1、嵌入式系統(tǒng)講義 SkyEye硬件模擬平臺及嵌入式開發(fā),主要內容,SkyEye簡介 SkyEye的安裝和使用 課程實驗,SkyEye簡介,SkyEye是一個開源軟件項目，中文名字是“天目”。 SkyEye的起源和發(fā)展 陳渝：做一個用軟件實現(xiàn)的嵌入式開發(fā)硬件模擬器，可以在模擬器上運行各種操作系統(tǒng)，這樣就可以在沒有開發(fā)板的情況下學習和研究操作系統(tǒng),適用對象及場合,（1）經(jīng)常苦于經(jīng)費不足，缺少足夠的硬件開發(fā)板和完善的軟件開發(fā)環(huán)境，相關的書籍對一些最新軟件的分析還不夠全面，無法深入研究和開發(fā)嵌入式軟件。 （2）高層次的軟件設計和開發(fā)一般不用太考慮底層硬件的實現(xiàn)細節(jié)，如果直接處于一個具體的硬件環(huán)境下，在開

2、發(fā)和研究中可能會陷入硬件的具體細節(jié)中不能自拔，而不能把精力放到高層次的軟件設計和開發(fā)上。 （3）如果硬件開發(fā)環(huán)境不太穩(wěn)定（這種情況經(jīng)常見到），且對具體的硬件不是很了解，則可能在排除問題上花費大量的不必要的時間。 （4）如果你想自己嘗試設計一個操作系統(tǒng)，則先在一個提供源碼級調試的軟件仿真器上進行開發(fā)，可能會大大提高你的開發(fā)進度。,SkyEye的目標：在通用的Linux和Windows平臺上實現(xiàn)一個純軟件集成開發(fā)環(huán)境，模擬多種主流的嵌入式計算機系統(tǒng)。 目前可在SkyEye上運行的系統(tǒng)有： 1）多種嵌入式操作系統(tǒng)，如ARM Linux、Clinux、C/OS-II、elastos2）各種系統(tǒng)軟件，如

3、嵌入 式TCP/IP協(xié)議棧lwIP，圖形子系統(tǒng)MiniGUI等 可對上述軟件系統(tǒng)進行源碼級的分析、調試和測試。,SkyEye模擬硬件介紹,目前，SkyEye模擬了大量的硬件，包括CPU內核、存儲器、存儲器管理單元、緩存單元、串口、網(wǎng)絡芯片、時鐘等 CPU和開發(fā)板系列： 目前SkyEye可以模擬的CPU主要是基于ARM內核的CPU，包括ARM7TDMI，ARM720T， ARM9TDMI，ARM9xx，ARM10 xx，StrongARM，XScale等,目前SkyEye模擬的開發(fā)板包括 基于Atmel 91X40/AT91RM92 CPU的開發(fā)板，基于Crirus Logic ep7312的開

4、發(fā)板、基于StrongARM CPU的ADSBITSY開發(fā)板，基于XScale PXA250 CPU的LUBBOCK開發(fā)板、基于SAMSUNG S3C4510B/S3C44B0 CPU的開發(fā)板、基于SHARP LH7A400 CPU的開發(fā)板、基于Philip LPC22xx CPU的開發(fā)板等。 主要模擬了對應各個開發(fā)板的串口、時鐘、RAM、ROM、LCD、網(wǎng)絡芯片等硬件外設。,存儲器管理單元和緩存單元 MMUMemory Management Unit，存儲器管理單元，是用來管理虛擬內存系統(tǒng)的硬件。 MMU的兩個主要功能是：1）將虛地址轉換成物理地址；2）控制存儲器的存取權限。 MMU關掉時，

5、虛地址直接輸出到物理地址總線,TLB，Translation Lookaside Buffers在MMU中，存放從虛擬地址到物理地址的匹配表 保存的內容包括：虛址及其對應的物理地址，權限，域和映射類型。 當CPU對一虛擬地址進行存取時，首先搜索TLB表以查找對應的物理 地址等信息，如果沒有查到，則進行查找translation table，稱為Translation Table Walk（簡稱TTW）。經(jīng)過TTW過程后，將查到的信息保存到TLB。然后根據(jù)TLB表項的物理地址進行讀寫。,CACHE，緩存單元主要用于緩存內存 中的數(shù)據(jù)，其讀寫速度遠快于內存的讀寫速度，所以可以提高CPU的內存數(shù)據(jù)的

6、訪問效率。 write/read buffer硬件單元write/read buffer硬件單元的作用與CACHE的作用類似。,MMU、CACHE、write/read buffer一般是高性能CPU的重要組成部分，且不同類型CPU的MMU、CACHE、write/read buffer的邏輯行為也有一定的差異。為了支持模擬多種類型CPU的MMU/CACHE，SkyEye包含了一個通用的MMU/CACHE模擬實現(xiàn)。通 過對一些參數(shù)的調整可以支持模擬多種類型的MMU/CACHE物理結構和邏輯行為。,網(wǎng)絡芯片 目前SkyEye模擬了網(wǎng)絡芯片8019AS， 其特點是：NE2000兼容，內建 16KR

7、AM緩沖區(qū)，10MB傳輸速率。 雖然目前模擬的開發(fā)板上不一定有網(wǎng)絡芯片8019AS，但可以在模擬的開發(fā)板上加上網(wǎng)絡芯片8019AS 的模擬。,目前已經(jīng)在在基于Atmel91X40 CPU的開發(fā)板上實現(xiàn)了網(wǎng)絡芯片8019AS擴展，并增加了C/OS-II和Clinux的網(wǎng)絡驅動程序，已經(jīng)支持大量的網(wǎng)絡應用程序，如LwIP （一個TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)）、nfs server/clinet、http server/client、telnet server/client、ftp server/client等。,SkyEye的設計原則,SkyEye軟件的核心在目標模擬模塊。為了提高模擬效率，且能夠模擬更

8、多的CPU、開發(fā)板和各種外設，方便開發(fā)人員進行開發(fā)和學習，SkyEye遵循如下的設計原則： 用C語言編程，采用面向對象的方式定義各種要模擬的硬件； 定義抽象模擬硬件對象，最大化重用代碼； 定義硬件配置腳本，使得不用改動SkyEye代碼就可以靈活地調整各種硬件配置； 保持與GDB上層接口的一致性，這樣可充分利用GDB強大的源代碼級調試功能。,SkyEye的總體結構,SkyEye基于GDB/ARMulator(目前由David McCullough 維護)，并進行了全面的改變和擴展。SkyEye建立在GNU GDB的底層，可以模仿多種完整的嵌入式計算機系統(tǒng)，目前模擬的硬件包括CPU、內存、I/O寄

9、存器、時鐘、UART、網(wǎng)絡芯片、MMU、CACHE，將來還會模擬 LCD、USB等各種硬件。 在SkyEye上運行的操作系統(tǒng)和各種系統(tǒng)軟件意識不到它們是在一個虛擬的計算機系統(tǒng)上運行。,SkyEye的結構層次,用戶接口模塊：包括命令行用戶界面和圖形用戶界面，完成處理用戶的輸入命令，并把相關調試數(shù)據(jù)輸出給用戶的任務。這一部分基本上直接利用了GDB的用戶接口模塊，并在此基礎上有一定的擴充。 符號處理模塊：主要處理執(zhí)行文件的頭信息，解釋執(zhí)行文件中內嵌的debuger調試信息，對符號表的管理，對源代碼表達式的解析，定位源代碼中的語句位置和機器碼的位置關系等。這一部分也是直接利用了GDB的符號處理模塊，也

10、正是有了這個模塊的支持，SkyEye可以支持源碼級調試。 目標控制模塊：主要完成執(zhí)行控制（如中斷程序的執(zhí)行，設置中斷條件等），程序棧結構分析，對具體目標硬件的控制（如本地調試、遠程調試和模擬調試的控制）。這一部分完成對SkyEye上運行的軟件的控制，提供了多種調試手段。 目標模擬模塊：這一部分是SkyEye的核心。它的功能是模仿計算機系統(tǒng)中的主要硬件（包括CPU、內存和各種硬件外設等）的執(zhí)行，對執(zhí)行文件的機器指令進行解釋，并模擬執(zhí)行每一條機器指令，產(chǎn)生相應的硬件響應等。,SkyEye的安裝,Linux操作系統(tǒng) Windows+MingW或cygwin,查看使用的Linux的版本 uname命令

11、用于打印系統(tǒng)信息使用uname -help可以看到uname命令的使用說明,在Kubuntu上安裝SkyEye,有兩種安裝方法 下載源代碼，編譯并安裝 直接安裝二進制代碼,在Kubuntu上直接安裝二進制代碼,下載編譯好的SkyEye的二進制包 到上找到最合適的版本 例如 在合適的目錄下解壓縮 /usr/local/或者/opt/ bz2格式使用“tar -xjvf 壓縮文件名”,在Kubuntu上直接安裝二進制代碼,skyeye在解壓縮得到的目錄中的bin子目錄下 將skyeye的路徑添加到PATH 修改/.bashrc文件：添加 export PATH=$PAT

12、H:所選目錄/skyeye-insight/bin（如下圖）,為使修改后的.bashrc有效，必須先退出控制臺，然后重新啟動控制臺 判斷是否設置成功 命令：echo $PATH 對sky使用tab鍵功能 OK？ 運行skyeye，得到進入skyeye的畫面，如圖：,SkyEye的使用,為cLinux安裝交叉編譯環(huán)境，并配置cLinux 編譯生成cLinux和包含應用程序的文件系統(tǒng) 用skyeye運行和調試cLinux內核,安裝交叉編譯環(huán)境,為uclinux的開發(fā)提供相應的交叉編譯工具 如：arm-elf-tools-20030314.sh 安裝 在root權限下運

13、行 sh ./arm-elf-tools-20030314.sh 檢查一下 對 arm-elf運用shell的tab功能可以看到一系列arm-elf打頭的程序，如 binutils系列、gcc、gdb等等 也可以使用命令：arm-elf-gcc -v,測試arm-elf-gcc,源代碼,測試arm-elf-gcc,編譯 arm-elf-gcc -Wl,-elf2flt -o hello hello.c 得到的輸出文件 hello和hello.gdb 檢查hello的格式 file hello 如何運行hello？,BFLT格式：binary FLAT,-Wl,-elf2flt選項讓鏈接器將el

14、f格式轉換為flt格式,運行hello,hello必須在target環(huán)境上，無法在host上 如何準備target的運行環(huán)境 skyeye=模擬器 cLinux=操作系統(tǒng)？ 文件系統(tǒng)？ ？,獲得cLinux操作系統(tǒng),兩種方案 使用skyeye提供的二進制包 自己動手編譯配置cLinux,編譯配置cLinux,到cLinux網(wǎng)站的發(fā)行頁上下載uClinux-dist-20051110 使用”tar -xzvf”解壓縮，得到uClinux-dist目錄 在uClinux-dist目錄下 第一步：配置cLinux 命令：make config在vendor/product選項中選擇GDB/ARMul

15、atorKernel版本選擇2.4.x其他選項不變（使用缺省選項）,第二步：編譯生成cLinux和文件系統(tǒng)命令：make dep; make 編譯成功？,用skyeye運行cLinux,第一步，制作skyeye的硬件配置文件 vi skyeye.conf 第二步，提供上面所需的boot.rom 命令：ln -s images/romfs.img boot.rom,第三步，在skyeye下運行cLinux 命令：sudo skyeye linux-2.4.x/linux 進入skyeye后， 命令1：target sim 命令2：load 命令3：run 進入cLinux,sudo arm-el

16、f-skyeye e linux-2.4.x/linux,進入畫面,直接使用cLinux的二進制包,下載skyeye的二進制包 skyeye-binary-testutils-1.2.0 使用“tar -xjvf” 解壓縮,使用cLinux作為運行操作系統(tǒng) 使用skyeye運行cLinux skyeye linux target sim load run,接下來，將hello拷貝到cLinux的文件系統(tǒng)中,將boot.rom中的內容在host中解開，方法如下： mkdir romfs mkdir /mnt/tmp mount -o loop boot.rom /mnt/tmp cp -r /m

17、nt/tmp/* romfs 將hello拷貝到romfs中的bin目錄下 重新生成boot.rom映像 genromfs -f boot.rom d romfs/,建立/mnt/tmp目錄,解開并拷貝到romfs目錄下,拷貝hello到/bin目錄下,重新制作boot.rom,運行hello,在模擬器上運行 啟動模擬器、裝載操作系統(tǒng)、裝載文件系統(tǒng) skyeye file linux target sim load run 運行hello,在cLinux界面下，可以得到：,課程實驗,實驗目的： 基于Skyeye硬件模擬平臺，熟悉嵌入式開發(fā)的基本流程。 實驗內容： 1.建立交叉編譯環(huán)境。 可以自

18、己手工編譯，也可下載編譯好的二進制包直接安裝。 推薦用已編譯好的二進制包（如，arm-elf-tools-20030314.sh，可從下載）,2.編譯u-boot，在skyeye下進行bootloader測試 可以自己手工編譯u-boot，也可利用編譯好的bootloader（skyeye-binary-testutils）。 推薦手工編譯u-boot 。 3.編譯uClinux，在skyeye下進行內核測試 可以自己手工配置編譯uClinux，也可利用編譯好的內核（skyeye-binary-testutils）。 推薦手工配置編譯uClinux。,4.在交叉編譯環(huán)境下對hello1.c（如下所示）進行編譯，生成ELF格式可執(zhí)行文件hello1,#include int main(void)int i; for(i = 0; i 6; i+) printf(i = %d ,i); printf(Hello, e