為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員建立虛擬的ARM平臺(tái)

1、鄭州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（翻譯）題 目：Virtual ARM Platform for Embedded System Developers指導(dǎo)教師： 李正民 職稱： 副教授 學(xué)生姓名： 喬 旭 學(xué)號： 20052430222 專 業(yè)： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 院（系）： 信息工程學(xué)院 完成時(shí)間： 2009年5月20日 2009年5月20日為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員建立虛擬的ARM平臺(tái)摘要越來越多的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員和片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)師采用microprocessor-based(基于微處理器的)設(shè)計(jì)方法，以減少推向市場的時(shí)間。在過去的10年里，ARM處理器一直都是嵌入式系統(tǒng)行業(yè)的主角之一。然而，在早期設(shè)計(jì)階段，有

2、許多對基于ARM處理器的嵌入式軟件開發(fā)的限制。對于那些不熟悉嵌入式軟件設(shè)備的人來說，在ARM硬件平臺(tái)上測試他們的軟件是一項(xiàng)異常艱巨的工作。為克服這些問題，我們?yōu)榛贏RM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員設(shè)計(jì)了虛擬的ARM平臺(tái)，提供更容易測試和調(diào)試的環(huán)境。使用虛擬ARM平臺(tái)的好處是：(1)減少開發(fā)成本，(2)對于初學(xué)者降低了入門的難度，以及(3)讓您更輕松地測試和調(diào)試嵌入式軟件。與許多其他的純粹以軟件為導(dǎo)向且獨(dú)立于硬件平臺(tái)的ARM模擬器不同，我們的虛擬ARM平臺(tái)是專門針對SYS-Lab 5000 ARM硬件平臺(tái)(由Libertron公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)制造)研發(fā)的，這意味著我們的平臺(tái)可以盡可能地模仿在目標(biāo)硬件上的嵌

3、入式軟件的各種行為。本文旨在介紹我們的虛擬ARM平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想以及它在減少設(shè)計(jì)時(shí)間和開銷方面的一些應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)擁有特殊用途的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它僅僅采用通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一小部分的專用功能，有時(shí)還需要進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。通常，嵌入式系統(tǒng)具備完整的硬件設(shè)備和機(jī)械裝置，并且它已經(jīng)深深滲透到現(xiàn)代生活的方方面面。不僅僅是個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、mp3、手機(jī)等電子消費(fèi)產(chǎn)品，在電信系統(tǒng)，交通運(yùn)輸系統(tǒng)，醫(yī)學(xué)儀器等領(lǐng)域里，仍然存在著許多的嵌入式系統(tǒng)，例如防抱死剎車系統(tǒng)(ABS)、GPS、電子聽診器等。1微處理器是嵌入式系統(tǒng)非常重要的硬件結(jié)構(gòu)之一。隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)和因特網(wǎng)的普及，微處理器成為IT行業(yè)發(fā)展中的主要角色。針

4、對不同的用途，每個(gè)微處理器都有自己的特殊結(jié)構(gòu)。2其中，ARM微處理器采用RISC結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之中。這不僅僅是因?yàn)樗母咝阅芎土畠r(jià)，而且還因?yàn)樗械凸牡奶攸c(diǎn)。ARM系列處理器在各種電子消費(fèi)類產(chǎn)品中占有很大優(yōu)勢，從便攜式設(shè)備(PDAs,手機(jī),媒體播放器，掌上游戲機(jī)和計(jì)算器)到計(jì)算機(jī)外設(shè)(硬盤，桌面路由器)。我們即將在本文中介紹的虛擬ARM平臺(tái)，是一個(gè)為目標(biāo)硬件設(shè)計(jì)的ARM模擬器。與其他僅僅在軟件模型上設(shè)計(jì)的虛擬ARM機(jī)不同，我們的虛擬ARM平臺(tái)可以與目標(biāo)嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行相類似的操作。這種相類似的操作具體是指我們的虛擬ARM平臺(tái)允許嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員在一個(gè)正真的H/W平臺(tái)上開發(fā)

5、和測試他們的嵌入式應(yīng)用。為執(zhí)行一個(gè)特定的虛擬ARM平臺(tái)，我們已經(jīng)選擇了SYS-Lab5000 ARM硬件平臺(tái)作為我們的目標(biāo)H/W平臺(tái)。正是由于特定目標(biāo)的虛擬平臺(tái)可以測試目標(biāo)平臺(tái)的細(xì)節(jié)而無需實(shí)際的目標(biāo)平臺(tái)，設(shè)計(jì)時(shí)間和花銷被大幅的降低了。尤其在教學(xué)領(lǐng)域，在無法提供充足數(shù)量的嵌入式設(shè)備時(shí)，這種針對特定目標(biāo)的虛擬平臺(tái)將盡可能減少學(xué)生對實(shí)際硬件的需求，同時(shí)為學(xué)生學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)特定目標(biāo)的嵌入式系統(tǒng)提供巨大幫助。我們的虛擬ARM平臺(tái)通過使用SimIt-ARM虛擬器和QT程序庫的用戶圖形界面，完全可以建立在ARM虛擬器之上。為了方便維護(hù)和調(diào)試，我們還擴(kuò)展了特定目標(biāo)的易用程度，設(shè)計(jì)了給定平臺(tái)信息，提供自動(dòng)進(jìn)行特定

6、平臺(tái)環(huán)境設(shè)置的模擬器。此外，我們還可以為簡易操作系統(tǒng)模擬器運(yùn)行中斷句柄定時(shí)器。本文的余下部分將介紹以下內(nèi)容：在第二部分，我們討論在虛擬ARM平臺(tái)上開發(fā)嵌入式系統(tǒng)與實(shí)際硬件平臺(tái)上的區(qū)別。在第三部分，我們將總結(jié)一些相互關(guān)系的研究成果。第四部分介紹我們的虛擬ARM平臺(tái)是如何組織和工作的，第五部分介紹我們的研究成果，第六部分是總結(jié)。2.1 S/W嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展眾所周知，在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)例如PC上開發(fā)軟件與在嵌入式平臺(tái)上開發(fā)軟件有很大的不同。因此，通用平臺(tái)軟件開發(fā)人員在開發(fā)嵌入式平臺(tái)軟件時(shí)，可能會(huì)遇到很多困難。因?yàn)椋度胧较到y(tǒng)軟件開發(fā)需要將通用運(yùn)行程序燒錄到嵌入式平臺(tái)中，并檢查它的運(yùn)行。這就意味著當(dāng)通

7、用軟件有相同的開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境(不同PC之間)時(shí)，軟件開發(fā)環(huán)境(以PC為例)和嵌入式軟件運(yùn)行環(huán)境(嵌入式目標(biāo)平臺(tái))不相同。圖1展示的是通常開發(fā)和測試嵌入式系統(tǒng)軟件的步驟。 圖1 嵌入式系統(tǒng)軟件的開發(fā)與PC軟件在每一步發(fā)展中僅僅需要PC不同，嵌入式軟件的發(fā)展需要在實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)硬件上進(jìn)行。對于那些不熟悉嵌入式軟件環(huán)境的人來說，在實(shí)際的硬件平臺(tái)上測試他們的軟件是一件很富有挑戰(zhàn)性的工作。他們需要全面了解嵌入式系統(tǒng)，并善于使用硬件和在硬件上燒錄程序。而且，如果他們不能負(fù)擔(dān)足夠的嵌入式系統(tǒng)(通常價(jià)格昂貴)，他們能在實(shí)際硬件上測試他們軟件的機(jī)會(huì)將變得極為有限。為了解決這一問題，我們設(shè)計(jì)了能夠方便測試和調(diào)試

8、基于ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員的虛擬ARM平臺(tái)。2.2 虛擬ARM平臺(tái)的使用虛擬ARM平臺(tái)可以和實(shí)際ARM硬件平臺(tái)一樣地觀察嵌入式軟件運(yùn)行的結(jié)果。開發(fā)人員可以寫程序代碼，在客戶機(jī)(PC)上通過虛擬ARM平臺(tái)證實(shí)他們的程序。因?yàn)樗齈C外不需要其他的硬件，在開發(fā)程序時(shí)也不需要燒錄的階段。圖2展示的是在虛擬ARM平臺(tái)上開發(fā)嵌入式系統(tǒng)程序的過程。圖2 在虛擬ARM平臺(tái)上開發(fā)嵌入式應(yīng)用程序的過程近些年來，在嵌入式軟件虛擬工具方面有許多研究成果，以下我們簡要地對其中的部分成果進(jìn)行總結(jié)。在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，作為最廣為人知的ARM模擬器，ARMulator常被用于提供虛擬環(huán)境原型。通過虛擬的硬件IP和端口，在

9、ARMulator上操作系統(tǒng)(例如C/OS-II)6可以脫離H/W平臺(tái)模擬運(yùn)行。SimIt-ARM是一個(gè)設(shè)置指令的模擬器，它可以在用戶層和系統(tǒng)層運(yùn)行ARM程序。SimIt-ARM支持兩種流行的模擬形式：解釋和動(dòng)態(tài)編譯。但正如圖3所示，SimIt-ARM不能夠脫離在C運(yùn)行庫支持下的I/O控制代碼去建立固件級的程序。因此，對于不同的目標(biāo)平臺(tái)，初始化代碼也是不相同的。開發(fā)人員不能在虛擬工具和目標(biāo)H/W ARM平臺(tái)中使用相同的可執(zhí)行程序。圖3 在兩種平臺(tái)下固件級代碼的運(yùn)行所有的這些努力都為了向開發(fā)人員提供書寫源代碼，建立可執(zhí)行程序，并在主機(jī)PC上運(yùn)行的功能。但不幸的是，這些工具只能在特定目標(biāo)處理器上模

10、擬可執(zhí)行文件。因此它不能為整個(gè)目標(biāo)硬件平臺(tái)模擬運(yùn)行，不能控制外圍設(shè)備，同時(shí)在代碼模擬上也有相當(dāng)大的限制。我們建議虛擬ARM平臺(tái)對外圍設(shè)備進(jìn)行持續(xù)的控制，這是以往的ARM模擬器所不能提供的。通過對外圍設(shè)備增加控制代碼，現(xiàn)有的ARM模擬器(例如SimIT-ARM或者SimpleScalar)可以控制外圍設(shè)備，例如LED,七段數(shù)碼顯示器，步進(jìn)電機(jī)等等。圖4展示的是虛擬ARM平臺(tái)通過對外圍設(shè)備的“靶樣”控制，開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的步驟。圖4 虛擬ARM平臺(tái)對外設(shè)提供控制虛擬ARM平臺(tái)由虛擬ARM模擬器，圖形用戶界面，輸入事件句柄，定時(shí)器，和I/O設(shè)備模型組成。如圖5所示，虛擬ARM平臺(tái)啟動(dòng)后，首先初始化圖形

11、用戶界面，在屏幕上顯示GUI主窗口，然后虛擬ARM模擬器開始運(yùn)行，處理可執(zhí)行文件的操作并向虛擬ARM平臺(tái)發(fā)送結(jié)果。當(dāng)虛擬ARM平臺(tái)從虛擬ARM模擬器得到模擬結(jié)果后，便同從虛擬ARM模擬器得到的可執(zhí)行報(bào)告一道更新它的用戶界面。當(dāng)輸入事件句柄發(fā)現(xiàn)任何輸入事件，他分析事件，當(dāng)事件是中斷請求時(shí)，他將中斷當(dāng)前執(zhí)行的程序。如果事件不是中斷請求，句柄將輸入事件進(jìn)程發(fā)送到虛擬ARM模擬器來模擬修改后的數(shù)據(jù)操作。圖5 在虛擬 ARM平臺(tái)運(yùn)行程序4.1 虛擬ARM模擬器虛擬ARM模擬器不僅可以解碼還可以與實(shí)際的ARM處理器一樣運(yùn)行給定的ARM操作，即處理從虛擬ARM平臺(tái)轉(zhuǎn)移的事件。如圖6所示，當(dāng)虛擬ARM模擬器解

12、碼ARM命令時(shí)，要檢查解碼命令是否包含外圍設(shè)備的控制地址。如果不包含，虛擬ARM模擬器僅僅運(yùn)行ARM命令并向虛擬ARM平臺(tái)發(fā)送結(jié)果。然而，如果包含，虛擬ARM模擬器可以執(zhí)行額外的操作。因此，虛擬ARM平臺(tái)利用I/O內(nèi)存映像圖控制外圍設(shè)備，特定平臺(tái)的數(shù)據(jù)文件包含設(shè)備控制記錄存取地址和相應(yīng)的設(shè)備控制地址。一個(gè)特定數(shù)據(jù)文件的平臺(tái)例子如表1所示。通過查找H/W特定數(shù)據(jù)平臺(tái)，虛擬ARM模擬器確定應(yīng)該控制哪個(gè)設(shè)備，確定如何控制相應(yīng)的設(shè)備。最終，虛擬ARM模擬器通過發(fā)送設(shè)備控制符和虛擬ARM平臺(tái)數(shù)據(jù)處理控制設(shè)備。圖6 在虛擬 ARM模擬器上運(yùn)行程序表1 對SYS-Lab 5000 ARM H/W平臺(tái)的數(shù)據(jù)抽

13、樣通過使用特定平臺(tái)的數(shù)據(jù)文件，開發(fā)人員允許在虛擬ARM平臺(tái)和實(shí)際H/W平臺(tái)上使用相同的代碼控制外圍設(shè)備。4.2 圖形用戶界面圖形用戶界面將被用于處理輸入事件，程序同步，打印屏幕上的模擬結(jié)果。如圖7是我們的GUI全局結(jié)構(gòu)。圖7 圖形用戶界面和虛擬ARM模擬器GUI看起來與實(shí)際的目標(biāo)H/W平臺(tái)一致。GUI通過打印真實(shí)設(shè)備的更改顯示外圍設(shè)備控制結(jié)果。同樣地，在GUI中當(dāng)開發(fā)人員敲擊外圍設(shè)備(例如鍵盤和轉(zhuǎn)換器)使虛擬ARM平臺(tái)發(fā)現(xiàn)外部輸入。在開發(fā)人員控制外圍設(shè)備時(shí)，圖8.2顯示了一個(gè)執(zhí)行GUI的例子，圖8.1顯示了一個(gè)脫離GUI的虛擬ARM平臺(tái)的例子。圖8.1 脫離GUI的虛擬ARM平臺(tái)LED顯示圖8

14、.2 GUI下的虛擬ARM平臺(tái)LED顯示4.3 定時(shí)器和I/O設(shè)備我們還在虛擬ARM平臺(tái)上使用定時(shí)器。當(dāng)虛擬ARM平臺(tái)啟動(dòng)時(shí)，初始化定時(shí)器。通過使用定時(shí)器，開發(fā)人員可以測試看門狗定時(shí)器中斷，上下文開關(guān)程序和系統(tǒng)內(nèi)核模擬器例如C/OS-II6。圖9顯示了定時(shí)器被用于操作系統(tǒng)定時(shí)器。圖9 操作系統(tǒng)定時(shí)器是如何在虛擬ARM平臺(tái)上工作的虛擬ARM模擬器可以像使用SDRAM單元一樣使用虛擬SDRAM。通過使用作為虛擬內(nèi)存的虛擬SDRAM，虛擬ARM模擬器可以通過連接I/O控制代碼模擬固件級代碼，使得代碼的運(yùn)行與實(shí)際H/W ARM平臺(tái)相一致。圖10顯示了在虛擬ARM平臺(tái)和實(shí)際H/W ARM平臺(tái)上的固件級代

15、碼均可以運(yùn)行。圖10 在虛擬ARM平臺(tái)和H/W平臺(tái)上運(yùn)行固件級代碼當(dāng)然，我們還可以使用LED，點(diǎn)陣，七段數(shù)碼管，LED文本顯示器，步進(jìn)電機(jī)，直流電機(jī)和鍵盤區(qū)。LED(如圖8.2)，點(diǎn)陣(如圖11.1)，七段數(shù)碼管(如圖11.2)都可以通過CPU時(shí)鐘控制將控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形輸出。LED文本顯示器(如圖11.3)通過一步步地輸入文本控制數(shù)據(jù)，可以在LED上顯示給定的打印信息。步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)(如圖11.4)在CPU時(shí)鐘的控制之下，通過給定速度控制數(shù)據(jù)，可以看到它們旋轉(zhuǎn)。鍵盤通過檢測鼠標(biāo)單擊每個(gè)關(guān)鍵按鈕，發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入到虛擬ARM平臺(tái)。圖11.1 執(zhí)行點(diǎn)陣圖11.2 執(zhí)行七段數(shù)碼管圖11.3

16、執(zhí)行LCD文本顯示器圖11.4 執(zhí)行步進(jìn)電機(jī)我們已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)測試了我們的虛擬ARM平臺(tái)。我們每一項(xiàng)的測試結(jié)果如圖12所示，這需要完全控制嵌入式開發(fā)板上的每一個(gè)設(shè)備。通過測試每項(xiàng)應(yīng)用，(如圖13)，我們可以看出在實(shí)際H/W平臺(tái)和我們的虛擬平臺(tái)上，外部特征是非常相似的，如圖14.1和圖14.2所示有著相同的運(yùn)行結(jié)果。1: Initialize Text-LCD2: Print “Virtual ARM” on Text-LCD3: Activate STEP MOTOR to spin4: Sequentially Turn ON&OFF LED Lamps by Rows5: Get K

17、eypad Input6: Shows input data from Keypad through 7-Segment7: Shows input data from Keypad through Dot-Matrix8: Repeat step 5 to step 79: OS controls task1(step 4) and task2(step 8)圖12 測試應(yīng)用圖13 針對虛擬ARM平臺(tái)和SYS-Lab5000的逐項(xiàng)測試圖14.1 在實(shí)際平臺(tái)上的運(yùn)行結(jié)果圖14.2 在虛擬ARM平臺(tái)上的運(yùn)行結(jié)果在本文中，我們提出虛擬的ARM開發(fā)平臺(tái)，提供了一個(gè)與真正的H/W平臺(tái)非常相似的極好的測

18、試環(huán)境。通過使用我們的虛擬ARM平臺(tái)，開發(fā)人員將能夠開發(fā)基于ARM 的嵌入式系統(tǒng)軟件，而不再需要購買目標(biāo)H/W平臺(tái)。由于開發(fā)人員可以在主機(jī)上立即測試自己的程序而不用燒錄可執(zhí)行文件到實(shí)際平臺(tái)。程序的整體開發(fā)過程將更快，更方便。此外，一個(gè)類似于目標(biāo)的H/W平臺(tái)的用戶友好的GUI界面，使得入門嵌入式系統(tǒng)變得容易。特別是，虛擬ARM平臺(tái)將作為大學(xué)理想的教育工具，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)和研究嵌入式系統(tǒng)軟件時(shí)沒有任何時(shí)間，空間和金錢的限制。本論文受到韓國MKE(Ministry of Knowledge Economy)和ITRC(Information Technology Research Center)的大

19、力支持，程序依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為IITA(Institute for Information Technology Advancement)。(IITA-2008-C1090-0801-0045)1 Y. S. Li and S. Malik, "Performance analysis of Real-Time Embedded Software," Kluwer Academic Publishers, 1999.2 A. Krishnaswarmy and R. Gupta, "Profile Guided Selection of ARM and Thumb Ins

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