基于ARM9的嵌入式综合实验研究

时间：2024-05-19

杨万华付承彪陈豪冷莉华

（曲靖师范学院计算机科学与工程学院，云南曲靖 655011）

近年来，嵌入式系统依托于物联网技术[1]，是发展很快的信息领域之一，也是国家信息产业的一个重要发展方向。为突出学生的实践和创新能力训练，以培养有特色的高素质的工程研究应用型人才为目标，加强实践教学环节中综合性和设计性实验，进行此综合实验设计。

1 嵌入式系统简介

嵌入式系统课程是一门软硬结合、偏向于实践与应用的技术课程，对学生的专业拓展和综合性实验技能的培养具有重要的作用。尤其是嵌入式Linux 系统由于具有开源、网络功能强大、内核稳定高效等特性[2]，在产品开发周期、产品的功能可扩展性、开发时的人力投入等方面都具有显著的优势，因此应用广泛。随着物联网的趋热，作为物联网的底层技术之一的嵌入式智能技术将具有巨大的市场前景。

而在高校教学中，对于嵌入式技术这类强调实践性的学科，实验对于培养学生的实际操作能力和解决问题的能力是至关重要的嵌入式系统课程具有很强的渗透性，与其他专业课程相比，嵌入式系统课程具有独特的特点：该课程对学生的专业知识有较高的要求，课程具有交叉性，并且对学生的动手能力和系统思考解决问题的能力要求较高。

通过实验，使学生掌握嵌入式系统程序设计方面的基本概念和技能[3]，嵌入式软件设计的一般方法和流程，系统引导、内核配置与编译、嵌入式文件系统操作、嵌入式网络编程等知识，使学生能够达到实际开发能力的目的，适应于社会的需要。

2 综合实验的设计

本综合设计实验，以开源的Linux 操作系统为基础，进行综合的蓝牙通信实验。第一步是进行目标机引导程序、内核和文件系统的烧写。

在本实验中采用vivi 引导程序，完成引导程序的烧写。以源程序的形式提供给学生一个分析研究的例子，展示内核的配置、内核镜像的编译过程以及内核的测试，并使用串口完成内核的烧写。另外一个就是文件系统的烧写，本实验选用cramfs 作为根文件系统，由于它只是一个只读文件系统，为了得到可读写文件系统，用户文件系统使用YAFFS 格式。用户文件系统挂载于根文件系统下的/mnt/yaffs 目录。yaffs 是专为嵌入式系统使用NAND Flash 而设计的一种日志型文件系统。

第二步是搭建嵌入式交叉开发环境。在一台PC 机（宿主机）上安装Linux 操作系统以及交叉开发工具，编辑、编译目标板的Linux 引导程序、内核、文件系统以及应用程序，然后把结果下载到目标机。通常这种在主机环境下开发，在目标板上运行的开发模式称为交叉开发。由于主机与目标板是两个独立的个体，要想在它们之间传输数据，就必须先建立某种数据连接，才能实现通信、文件传输等功能。通常，在目标板和主机之间可以使用串口、以太网接口、USB 接口和JTAG 接口等连接方式。

在此学习一般的嵌入式开发流程，以及开发环境中的软件和硬件的安装与调试。目的是了解嵌入式交叉编译的相关知识，以及能够搭建嵌入式Linux 系统的开发环境。本实验是在Windows 系统上面使用Vmware 虚拟机安装一个Linux Redhat 9.0 进行实验。

要实现Windows 主机和Linux 主机之间的通信，可以通过搭建Samba 服务器或者Ftp 服务器实现。在完成嵌入式Linux 操作系统的启动之后，可以通过搭建NFS 服务器，完成Linux 主机到嵌入式目标机之间的通信。

由于实验的最终目的是能够实现蓝牙无线通信，蓝牙模块作为一个硬件，要能使其工作，必须先给嵌入式操作系统安装相应的驱动程序。此时，需要重新回到内核程序中，给其配置蓝牙模块驱动，并且让其以模块的方式编译出内核蓝牙驱动模块。在此，让学生熟悉驱动程序编写的基本过程，掌握模块驱动程序设计的基本流程。在分析和提取出蓝牙驱动模块之后，通过交叉开发环境，下载驱动模块到目标机，并且安装到嵌入式设备中。

蓝牙通信主要是面向网络中各类数据及语音设备，使用无线微波的方式将它们连成一个微网，多个微网之间也可以互连，从而方便快速地实现各类设备之间的通信。其目的使学生掌握蓝牙设备通信原理，以及Linux 嵌入式开发平台上蓝牙设备的使用。掌握基本的应用程序设计方法与流程，为后续的应用程序的设计打基础。

本实验使开发板上的蓝牙适配器能够和Windows 主机中的蓝牙适配器建立连接，并且能在嵌入式设备中启动一个FTP 服务器，能够提供无线数据传输功能。本实验通过另外一台PC 机安装一个蓝牙模块，启动蓝牙功能，查找嵌入式设备上的蓝牙设备并与其进行连接，然后登陆嵌入式设备上面的FTP 服务器完成数据的通信。

本实验按照从简单到复杂的实验过程依次实现，在简单的基础实验的基础上，掌握基本的嵌入式开发技能，再完成最后的无线通信综合实验。