基于Linux的嵌入式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用
——以GPIO流水燈驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)為例

劉淑影，王光陽(yáng)，魏梨君，楊 穎，張永華

（阜陽(yáng)師范大學(xué),安徽 阜陽(yáng)236037）

0 引言

目前大部分高校的計(jì)算機(jī)及其相關(guān)專業(yè)都陸續(xù)開(kāi)設(shè)了嵌入式相關(guān)課程，而Linux以其開(kāi)源、免費(fèi)、多用戶等優(yōu)勢(shì)已成為高校合理利用資源的最佳選擇［1-3］。在VMware虛擬機(jī)上搭建嵌入式Linux開(kāi)發(fā)環(huán)境有以下優(yōu)勢(shì)：一是方便用戶的使用。目前大部分用戶習(xí)慣在Window操作系統(tǒng)上進(jìn)行日常辦公，所以在Window基礎(chǔ)之上安裝VMware進(jìn)而進(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā)，省去了重新裝機(jī)的麻煩。二是減少了對(duì)硬件的依賴。在虛擬機(jī)上安裝Linux能夠減少軟硬件之間的不兼容問(wèn)題。三是維護(hù)方便。虛擬機(jī)環(huán)境下Linux操作系統(tǒng)能夠更快捷地完成數(shù)據(jù)備份功能，從而達(dá)到統(tǒng)一管理、維護(hù)和降低維護(hù)成本的目的［4］。

本文給出一種基于Linux的嵌入式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建方法，通過(guò)在VMware虛擬機(jī)上安裝Linux操作系統(tǒng)、搭建虛擬開(kāi)發(fā)平臺(tái)，為高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)增加了靈活性，對(duì)創(chuàng)新現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到推動(dòng)作用。

1 嵌入式虛擬開(kāi)發(fā)平臺(tái)的搭建

嵌入式虛擬開(kāi)發(fā)平臺(tái)可以減少嵌入式開(kāi)發(fā)成本，并且為嵌入式開(kāi)發(fā)人員降低了入門(mén)難度。下面從三個(gè)方面介紹嵌入式虛擬開(kāi)發(fā)平臺(tái)的搭建。

1.1 Linux的安裝

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用VMware Workstation虛擬機(jī)，其使用范圍較廣，很多網(wǎng)站都可以下載，本文使用的是10.0版本。搭建嵌入式虛擬開(kāi)發(fā)環(huán)境的第一步是安裝虛擬機(jī)，然后在虛擬機(jī)上安裝Linux操作系統(tǒng)（具體鏡像文件可以從網(wǎng)上下載或通過(guò)Linux光盤(pán)）。

使用VMware Workstation虛擬機(jī)軟件VMware Tools增強(qiáng)工具包，可以增強(qiáng)虛擬機(jī)中的虛擬顯卡和硬盤(pán)性能、同步虛擬機(jī)與主機(jī)文件的驅(qū)動(dòng)程序，因此要在搭建的開(kāi)發(fā)環(huán)境中安裝VMware Tools工具包。

1.2 配置NFS

在嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境中安裝NFS，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)通過(guò)Interent共享資源，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)掛載系統(tǒng)的目的，這種方式對(duì)于系統(tǒng)的調(diào)試非常方便。NFS安裝簡(jiǎn)單，具體步驟如下。

Step1：在Linux系統(tǒng)中打開(kāi)命令終端，輸入命令nfs-sudo apt-get install nfs-kernel-server。

Step2：新建立一個(gè)NFS專用文件夾（sudo mkdir/mnt/nfs），其中/mnt/nfs是將要共享的文件目錄。打開(kāi)exports文件（vi/etc/exports），在其末尾添加指令-/mnt/nfs*（rw，sync，no_root_squash，no_sub?tree_check），然后保存并退出。

Step3：首先通過(guò)命令restart重新啟動(dòng)portmap服務(wù)，再重新啟動(dòng)NFS服務(wù)。

Step4：將Ubuntu系統(tǒng)的"/mnt/nfs"目錄掛在到實(shí)驗(yàn)箱（嵌入式Linux系統(tǒng)）的"/mnt"目錄下面，從而實(shí)現(xiàn)文件的共享。

1.3 交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建

建立交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境是嵌入式應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的第一步。在交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境中，在一臺(tái)PC機(jī)（宿主機(jī)）上對(duì)源程序進(jìn)行編輯、編譯、鏈接之后，生成應(yīng)用程序，然后將其下載到能夠運(yùn)行、調(diào)試該程序的目標(biāo)設(shè)備中。其中宿主機(jī)是裝有VM虛擬機(jī)的計(jì)算機(jī)，而目標(biāo)機(jī)則一般指嵌入式設(shè)備。下面給出安裝交叉編譯器的步驟。

Step1：通過(guò)Linux系統(tǒng)終端，將交叉編譯器復(fù)制到本地Ubuntu的"/usr/local/arm"目錄下，如果本地沒(méi)有此文件夾，則新建一個(gè)。

Step2：修改交叉編譯工具中環(huán)境變量的路徑。首先打開(kāi)環(huán)境變量文件".bashrc"（"cd/root"-"gedit.bashrc"），然后添加代碼-"export PATH=$PATH:/usr/local/arm/arm-2009q3/bin"到該文件、保存、退出，最后更新環(huán)境變量（"source.bashrc"）。

Step3：交叉編譯環(huán)境的測(cè)試。在Ubuntu終端輸入"arm"，通過(guò)鍵盤(pán)上的TAB切換到root權(quán)限，如果命令行中出現(xiàn)arm編譯器信息，就表明交叉編譯環(huán)境安裝好了，測(cè)試成功，如圖1所示。

圖1 ARM編譯器

2 GPIO流水燈驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)

本文所采用的實(shí)驗(yàn)環(huán)境及開(kāi)發(fā)流程如圖2所示，在主機(jī)的Ubuntu操作系統(tǒng)下安裝交叉編譯器，對(duì)Linux內(nèi)核配置make menuconfi，編譯生成Linux的鏡像文件boot.img。最后通過(guò)文件夾共享和USB的方式將生成的鏡像文件下載到目標(biāo)板，通過(guò)Uboot引導(dǎo)執(zhí)行［5-6］，圖2給出了嵌入式Linux環(huán)境下的開(kāi)發(fā)流程。

圖2 嵌入式Linux環(huán)境下的開(kāi)發(fā)流程

2.1 GPIO流水燈的工作原理

本實(shí)驗(yàn)選取ARM A8系統(tǒng)自帶8位LED流水燈，使用復(fù)用的IO接口和8位數(shù)據(jù)線，通過(guò)74AHC138 3-8線譯碼器產(chǎn)生不同模塊所需要的片選信號(hào)，作為74LVCH273鎖存器CLK時(shí)鐘信號(hào)，達(dá)到復(fù)用IO接口的目的。其電路如圖3所示。

圖3 流水燈工作原理

在圖3所示的電路圖中，將8個(gè)發(fā)光二極管LED的一端與鎖存器74LVCH273的8個(gè)輸出口進(jìn)行連接，另一端經(jīng)過(guò)一個(gè)限流電阻接地，當(dāng)鎖存器輸出高電平使LED兩端出現(xiàn)壓降產(chǎn)生電流會(huì)點(diǎn)亮LED燈。將鎖存器的控制引腳連接到ARM端的GPIOA23引腳，如果GPIOA23為低電平時(shí)，鎖存器74LVCH273的8個(gè)輸出口處于無(wú)效狀態(tài)，GPIOA23輸出高電平時(shí)鎖存器的8個(gè)輸出口會(huì)根據(jù)8個(gè)輸入口持續(xù)輸出對(duì)應(yīng)高低電平，8個(gè)輸入口連接ARM端的GPIOA0～A7端口。鎖存器的某個(gè)輸出端為高電平時(shí)，此時(shí)LED有電流通過(guò)并發(fā)光。如果當(dāng)鎖存器的某個(gè)輸出端輸出低電平時(shí)，LED就會(huì)熄滅。

2.2 GPIO流水燈驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)

由于驅(qū)動(dòng)程序沒(méi)有主函數(shù)，因此進(jìn)行流水燈驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的第一步就是進(jìn)行流水燈的初始化，初始化過(guò)程中使用misc_register（）函數(shù)注冊(cè)設(shè)備名和驅(qū)動(dòng)的接口。該接口通過(guò)cled_ioctl（）函數(shù)傳遞cled_gpio_ctl（）函數(shù)的返回值。其中cled_gpio_ctl（）函數(shù)的具體操作步驟如下。

Step1：首選通過(guò)gpio_request（）函數(shù)來(lái)顯示配置該通用輸出輸出GPIO端口的pinmux，再申請(qǐng)GPIO端口。

Step2：標(biāo)記該通用輸出輸出GPIO的使用方向（是輸入還是輸出）。

Step3：通過(guò)函數(shù)gpio_get_value（）獲取GPIO引腳并使用函數(shù)gpio_set_value（）設(shè)置GPIO引腳的值。

Step4：使用通用輸出端口的導(dǎo)出函數(shù)gpio_ex?port（）將GPIO端口導(dǎo)出到用戶空間。

2.3 程序測(cè)試

在嵌入式虛擬開(kāi)發(fā)平臺(tái)上將編好的GPIO流水燈驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行交叉編譯。首先編輯Kconfig、makefile文件，將cled.c加入到內(nèi)核編譯，設(shè)置環(huán)境變量“export ARCH=arm”，然后執(zhí)行make menucon?fig，選中繼電器驅(qū)動(dòng)，流水燈的選擇如圖4所示。

圖4 流水燈的選擇

編譯內(nèi)核，重新將內(nèi)核燒寫(xiě)到實(shí)驗(yàn)箱上。設(shè)備啟動(dòng)后，在“/dev”目錄下可查看到設(shè)備節(jié)點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 查看設(shè)備節(jié)點(diǎn)

將編寫(xiě)好的繼電器驅(qū)動(dòng)程序在嵌入式虛擬開(kāi)發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行交叉編譯，生成文件名為cled的目標(biāo)文件，將此目標(biāo)文件復(fù)制到/mnt/nfs目錄下。

打開(kāi)Putty終端，連接實(shí)驗(yàn)箱串口，將實(shí)驗(yàn)箱/mnt目錄掛載到Linux系統(tǒng)/mnt/nfs目錄下，運(yùn)行程序如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)箱掛載到Linux上

運(yùn)行程序，觀察試驗(yàn)箱下面的跑馬燈開(kāi)始依次點(diǎn)亮，如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于Linux的嵌入式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建是切實(shí)可行的。本文主要介紹了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建過(guò)程，然后通過(guò)嵌入式GPIO流水燈驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)來(lái)證明該平臺(tái)的有效性。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)更偏重實(shí)踐和應(yīng)用，學(xué)生需要多動(dòng)手、多寫(xiě)程序、多去實(shí)踐操作，親自搭建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，調(diào)試程序代碼，以此來(lái)增加學(xué)生提動(dòng)手實(shí)踐和進(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā)的機(jī)會(huì)。通過(guò)2年多的實(shí)踐，證明采用基于Linux的嵌入式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)后學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和嵌入式開(kāi)發(fā)能力都有所提高［4］。