嵌入式平台基础实验-物联网实验教程

1.实验目的

本实验主要搭建了一个基于ARM7下µClinux开发平台，并在ARM实验母板（IOT^- ARMMB）上使用蜂鸣器、串口实现了一个简单的演示程序。该程序通过µClinux控制蜂鸣器可以实现每隔2s鸣叫一次，并同时通过串口在控制台输出提示信息。通过该演示实验，可以使读者对开发板和µClinux有初步的了解，并掌握在ARM7上µClinux开发平台的构建和使用GNU工具链进行µClinux开发的步骤。

2.实验设备

（1）硬件

● ARM实验母板（IOT-ARMMB）1套。

● 传感器及外围模块（IOT-MODULES）1套。

● EasyJTAG-H编程器1个。

● PC（含串口）1台。

（2）软件

● Linux和Windows操作系统。

● H-JTAG。

● µClinux 2.4x发行包和arm-elf-gcc交叉编译环境。

3.实验原理

本实验的演示程序使用了ARM实验母板（IOT-ARMMB）的基本部件，其主要外围接口丰富，可以满足物联网相关实验的全部功能，开发板的实物照片如图2-4所示。

图2-4 嵌入式ARM开发板实物照片

µClinux对每个任务都会建立3个内部定时器。

ITIMER_REAL：实时定时器，不管进程在何种模式下运行（甚至在进程被挂起时），它总在计数。定时到达，向进程发送SIGALRM信号。

ITIMER_VIRTUAL：这个不是实时定时器，当进程在用户模式（即程序执行时）计算进程执行的时间。定时到达后向该进程发送SIGVTALRM信号。

ITIMER_PROF：进程在用户模式（即程序执行时）和核心模式（即进程调度用时）均计数。定时到达产生SIGPROF信号。ITIMER_PROF记录的时间比ITIMER_VIRTUAL多了进程调度所花的时间。

定时器在初始化时，被赋予一个初始值，随时间递减，递减至0后发出信号，同时恢复初始值。在任务中，可以使用一种或者全部3种定时器，但同一时刻同一类型的定时器只能使用一个。

在本程序中，使用了TIMER_PROF定时器，每秒产生一次定时信号，将蜂鸣器控制口取反，也就是每隔2s蜂鸣器将会鸣叫一次，并输出提示信息。在程序的主函数main（）中，首先通过调用init_sigaction（）对struct sigaction类型的变量act进行设置，设定信号的处理函数，完成信号的初始化；然后通过调用init_time（）对struct itimerval类型的变量val进行设置，设定定时值，完成定时器的初始化；紧接着启动定时器。相关代码如下：

每当定时到达就产生SIGPROF信号，触发信号处理函数led_info（intsigno），执行GPIO操作，打开P0引脚，并将蜂鸣器对应的P0.7引脚取反，相关的代码如下：

4.实验内容

构建ARM下的µClinux开发平台，初步掌握移植µClinux到基于ARM的嵌入式开发平台的一般步骤。

初步掌握ARM下µClinux程序设计方法和使用GNU工具链在交叉开发环境下进行µClinux开发的一般步骤，能够设计简单的程序操作开发板上的各个模块。

5.实验步骤

（1）建立交叉开发环境

由于嵌入式Linux的开发母板资源有限，不可能在开发母板上运行开发和调试工具。通常需要以交叉编译调试的方式进行，即“宿主机+目标机（开发母板）”的形式。目标机和宿主机一般采用串口连接，亦可同时通过网口连接，如图2-5所示。

宿主机是运行Linux的PC，可以是安装了Linux操作系统的本地机，也可以是Linux服务器（模型假定其IP为192.168.0.10）。宿主机和目标机的处理器通常情况下都不会相同。宿主机需要建立适合于目标机的交叉编译环境。程序在宿主机上编译-连接-定位，得到的可执行文件则在目标机运行。在开发调试过程中，通常的操作界面如图2-6所示。

图2-5 嵌入式Linux应用程序调试模型

图2-6 嵌入式Linux开发调试界面

在宿主机上一般需要运行两个窗口：宿主机本机操作窗口和串口终端窗口。宿主机操作窗口可以是本机的操作终端（安装Linux的本地机），也可以是Windows下通过远程登录软件（如Telnet）登录到Linux服务器的操作界面。宿主机只能编译连接程序，不能运行产生的Flat文件（GCC模式的交叉编译调试方式）。串口终端可以是Linux的Minicom，也可以是Windows的超级终端。目标机可以被看成一台计算机，串口终端就相当于这台计算机的显示器，作为人机交互界面。将在宿主机编译连接后得到的可执行文件下载到目标机上运行。

由于目标板平台处理器是ARM，因而需要在宿主机上安装GCC针对ARM的编译器。适用于µClinux的编译器为arm-elf-gcc。arm-elf-gcc安装步骤：

将光盘附带的文件arm-elf-tools-20100702.sh复制到目录（如/usr/src）下，为arm-elf^- tools-20100702.sh增加可执行权限（如果已经具有可执行权限，这步可省略）。注意：增加权限必须具有root权限，若没有root权限，请先使用su命令为用户增加root权限。增加权限的命令如下：

安装arm-elf-gcc。执行arm-elf-tools-20100702.sh。

安装完毕，查看/usr/local/bin目录下是否存在arm-elf-gcc等文件，如果存在，基本可以确定交叉编译器安装成功。

添加交叉编译器的路径。一般情况下安装过程会自动执行，并在下次启动时仍有效。

（2）安装µClinux

将光盘附带的µClinux源代码包µClinux-dist-20040408.tar.gz复制到目录（如/usr/src）下，并解压。

解压后，在当前目录下会多出文件夹µClinux-dist，即µClinux源代码目录。

为IOT-ARMMB开发母板和LPC2200芯片打补丁。将光盘附带的补丁文件µClinux-dist-20040408-lpc-chy-cmj.patch复制到当前目录下，并执行：

为LPC2200打补丁后，在µClinux平台内核配置时将会有LPC2200的选项。

（3）配置µClinux和文件系统

新建终端（或者在控制台〈Ctrl〉+〈Alt〉+〈F1〉～〈F6〉其中之一进入6个控制台中的1个），进入μClinux源代码所在的目录（如/usr/src/µClinux-dist）。

如果不是进行第一次编译，需要先清除以前编译产生的辅助文件和目标文件，以保证编译的正确性。如果是第一次编译则可省略。

通过文本菜单方式配置μClinux。

执行“make menuconfig”进行厂商/产品、内核版本和函数库的设置。各选项的含义以及设置如表2-1和表2-2所示。

表2-1 μClinuxVendor/Product选择设置

表2-2 μClinuxKernel/Library/Defaults等的选择设置

按照上述表格内容进行设置完毕之后，选择Default all Settings将此设置作为默认设置，之后选择Exit，然后在提示是否保存时选择保存。以后如果用户在配置过程中进行了不恰当的配置，导致编译出错，选择Default all Settings，即可恢复保存的设置。选择该项，为LPC2200所打的补丁信息依然保留。

建立源代码文件依赖关系（第一次必须执行）：

编译内核：

这两步的时间都比较长。编译结束，会在μClinux安装目录下建立romfs和images两个目录。其中，romfs为romfs文件系统的临时存放目录，里面有很多实用程序；images为生成的目标代码目录，其中ronfs.img为romfs文件系统的映像文件，image.bin为文件系统和内核代码的目标文件。在linux-2.4.x目录下会有一个Linux文件，是编译好的内核文件，为.elf格式。这些文件可用于进行μClinux内核实验。至此，宿主机的交叉编译环境已经建立完成。(www.xing528.com)

制作.bin格式的内核文件linux.bin：

（4）烧写BootLoader和下载µClinux内核

烧写BootLoader需要在Windows环境下通过H-JTAG软件进行。

首先，将EasyJTAG-H编程器和开发母板相连。设置跳线BANK0-Flash，BANK1^- RAM。选择LPC2200_flash.hfc配置文件，然后打开H-Flasher的Programming选项，如图2-7所示。

图2-7 H-Flasher烧录程序到目标地址

在Type下拉列表中选择Intel Hex Format，如果是二进制的程序，则选择对应的二进制文件选项。

接着选择程序文件，单击Src File右边的按钮“…”，找到烧录的程序文件。

接下来，单击“Erase”按钮，擦除Flash内容（Nor Flash必须在擦除后才能写入）。擦除完毕，单击“Program”按钮，等待几秒钟就可以将程序烧录到对应的地址中。

下载µClinux内核既可以在Windows环境下进行，也可以在Linux环境下进行，这里介绍在Linux环境下的下载方法。

在Linux下，打开终端（也可在控制台进行），启动minicom：

选择菜单中的“SerialPortSetup”，按〈Enter〉键，进入minicom操作菜单。进入“SerialProtSetup”菜单，首先按具体硬件连接设置“SerialDevice”（如果使用串口1，则输入/dev/ttyS0，如果使用串口2，则输入/dev/ttyS1，如果使用的是USB转串口，则输入/dev/ttyUSB0）；然后设置“bit/s/par/Bits”（波特率），将波特率设置为115200bit/s；最后设置“HardwareFlowControl”为“NO”。

设置完毕，按〈Enter〉键返回到串口设置主菜单，选择“Save Setup as Dfl”，按〈Enter〉键保存刚才的设置。再选择“Exit”退出设置模式。刚才的设置被保存到“/etc/minirc.dfl”。

进行正确的串口设置后，将开发母板串口0和PC串口相连，按开发母板复位键RST，将进入ICT_BOOT界面，如图2-8所示。

选择1，则使用用户IP进行FTP连接；选择2，使用默认IP（192.168.15.115）进行FTP连接；输入F，则对NAND Flash进行格式化。现在选择2，使用默认IP进行FTP连接。

图2-8 ICT_BOOT启动界面

对宿主机进行网络设置，将IP设置为192.168.41.42，将子网掩码设置为255.255.0.0，将默认网关设置为192.168.0.1（具体设置可不同，只要保证与IOT-ARMMB开发板的IP在同一网段内即可）。由于接下来要使用NFS服务，所以需要将宿主机的防火墙关闭。

在Linux下，可以通过命令行和图形界面进行FTP下载。使用图形界面相对直观和简单，因而在这里介绍使用gFTP软件进行下载的方法。在Linux下新建终端，输入gftp，启动gFTP软件。

通过网线将开发母板接入局域网，或者通过网络交叉线直接将IOT-ARMMB开发母板和PC相连。在gFTP中进行FTP设置：在Host文本框中填入正确的IP地址，如在ICT_BOOT启动界面选择2（使用默认IP），则填入192.168.15.115，并输入端口号21。

进入光盘中存放内核和文件系统的目录，选择要下载的文件，然后单击传输按钮进行FTP上传，大约1min后，传输完毕。传送成功后的界面如图2-9所示。

下面在Linux环境下使用minicom连接开发板启动µClinux。首先将开发母板的串口0和PC相连。仍然采用上文提到的方法对minicom进行设置。设置完毕，按复位键，启动开发母板，将得到如图2-9所示的界面。

图2-9 使用gFTP传输文件完成

选择3，启动µClinux，启动之后，会出现如图2-10所示的界面。

图2-10 µClinux启动界面

在命令提示符“/＞”下输入µClinux支持的命令，即可对其进行操作。

（5）配置NFS服务

在宿主机建立共享目录“/home/armwork”，修改/etc/exports文件对NFS服务进行设置：

设置共享目录为“/home/armwork”，设置允许访问IP为“192.168.*.*”，表示处于网段192.168.x.x的主机均可对共享目录“/home/armwork”进行访问，后面括号内为共享目录的权限设置，如“读/写”等，可以根据需要进行设置。最后输入如下命令重启NFS服务：

接着用开发板去ping服务器：

确定ping通服务器后，在开发板上输入如下命令，即可将服务器上的/home/armwork目录下的文件映射到开发板的/mnt目录下：

下面来检测在开发板上是否映射成功，先在服务器上输入：

然后在开发板上输入如下命令即可验证映射是否成功。

若最后控制台出现“this is a test file.”的字样，证明映射已经成功。

注意：在/mnt目录及其子目录下不能使用ls命令。

（6）使用GNU工具链进行开发

在实验步骤（1）～（5）中完成了交叉开发环境的建立，在开发板上完成一次之后，即可跳过，直接从本步骤开始在交叉开发环境下进行µClinux开发。

打开终端或者进入虚拟控制台，进入arm实验目录/home/armwork/，为本实验新建工作目录systimer。

将源代码文件systimer.c和Makefile以及config.h文件复制到工作目录，将光盘提供的gpio文件夹复制到nfs共享目录下的header目录下。编译程序，生成可执行代码systimer。

编译结果如图2-11所示。

图2-11 生成可执行代码systimer

启动µClinux，进行NFS连接，进入gpio驱动目录，加载GPIO驱动。

进入systimer目录，运行实验程序。

每2s蜂鸣器响一次，每1s终端会打印“timeout！”信息。

6.思考题

1）µClinux文件结构下的文件都可起到什么作用？

2）在本开发套件中BootLoader都完成了什么功能，应当如何实现？

3）如何自己完成一个GPIO的驱动程序？

4）如何自己写一个Makefile文件？

7.补充阅读

[1]田泽.ARM7µClinux开发实验与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[2]Getting started µClinuxwithPC22xx.http：//www.cn.nxp.com/.