慶幸的是，GNU所倡導的自由軟件給開發者帶來了福音。1984 年，旨在開發一個類似 Unix 的，並且是完全免費的完整操作系統和配套工具：GNU 系統（發音爲"guh-NEW"）。GNU的操作系統和開發工具都是免費的，遵循GNU 通用公共許可證 (GPL)協議，任何人都可以從網上獲取全部的源代碼。關於GNU和公共許可證協議的詳細資料，讀者可參看GNU網站的中文介紹：http: //www.gnu.org/home.cn.html。
除了大家熟知的Linux操作系統外，GNU的軟件還包括編譯器（gcc，g++）、二進制轉換工具（objdump，objcopy）、調試 工具（gdb，gdbserver，kgdb）和基於不同硬件平臺的開發庫。GNU開發工具的主要缺點是採用命令行方式，用戶掌握和使用比較困難，不如基 於Windows系統的開發工具好用。但是，GNU工具的複雜性是由於它更貼近編譯器和操作系統的底層，並提供了更大的靈活性。一旦學習和掌握了相關工 具，也就瞭解了系統設計的基礎知識，爲今後的開發工作打下基礎。GNU的開發工具都是免費的，遵循GPL協議，任何人都可以從網上獲取。筆者參與了一個基 於ARM平臺的嵌入式Linux系統開發，採用的是摩托羅拉龍珠系列的MC928MX1。從測試代碼、引導程序、嵌入式Linux移植、應用程序、圖形界 面都可以用GNU工具進行開發，不需要在開發工具上做額外的投入。本文所介紹的開發方法同樣適用於其它公司的基於ARM的產品。
1 硬件平臺
MC928MX1（以下簡稱MX1）是摩托羅拉公司基於ARM核心的第一款MCU，主要面向高端嵌入式應用。內部採用ARM920T內核，並集 成了SDRAM/Flash、LCD、USB、藍牙（bluetooth）、多媒體閃存卡（MMC）、CMOS攝像頭等控制器。關於MX1的詳細資料，感 興趣的讀者可以參考http://www.motorola.com.cn/semiconductors/。作爲應用開發的最小系統必須包括RAM（程 序運行空間）、Flash（存放目標代碼）和串行接口（用於調試和下載程序）。MX1提供了6個片選端（CS0~CS5），內置了SDRAM控制器，數據 寬度32位。在筆者的系統中採用了2片8M×16位的SDRAM和2片4M×16位的同步Flash存儲器，分別接入數據線的低16位和高16位，如圖1 所示。
圖1中SDRAM接片選端CS2，Flash接片選端CS3，其餘爲SDRAM/Flash的控制信號。最小系統還包括至少1個串行接口，可以採用MX1內置的UART控制器，圖略。
目前，許多嵌入式處理器都提供了自舉模式（Bootstrap），供用戶寫入引導代碼。自舉模式利用了固化在芯片內部的一段引導程序，當處理器 復位時，如果在特定引腳上加信號，則處理器將在復位後執行固化ROM中的程序。例如，MX1提供了4條復位引腳，復位時引腳不同的電平組合可以從不同的片 選端啓動系統。自舉ROM中的程序完成串口的初始化，然後等待用戶從串口寫入用戶代碼。自舉模式所能接受的是一種專門格式的文本文件，包括數據和要寫入/ 讀出的地址。關於自舉模式的代碼格式，可參考相關芯片的手冊。在摩托羅拉的網站還提供了許多小工具，幫助開發者將其它格式的文件轉換成爲自舉模式格式。通 過自舉模式下載的通常是一段和上位機軟件（如超級終端）通信的程序，完成接收數據並寫入Flash的操作。寫入的數據可以是用戶自己的應用程序、數據或者 操作系統的內核。通過自舉模式下載的引導程序同樣可以用GNU工具開發。
3 GNU的編譯器和開發工具
GNU提供的編譯工具包括彙編器as、C編譯器gcc、C++編譯器g++、連接器ld和二進制轉換工具objcopy。基於ARM平臺的工具 分別爲arm-linux-as、arm-linux-gcc、arm-linux-g++、arm -linux-ld 和arm-linux-objcopy。GNU的所有開發工具都可以從www.gnu.org上下載，基於ARM的工具可以從 www.uclinux.org獲得。GNU的編譯器功能非常強大，共有上百個操作選項，這也是這類工具讓初學者頭痛的原因。不過，實際開發中只需要用到 有限的幾個，大部分可以採用缺省選項。GNU工具的開發流程如下：編寫C、C++語言或彙編源程序，用gcc或g++生成目標文件，編寫連接腳本文件，用 連接器生成最終目標文件（elf格式），用二進制轉換工具生成可下載的二進制代碼。GNU工具都運行在Linux下，開發者需要1臺運行Linux的PC 作爲上位機。由於篇幅所限，不能完整地介紹整個嵌入式操作系統的開發過程，將以第二節中提到的通過自舉模式下載的引導程序爲例，說明開發的過程。對於像 Linux這樣的大系統，基本的開發流程是一樣的。
引導程序將通過自舉模式下載到MX1的片內RAM，從地址0x00300000開始並執行。完成串口和SDRAM的初始化後，引導程序將等待接 收應用程序或操作系統內核，將接收到的數據放在SDRAM中。數據接收完畢後，引導程序將SDRAM中的數據寫入Flash，下一次就可以從Flash中 直接引導系統了。由於操作系統的內核比較大，如Linux有1 MB以上，下載過程必須考慮糾錯。因此，接收部分採用Xmode協議，可以用Windows下超級終端的Xmode發送方式發送文件。
（1）編寫C、C++語言或彙編源程序
通常彙編源程序用於系統最基本的初始化，如初始化堆棧指針、設置頁表、操作ARM的協處理器等。初始化完成後就可以跳轉到C代碼執行。需要注意 的是，GNU的彙編器遵循AT&T的彙編語法，讀者可以從GNU的站點（www.gnu.org）上下載有關規範。彙編程序的缺省入口是 start標號，用戶也可以在連接腳本文件中用ENTRY標誌指明其它入口點（見下文關於連接腳本的說明）。
（2）用gcc或g++生成目標文件
如果應用程序包括多個文件，就需要進行分別編譯，最後用連接器連接起來。如筆者的引導程序包括3個文件：init.s（彙編代碼、初始化硬件） xmrecever.c（通信模塊，採用Xmode協議）和flash.c（Flash擦寫模塊）。
分別用如下命令生成目標文件：
arm-linux-gcc-c-O2-o init.o init.s
arm-linux-gcc-c-O2-o xmrecever.o xmrecever.c
arm-linux-gcc-c-O2-o flash.o flash.c
其中-c命令表示只生成目標代碼，不進行連接；-o 命令指明目標文件的名稱；-O2表示採用二級優化，採用優化後可使生成的代碼更短，運行速度更快。如果項目包含很多文件，則需要編寫makefile文件。關於makefile的內容，請感興趣的讀者參考相關資料。
（3）編寫連接腳本文件
gcc等編譯器內置有缺省的連接腳本。如果採用缺省腳本，則生成的目標代碼需要操作系統才能加載運行。爲了能在嵌入式系統上直接運行，需要編寫 自己的連接腳本文件。編寫連接腳本，首先要對目標文件的格式有一定了解。GNU編譯器生成的目標文件缺省爲elf格式。elf文件由若干段 （section）組成，如不特殊指明，由C源程序生成的目標代碼中包含如下段：.text（正文段）包含程序的指令代碼；.data(數據段)包含固定 的數據，如常量、字符串；.bss（未初始化數據段）包含未初始化的變量、數組等。C++源程序生成的目標代碼中還包括.fini（析構函數代碼）和. init（構造函數代碼）等。有關elf文件格式，讀者可自行參考相關資料。連接器的任務就是將多個目標文件的.text、.data和.bss等段連接 在一起，而連接腳本文件是告訴連接器從什麼地址開始放置這些段。例如筆者的引導程序連接文件link.lds爲：
ENTRY(begin)
SECTION
{ .=0x00300000;
.text : { *(.text) }
.data: { *(.data) }
.bss: { *(.bss) }
}
其中，ENTRY(begin)指明程序的入口點爲begin標號；.=0x00300000指明目標代碼的起始地址爲0x00300000， 這一段地址爲MX1的片內RAM；.text : { *(.text) }表示從0x00300000開始放置所有目標文件的代碼段，隨後的.data: { *(.data) }表示數據段從代碼段的末尾開始，再後是.bss段。
（4）用連接器生成最終目標文件
有了連接腳本文件，如下命令可生成最終的目標文件：
arm-linux-ld-nostadlib-o bootstrap.elf-T link.lds init.o xmrecever.o flash.o
其中，ostadlib表示不連接系統的運行庫，而是直接從begin入口；-o指明目標文件的名稱；-T指明採用的連接腳本文件；最後是需要連接的目標文件列表。
（5）生成二進制代碼
連接生成的elf文件還不能直接下載執行，通過objcopy工具可生成最終的二進制文件：
arm-linux-objcopy-O binary bootstrap.elf bootstrap.bin
其中-Obinary指定生成爲二進制格式文件。Objcopy還可以生成S格式的文件，只需將參數換成-O srec。如果想將生成的目標代碼反彙編，還可以用objdump工具：
arm-linux-objdump-D bootstrap.elf
至此，所生成的目標文件就可以直接寫入Flash中運行了。如果要通過自舉模式下載，還需要轉換爲自舉模式的文件格式，相關轉換工具可以在摩托羅拉的網站上找到。
掌握了GNU工具後，開發者就可以開發或移植C或C++代碼的程序。用戶可以不需要操作系統，直接開發簡單應用程序。但對於更復雜的應用來說， 操作系統必不可少。目前流行的源代碼公開的操作系統如Linux、μC/OS都可以用GNU工具編譯。ARM的Linux已有很多成熟的版本，可以支持 ARM720、ARM920、ARM1020等多種處理器，讀者可從www.uclinux.org或www.armdevzone.com上獲取最新信 息。Linux移植過程中和處理器相關的代碼都放在arch/arm目錄下。對於內核，用戶需要做的是設定自己系統的內存映像，RAM起始地址，I/O地 址空間和虛擬I/O地址空間，參看arch/arm/mach-integrator/arch.c文件。除了內核外，用戶還需要爲自己的系統編制各種各 樣的驅動程序。
4 調試工具
Linux下的GNU調試工具主要是gdb、gdbserver和kgdb。其中gdb和gdbserver可完成對目標板上Linux下應用 程序的遠程調試。gdbserver是一個很小的應用程序，運行於目標板上，可監控被調試進程的運行，並通過串口與上位機上的gdb通信。開發者可以通過 上位機的gdb輸入命令，控制目標板上進程的運行，查看內存和寄存器的內容。gdb5.1.1以後的版本加入了對ARM處理器的支持，在初始化時加入－ target==arm參數可直接生成基於ARM平臺的gdbserver。gdb工具可以從ftp: //ftp.gnu.org/pub/gnu/gdb/上下載。
對於Linux內核的調試，可以採用kgdb工具，同樣需要通過串口與上位機上的gdb通信，對目標板的Linux內核進行調試。由於篇幅所限，感興趣的讀者可以從http://oss.sgi.com/projects/kgdb/上了解具體的使用方法。
結束語
本文以一個具體的實例爲例，對GNU工具中的常用功能作了介紹。其實GNU工具的功能還遠不止這些，更進一步的操作有：針對不同處理器，不同算法的軟件優化、高效的內嵌彙編、大型項目管理功能等。相信GNU能成爲越來越多開發人員的選擇。
2 自舉模式