嵌入式操作系統(tǒng)移植的軟件仿真研究

摘 要：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)要依賴真實的硬件平臺，所以進行開發(fā)的成本較高。本文研究用軟件仿真的方式來模擬各種硬件開發(fā)平臺，使得開發(fā)者和學習者在模擬環(huán)境中進行嵌入式操作系統(tǒng)的移植工作，為在硬件平臺上的移植以及后續(xù)的開發(fā)工作打下良好的基礎。本文分析了常見的仿真平臺，并給出uclinux在Skyeye上的移植過程。

關(guān)鍵詞：嵌入式操作系統(tǒng)；移植；仿真；Skyeye；Armulator

中圖分類號：TP316.2；TP391.9

嵌入式開發(fā)的首要任務是在嵌入式硬件平臺上安裝配置嵌入式操作系統(tǒng)，由于嵌入式硬件平臺的異構(gòu)性和多樣性，加之嵌入式操作系統(tǒng)種類較多，導致嵌入式操作系統(tǒng)的移植往往比較復雜和容易出錯。而且，嵌入式開發(fā)和實驗平臺成本較高，使得實驗機會相對較少。因此本文討論使用軟件仿真的方式代替真實硬件平臺，以便可以在缺少硬件平臺的情況下掌握嵌入式操作系統(tǒng)移植的方法，提高在真實硬件平臺上的成功率。由于仿真軟件不能模擬硬件平臺的所有特性，而且在硬件平臺上的開發(fā)流程依賴真實的硬件特性，與仿真環(huán)境有一定區(qū)別，所以最終的仿真結(jié)果還需要在硬件平臺上測試。

1 常見嵌入式仿真軟件

嵌入式仿真軟件是在宿主機上建立起一個內(nèi)核與外設均可配置與裁剪的模擬平臺，能進行指令級的模擬，操作系統(tǒng)和軟件能在仿真軟件上運行，就像在真正的硬件系統(tǒng)上一樣。將仿真軟件應用到嵌入式軟件的開發(fā)與測試中，可以讓軟件和硬件開發(fā)同步進行，縮短開發(fā)周期；可以根據(jù)設計需要選擇外設和芯片型號，構(gòu)建新的嵌入式系統(tǒng)；可以提供比真正硬件環(huán)境下更豐富的測試環(huán)境，可以避免直接使用硬件測試帶來的風險；能夠方便的進行調(diào)試。嵌入式仿真軟件中最核心的部分是指令模擬器，可以模擬ARM指令的執(zhí)行過程。常見的嵌入式仿真軟件有ARM公司的ARMmulator，清華大學Sky Eye項目中的指令模擬器，Linux上的開源軟件GDB ARMulator等。ARM公司針對ARM相關(guān)應用開發(fā)和調(diào)試提供了一個開發(fā)軟件套裝ARM Developer Suite（ADS）。本文主要對ARMulator和skyeye進行介紹并研究嵌入式操作系統(tǒng)uClinux在skyeye上的具體移植方法。

2 ARMulator簡介

通常所說的ARMulator有兩種，一種是GDB/ARMulator，是國際開源組織的程序調(diào)試工具GDB自帶的模擬器。另一種是ARM公司自己推出的它包含在在其集成成開發(fā)環(huán)境ADS中的ARM模擬器。他們都是指令集模擬器，需要和在通x86體系結(jié)構(gòu)計算機上的運行的調(diào)試器軟件連接，得以實現(xiàn)模擬ARM體系結(jié)構(gòu)和指令集，并且給出了ARM程序的軟件仿真開發(fā)和調(diào)試環(huán)境。除了能夠仿真ARM處理器的體系結(jié)構(gòu)和指令集，ARMulator還可以其他硬件結(jié)構(gòu)如存儲器和外圍設備，例如中斷控制器和定時器等，這樣就模擬了一個進行嵌入式開發(fā)的最小子系統(tǒng)，另外使用者還可以擴展添加自己的外設。

通過分析ARMulator的源代碼，我們可以看到它是由一個一個的模塊（module）組成的，其中起核心作用的模塊主要有：處理器核心模塊；存儲器模塊。以及一些外設模塊，如：中斷控制器仿真模塊；定時器仿真模塊，用來為系統(tǒng)提供定時中斷；堆棧跟蹤器模塊；顯示管模塊，等等。開發(fā)人員可以通過修改已有模塊來生成滿足特定需求的模塊，也可以按照給定的接口規(guī)范編寫出符合應用需求的其他外設仿真模塊。而且，在ARMulator上可以很好的移植μC/OS-II操作系統(tǒng)。μC/OS-II是一個嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，包含了任務調(diào)度、任務管理、時間管理、內(nèi)存管理和任務間的通信與同步等基本功能。研究人員可以在ARMulator上移植和調(diào)試μC/OS-II，甚至可以在其上完成一些開發(fā)工作，這樣就可以為在實際嵌入式硬件平臺上移植和開發(fā)打下基礎。

3 SkyEye概述

SkyEye是一個比較完整的嵌入式仿真軟件環(huán)境，目前可以仿真大部分主流的嵌入式開發(fā)板和外部設備。SkyEye中的ARM模擬器是在GDBARMulator基礎上進行開發(fā)和完善的。SkyEye是一個源代碼開放的開源項目，由清華大學發(fā)起，支持windows系統(tǒng)和linux系統(tǒng)，目前已維護到2.0版本。SkyEye的目標是在常用的Linux平臺上仿真多種主流的嵌入式開發(fā)板和外部設備，而在windows中是通過mingw和mysys構(gòu)建GNU環(huán)境來實現(xiàn)對Skyeye的支持，從而建立一個可擴展的硬件模擬框架。SkyEye是指令級模擬器，可以模擬多種嵌入式開發(fā)板，可支持多種CPU指令集，而在SkyEye上運行的OS意識不到它是在一個虛擬的環(huán)境中運行，而且開發(fā)人員可以通過SkyEye調(diào)試操作系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件。

3.1 整體架構(gòu)

SkyEye可以模仿多種完整的嵌入式計算機系統(tǒng)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)按功能可以分為四大部分：User Interface負責與用戶的接口；FlagManagement負責符號管理；Target Controlling負責目標控制；Target Smiulating負責對目標進行模擬。在這四個部分中，最核心最重要的部分是目標模擬部分，它實現(xiàn)了對SkyEye硬件各個方面的模擬，并仿真執(zhí)行每一條機器指令，體現(xiàn)了SkyEye硬件模擬器中的模擬邏輯。

3.2 Target Smiulating的功能結(jié)構(gòu)

SkyEye目標模擬部分是整個仿真環(huán)境的關(guān)鍵，它包括以下幾個主要模塊：

（1）初始化模塊：此模塊的功能是實現(xiàn)對模擬硬件的配置和初始化，在模擬硬件開始運行前，需要修改配置文件中各選項的參數(shù)來進行配置和初始化。

（2）處理器模擬模塊：模擬CPU指令執(zhí)行過程、模擬內(nèi)存管理單元和緩存、模擬協(xié)處理器。

（3）輸入輸出模擬模塊：模擬各種外設的行為，主要包括模擬系統(tǒng)輸入輸出模塊、模擬網(wǎng)絡芯片模塊、模擬LCD模塊等。

（4）MEMORY模擬模塊：此模塊的主要功能是初始化內(nèi)存，加載二進制鏡像文件，模擬RAM和ROM的讀寫過程，此模塊不涉及具體的CPU和開發(fā)板。

3.3 SkyEye的配置信息

Skyeye的配置信息包括靜態(tài)配置信息和動態(tài)配置信息。他們都存在于SkyEye目標模擬模塊中。

SkyEye的靜態(tài)配置信息最為關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是skyeye_config_t，它包含了SkyEye模擬的整個硬件的靜態(tài)配置，skyeye_config_t結(jié)構(gòu)中包含了開發(fā)板配置信息、CPU核心配置信息、內(nèi)存圖配置信息、網(wǎng)絡配置信息和顯示屏配置信息等與模擬硬件緊密相關(guān)的信息。

SkyEye的動態(tài)配置信息最為關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是ARMul_State結(jié)構(gòu)，它保存著SkyEye中隨模擬的硬件運行而不斷改變的硬件數(shù)據(jù)。通過分析ARMul_io的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以了解如何一步一步的為某個具體的開發(fā)板添加虛擬硬件。

3.4 SkyEye的執(zhí)行過程分析

SkyEye的執(zhí)行按執(zhí)行時間順序可分為初始化配置過程和模擬執(zhí)行過程兩個階段。第一階段所做的工作包括：加載操作系統(tǒng)的可執(zhí)行文件；根據(jù)skyeye.conf配置文件中的參數(shù)對模擬硬件進行配置；加載skyeye.conf配置文件中的所有BinaryImage格式文件；由GDB加載調(diào)試信息；由GDB加載操作系統(tǒng)可執(zhí)行文件中的代碼段和數(shù)據(jù)段等；執(zhí)行相關(guān)模擬硬件的初始化函數(shù)。第二階段所做的工作是根據(jù)具體硬件的配置參數(shù)，開始執(zhí)行具體的硬件模擬過程。

對于輸入輸出硬件模擬部分，SkyEye把這一部分抽象了出來，建立了一個獨立的I/O抽象層。然后再根據(jù)各種基于ARM的具體的CPU和開發(fā)板實現(xiàn)具體 I/O處理模擬。這樣做是因為具體的CPU和開發(fā)板都有自己的各不相同擴展，這些擴展與硬件系統(tǒng)的I/O有很大的關(guān)系，這樣做可以最大程度地減少代碼冗，并且使結(jié)構(gòu)和模塊化更清晰，同時可以降低因開發(fā)板多樣性帶來的開發(fā)難度。

4 使用SkyEye建立嵌入式開發(fā)環(huán)境

由于Skyeye已經(jīng)相對比較完善，可以仿真的開發(fā)板較多，本文選用Skyeye作為測試環(huán)境來分析嵌入式操作系統(tǒng)在仿真環(huán)境下的移植過程。

首先需要安裝配置Skyeye開發(fā)環(huán)境，為下一步的一直工作做準備。

4.1 安裝SkyEye

本文選用宿主機操作系統(tǒng)為ubuntu10.04，該版本為SkyEye開發(fā)團隊測試通過的安裝平臺。SkyEye并不是在所有發(fā)行板上做測試，所以可以選用一個經(jīng)過官方測試的發(fā)行版以避免在搭建平臺過程中遇到未知問題。

（1）下載skyeye的發(fā)行包：http：//sourceforge.net/projects/skyeye/files/skyeye/

以root權(quán)限登錄ubuntu，用tar xvjf 命令解壓下載的SkyEye發(fā)行包。

（2）編譯安裝程序

#./configure --prefix=/opt/skyeye

#make lib

#make

# make install_lib

# make install

需要說明的是，其中configure為配置編譯環(huán)境，設置安裝路徑，make lib用來編譯第三方的庫，make來編譯SkyEye的源代碼

4.2 SkyEye的目錄結(jié)構(gòu)

SkyEye安裝完后在opt目錄下會生成以下目錄：Bin目錄用來存放SkyEye的工具軟件。如nandflash鏡像的制作工具mknandflashdump，SkyEye為命令行應用程序，對代碼覆蓋率結(jié)果文件進行格式轉(zhuǎn)換的prof_convert工具，在xterm終端來顯示串口的輸出的uart_instance工具等等。Include目錄中存放的是開發(fā)SkyEye插件時所用到的頭文件。Info目錄中存放的是info格式的文檔。Lib目錄中存放的是SkyEye的核心庫文件libcommon.so和其他一些以動態(tài)庫文件方式存在的插件。Testsuite中存放的是測試用例文件。

5 在SkyEye中模擬uClinux內(nèi)核的移植

5.1 建立交叉編譯環(huán)境

與具體開發(fā)板對應的SkyEye平臺安裝配置完成之后就可以進行uClinux操作系統(tǒng)的移植工作。移植前非常重要的準備工作就是建立交叉編譯環(huán)境。嵌入式開發(fā)板資源有限，無法對操作系統(tǒng)進行編譯，所以必須在其他平臺上編譯出嵌入式開發(fā)板上能夠運行的操作系統(tǒng)代碼，這就是交叉編譯。仿真的嵌入式開發(fā)平臺面臨同樣的問題。

交叉編譯環(huán)境就是為了解決如何在宿主操作系統(tǒng)上生成在開發(fā)板上運行的代碼的問題。在這里我們的宿主操作系統(tǒng)是ubuntu10.04。需要對將要運行在開發(fā)板上的 uClinux 的源代碼重新編譯，生成可以在SkyEye上運行的二進制文件。交叉編譯環(huán)境是幾個程序的集合，這些程序運行在宿主機器上，包括編譯器、連接器等。在宿主機器上使用這些程序就能生成在開發(fā)板上運行的二進制代碼。一些開源組織已經(jīng)開發(fā)出了一些交叉編譯工具，一般稱之為交叉編譯工具鏈。在本文中使用了ARM-ELF-TOOLS這個交叉編譯工具鏈，首先下載arm-elf-tools-20040427版本，開發(fā)人員只需要在根目錄下執(zhí)行./arm-elf-tools-20040427.sh后，就可以在/usr/local/bin中生成以arm-elf 開頭的可執(zhí)行文件，其中 arm-elf-gcc 就是交叉編譯器。

5.2 編譯Linux內(nèi)核

下載uClinux最新版本uClinux-dist-20121024.tar.bz2

將uClinux-dist-20121024.tar.bz2解壓，然后進入解壓后的目錄uClinux-dist。

執(zhí)行內(nèi)核配置命令：make menuconfig

選擇

Vendor/Product： GDB/ARMulator

Kernel Version： linux-2.6.x

Libc Version： uC-libc

保存退出

#make dep

#make

5.3 在Skyeye中運行uClinux

首先在uclinux-dist目錄下添加文件skyeye.conf。

根據(jù)模擬使用的平臺修改相應內(nèi)容。

例如

cpu ：arm7tdmi

mach： at91

mem_bank： map=M， type=RW， addr=0x00000000， size=0x00004000

mem_bank： map=M， type=RW， addr=0x01000000， size=0x00400000

mem_bank： map=M， type=R， addr=0x01400000， size=0x00400000， file=images/romfs.img

mem_bank： map=M， type=RW， addr=0x02000000， size=0x00400000

mem_bank： map=M， type=RW， addr=0x02400000， size=0x00008000

mem_bank： map=M， type=RW， addr=0x04000000， size=0x00400000

mem_bank： map=I， type=RW， addr=0xf0000000， size=0x10000000

lcd： state=on

然后執(zhí)行

#./（skyeye目錄）/binary/skyeye -e （uClinux目錄）/linux-2.6.x/linux

6 結(jié)束語

目前的嵌入式硬件平臺的仿真軟件已經(jīng)可以仿真一些主流的開發(fā)板，為嵌入式開發(fā)和學習提供了高效的低成本的實驗環(huán)境，使得開發(fā)人員在沒有硬件環(huán)境的情況下也能熟悉嵌入式硬件開發(fā)平臺的結(jié)構(gòu)，掌握嵌入式開發(fā)的方法。但是現(xiàn)在的嵌入式仿真軟件還不成熟，易用性有待進一步提高，同時與真實的硬件平臺有著一定的差距，不能完全仿真硬件的各種特性，最終的開發(fā)還是要在真實硬件平臺上實現(xiàn)。因此開發(fā)人員應該采用軟件仿真與硬件實現(xiàn)相結(jié)合的方式來提高開發(fā)效率并保證開發(fā)的可行性。

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作者簡介：李鑫（1979-），男，講師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。