基于ARM9的嵌入式綜合實(shí)驗(yàn)研究

楊萬華 付承彪 陳 豪 冷莉華

（曲靖師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，云南 曲靖 655011）

近年來，嵌入式系統(tǒng)依托于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]，是發(fā)展很快的信息領(lǐng)域之一，也是國家信息產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向。為突出學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力訓(xùn)練，以培養(yǎng)有特色的高素質(zhì)的工程研究應(yīng)用型人才為目標(biāo)，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行此綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

1 嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介

嵌入式系統(tǒng)課程是一門軟硬結(jié)合、偏向于實(shí)踐與應(yīng)用的技術(shù)課程，對(duì)學(xué)生的專業(yè)拓展和綜合性實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)具有重要的作用。尤其是嵌入式Linux 系統(tǒng)由于具有開源、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大、內(nèi)核穩(wěn)定高效等特性[2]，在產(chǎn)品開發(fā)周期、產(chǎn)品的功能可擴(kuò)展性、開發(fā)時(shí)的人力投入等方面都具有顯著的優(yōu)勢(shì)，因此應(yīng)用廣泛。隨著物聯(lián)網(wǎng)的趨熱，作為物聯(lián)網(wǎng)的底層技術(shù)之一的嵌入式智能技術(shù)將具有巨大的市場(chǎng)前景。

而在高校教學(xué)中，對(duì)于嵌入式技術(shù)這類強(qiáng)調(diào)實(shí)踐性的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力和解決問題的能力是至關(guān)重要的嵌入式系統(tǒng)課程具有很強(qiáng)的滲透性，與其他專業(yè)課程相比，嵌入式系統(tǒng)課程具有獨(dú)特的特點(diǎn)：該課程對(duì)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)有較高的要求，課程具有交叉性，并且對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力和系統(tǒng)思考解決問題的能力要求較高。

通過實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方面的基本概念和技能[3]，嵌入式軟件設(shè)計(jì)的一般方法和流程，系統(tǒng)引導(dǎo)、內(nèi)核配置與編譯、嵌入式文件系統(tǒng)操作、嵌入式網(wǎng)絡(luò)編程等知識(shí)，使學(xué)生能夠達(dá)到實(shí)際開發(fā)能力的目的，適應(yīng)于社會(huì)的需要。

2 綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

本綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以開源的Linux 操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，進(jìn)行綜合的藍(lán)牙通信實(shí)驗(yàn)。第一步是進(jìn)行目標(biāo)機(jī)引導(dǎo)程序、內(nèi)核和文件系統(tǒng)的燒寫。

在本實(shí)驗(yàn)中采用vivi 引導(dǎo)程序，完成引導(dǎo)程序的燒寫。以源程序的形式提供給學(xué)生一個(gè)分析研究的例子，展示內(nèi)核的配置、內(nèi)核鏡像的編譯過程以及內(nèi)核的測(cè)試，并使用串口完成內(nèi)核的燒寫。另外一個(gè)就是文件系統(tǒng)的燒寫，本實(shí)驗(yàn)選用cramfs 作為根文件系統(tǒng)，由于它只是一個(gè)只讀文件系統(tǒng)，為了得到可讀寫文件系統(tǒng)，用戶文件系統(tǒng)使用YAFFS 格式。用戶文件系統(tǒng)掛載于根文件系統(tǒng)下的/mnt/yaffs 目錄。yaffs 是專為嵌入式系統(tǒng)使用NAND Flash 而設(shè)計(jì)的一種日志型文件系統(tǒng)。

第二步是搭建嵌入式交叉開發(fā)環(huán)境。在一臺(tái)PC 機(jī)（宿主機(jī)）上安裝Linux 操作系統(tǒng)以及交叉開發(fā)工具，編輯、編譯目標(biāo)板的Linux 引導(dǎo)程序、內(nèi)核、文件系統(tǒng)以及應(yīng)用程序，然后把結(jié)果下載到目標(biāo)機(jī)。通常這種在主機(jī)環(huán)境下開發(fā)，在目標(biāo)板上運(yùn)行的開發(fā)模式稱為交叉開發(fā)。由于主機(jī)與目標(biāo)板是兩個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，要想在它們之間傳輸數(shù)據(jù)，就必須先建立某種數(shù)據(jù)連接，才能實(shí)現(xiàn)通信、文件傳輸?shù)裙δ?。通常，在目?biāo)板和主機(jī)之間可以使用串口、以太網(wǎng)接口、USB 接口和JTAG 接口等連接方式。

在此學(xué)習(xí)一般的嵌入式開發(fā)流程，以及開發(fā)環(huán)境中的軟件和硬件的安裝與調(diào)試。目的是了解嵌入式交叉編譯的相關(guān)知識(shí)，以及能夠搭建嵌入式Linux 系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境。本實(shí)驗(yàn)是在Windows 系統(tǒng)上面使用Vmware 虛擬機(jī)安裝一個(gè)Linux Redhat 9.0 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

要實(shí)現(xiàn)Windows 主機(jī)和Linux 主機(jī)之間的通信，可以通過搭建Samba 服務(wù)器或者Ftp 服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。在完成嵌入式Linux 操作系統(tǒng)的啟動(dòng)之后，可以通過搭建NFS 服務(wù)器，完成Linux 主機(jī)到嵌入式目標(biāo)機(jī)之間的通信。

由于實(shí)驗(yàn)的最終目的是能夠?qū)崿F(xiàn)藍(lán)牙無線通信，藍(lán)牙模塊作為一個(gè)硬件，要能使其工作，必須先給嵌入式操作系統(tǒng)安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。此時(shí)，需要重新回到內(nèi)核程序中，給其配置藍(lán)牙模塊驅(qū)動(dòng)，并且讓其以模塊的方式編譯出內(nèi)核藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)模塊。在此，讓學(xué)生熟悉驅(qū)動(dòng)程序編寫的基本過程，掌握模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的基本流程。在分析和提取出藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)模塊之后，通過交叉開發(fā)環(huán)境，下載驅(qū)動(dòng)模塊到目標(biāo)機(jī)，并且安裝到嵌入式設(shè)備中。

藍(lán)牙通信主要是面向網(wǎng)絡(luò)中各類數(shù)據(jù)及語音設(shè)備，使用無線微波的方式將它們連成一個(gè)微網(wǎng)，多個(gè)微網(wǎng)之間也可以互連，從而方便快速地實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備之間的通信。其目的使學(xué)生掌握藍(lán)牙設(shè)備通信原理，以及Linux 嵌入式開發(fā)平臺(tái)上藍(lán)牙設(shè)備的使用。掌握基本的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)方法與流程，為后續(xù)的應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)打基礎(chǔ)。

本實(shí)驗(yàn)使開發(fā)板上的藍(lán)牙適配器能夠和Windows 主機(jī)中的藍(lán)牙適配器建立連接，并且能在嵌入式設(shè)備中啟動(dòng)一個(gè)FTP 服務(wù)器，能夠提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能。本實(shí)驗(yàn)通過另外一臺(tái)PC 機(jī)安裝一個(gè)藍(lán)牙模塊，啟動(dòng)藍(lán)牙功能，查找嵌入式設(shè)備上的藍(lán)牙設(shè)備并與其進(jìn)行連接，然后登陸嵌入式設(shè)備上面的FTP 服務(wù)器完成數(shù)據(jù)的通信。

本實(shí)驗(yàn)按照從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過程依次實(shí)現(xiàn)，在簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，掌握基本的嵌入式開發(fā)技能，再完成最后的無線通信綜合實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)論

本文首先概述了嵌入式技術(shù)，然后在分析嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的基礎(chǔ)上，給出了一個(gè)基于藍(lán)牙通信的綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

［1］舒展.嵌入式系統(tǒng)綜述[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)(專業(yè)版)，2011，05:44-46.

［2］周紅波，詹芹.嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探討與實(shí)施[J].硅谷，2010，11:88.

［3］許先斌，熊慧君，李洲，楊芬，劉煒.基于ARM9 的嵌入式Linux 開發(fā)流程的研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，11:87-89+250.