot Loader相關(guān)的設(shè)備和機制 70
4.1.4 Boot Loader的啟動過程 70
4.1.5 Boot Loader的操作模式 70
4.1.6 Boot Loader與主機之間的通信設(shè)備及協(xié)議 71
4.2 Boot Loader的典型結(jié)構(gòu)框架 71
4.2.1 Boot Loader階段1介紹 72
4.2.2 Boot Loader階段2介紹 74
4.2.3 關(guān)于串口終端 81
4.3 Boot Loader實驗 81
4.3.1 熟悉Boot Loader的指令 81
4.3.2 U-Boot的分析和移植 87
4.4 小結(jié) 97
4.5 習(xí)題與思考題 98
第5章 ARM-Linux內(nèi)核 99
5.1 ARM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介 99
5.2 ARM-Linux內(nèi)存管理 101
5.2.1 內(nèi)存管理與MMU 101
5.2.2 馮·諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu) 102
5.2.3 ARM存儲管理機制 102
5.2.4 ARM-Linux存儲機制的建立 105
5.2.5 ARM-Linux進程的虛存空間 108
5.3 ARM-Linux 的中斷響應(yīng)和處理 110
5.4 ARM-Linux系統(tǒng)調(diào)用 114
5.4.1 應(yīng)用程序中的系統(tǒng)調(diào)用 114
5.4.2 實驗：創(chuàng)建和使用一個新的系統(tǒng)調(diào)用 116
5.5 系統(tǒng)的啟動和初始化 118
5.5.1 使用Boot Loader將內(nèi)核映像載入 118
5.5.2 內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化--內(nèi)核引導(dǎo)第一部分 119
5.5.3 外設(shè)初始化--內(nèi)核引導(dǎo)第二部分 120
5.5.4 init進程和inittab腳本 121
5.5.5 rc啟動腳本 122
5.5.6 Shell的啟動 123
5.6 ARM-Linux進程管理和調(diào)度 123
5.6.1 Linux進程和進程控制 123
5.6.2 Linux進程的創(chuàng)建、執(zhí)行和終止 124
5.6.3 ARM-Linux進程的調(diào)度 128
5.7 Linux的模塊機制 128
5.7.1 Linux模塊概述 128
5.7.2 與模塊相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 129
5.7.3 與模塊相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用 132
5.7.4 模塊的使用 135
5.7.5 對insmodule實現(xiàn)的簡要介紹 137
5.7.6 模塊的編程 137
5.8 實驗：Linux 2.6內(nèi)核移植 137
5.8.1 準(zhǔn)備工作 139
5.8.2 編譯交叉編譯工具 139
5.8.3 配置Linux 2.6.10內(nèi)核 139
5.8.4 編譯內(nèi)核 139
5.9 小結(jié) 141
5.10 習(xí)題與思考題 141
第6章 嵌入式文件系統(tǒng) 142
6.1 嵌入式Linux文件系統(tǒng)簡介 142
6.1.1 嵌入式文件系統(tǒng)介紹 142
6.1.2 Linux文件系統(tǒng)概述 144
6.1.3 嵌入式Linux常用文件系統(tǒng) 145
6.2 Linux文件系統(tǒng)框架和特性 148
6.3 實驗：建立文件系統(tǒng) 149
6.3.1 建立JFFS2文件系統(tǒng) 149
6.3.2 建立Ramfs文件系統(tǒng) 155
6.4 實驗：NFS文件系統(tǒng)實驗 159
6.4.1 NFS簡介 160
6.4.2 配置NFS服務(wù)端 161
6.4.3 配置NFS客戶端 162
6.4.4 掛載NFS文件系統(tǒng) 162
6.4.5 NFS的注意事項 163
6.4.6 加載NFS為根文件系統(tǒng) 163
6.5 實驗：Samba的介紹與應(yīng)用 166
6.5.1 Samba的介紹 166
6.5.2 Samba實驗 169
6.6 實驗：使用BusyBox構(gòu)建根文件系統(tǒng) 171
6.6.1 編譯BusyBox 171
6.6.2 配置文件系統(tǒng) 173
6.6.3 制作JFFS2文件映像 175
6.7 小結(jié) 175
6.8 習(xí)題與思考題 175
第7章 嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試 176
7.1 遠程調(diào)試環(huán)境的搭建原理 176
7.1.1 插樁（stub） 176
7.1.2 GDB介紹 178
7.1.3 GDB遠程調(diào)試功能介紹 178
7.2 使用GDB 179
7.2.1 GDB命令 179
7.2.2 斷點與條件斷點 184
7.3 Linux內(nèi)核調(diào)試 184
7.3.1 內(nèi)核調(diào)試技術(shù) 185
7.3.2 KGDB分析 186
7.3.3 內(nèi)核進入調(diào)試狀態(tài)的路徑 189
7.4 實驗 191
7.4.1 利用GDB進行本地調(diào)試 191
7.4.2 利用GDB進行遠程調(diào)試 192
7.4.3 ARM-Linux內(nèi)核調(diào)試 195
7.5 小結(jié) 197
7.6 習(xí)題與思考題 197
第8章 嵌入式設(shè)備驅(qū)動 198
8.1 Linux下設(shè)備驅(qū)動程序簡介 199
8.1.1 設(shè)備的分類 199
8.1.2 設(shè)備文件 199
8.1.3 主設(shè)備號和次設(shè)備號 200
8.1.4 Linux設(shè)備驅(qū)動代碼的分布 200
8.1.5 Linux設(shè)備驅(qū)動程序的特點 201
8.2 設(shè)備驅(qū)動程序結(jié)構(gòu) 201
8.2.1 驅(qū)動程序的注冊與注銷 202
8.2.2 設(shè)備的打開與釋放 202
8.2.3 設(shè)備的讀寫操作 203
8.2.4 設(shè)備的控制操作 203
8.2.5 設(shè)備的輪流查詢和中斷處理 203
8.3 實驗：編寫一個簡單的驅(qū)動程序 205
8.3.1 主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和全局變量 205
8.3.2 主要接口函數(shù) 206
8.3.3 模塊加載 208
8.3.4 驅(qū)動安裝過程 208
8.4 驅(qū)動設(shè)計中涉及的一些具體問題 210
8.4.1 用戶空間和內(nèi)核空間 210
8.4.2 proc文件系統(tǒng) 211
8.5 實驗：設(shè)計和實現(xiàn)一個KED&LED驅(qū)動 215
8.5.1 主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和接口函數(shù) 218
8.5.2 模塊加載 219
8.5.3 測試代碼 219
8.5.4 驅(qū)動安裝過程 220
8.6 實驗：動態(tài)加載和靜態(tài)編譯驅(qū)動到內(nèi)核 222
8.6.1 主要步驟 222
8.6.2 驅(qū)動位置和目錄結(jié)構(gòu) 223
8.6.3 修改配置文件 223
8.6.4 編寫Makefile 224
8.7 實驗：使用中斷方式的驅(qū)動程序設(shè)計 225
8.7.1 注冊中斷處理程序 225
8.7.2 編寫中斷處理程序 227
8.7.3 中斷處理機制的實現(xiàn) 228
8.7.4 中斷控制 228
8.7.5 中斷實驗小結(jié) 229
8.8 設(shè)備驅(qū)動小結(jié) 230
8.9 習(xí)題與思考題 230
第9章 嵌入式GUI 231
9.1 嵌入式GUI簡介 231
9.1.1 Qt/Embedded 232
9.1.2 MicroWindows 232
9.1.3 OpenGUI 232
9.1.4 MiniGUI 232
9.2 X Windows架構(gòu) 233
9.3 Tiny-X系統(tǒng)框架 234
9.4 Tiny-X應(yīng)用程序開發(fā) 235
9.4.1 GTK+的基本概念 236
9.4.2 圖形界面生成器Glade 239
9.5 實驗：用Glade編寫一個簡單的GUI應(yīng)用程序 241
9.6 實驗：Tiny-X下的KeyPad/LED控制實驗 243
9.7 實驗：Qt/Embedded移植實驗 248
9.7.1 Qt/Embedded 安裝及環(huán)境設(shè)置 248
9.7.2 移植Qt/Embedded應(yīng)用程序 250
9.7.3 修改觸摸屏驅(qū)動 250
9.8 小結(jié) 252
9.9 習(xí)題與思考題 253
第10章 綜合創(chuàng)新實驗 255
10.1 設(shè)計任務(wù) 255
10.2 設(shè)計分析 256
10.3 FPGA設(shè)計基礎(chǔ) 257
10.3.1 可編程邏輯器件簡介 257
10.3.2 VHDL語言介紹 259
10.3.3 Quartus Ⅱ使用簡介 260
10.3.4 擴展板邏輯設(shè)計要點 265
10.4 模塊分析 274
10.4.1 總體分析 274
10.4.2 各模塊設(shè)計要點 274
10.5 驅(qū)動設(shè)計 277
10.5.1 驅(qū)動設(shè)計要點 277
10.5.2 驅(qū)動的加載 285
10.6 測試程序設(shè)計 287
10.6.1 設(shè)備文件 287
10.6.2 操作命令字 288
10.7 GUI程序設(shè)計 294
10.8 小結(jié) 299
10.9 習(xí)題與思考題 299