嵌入式系統(tǒng)開發(fā)要素的選擇分析

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 嵌入式處理器 實時操作系統(tǒng) 仿真器 調(diào)試器

引 言

　　在計算機、互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)高速發(fā)展的同時，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)也取得迅速發(fā)展。這不僅表現(xiàn)在從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)研究的人員隊伍日益壯大，嵌入式處理器和實時操作系統(tǒng)的性能增強和產(chǎn)品升級換代，更重要的體現(xiàn)在嵌入式技術(shù)應(yīng)用范圍的急劇擴大。

　　嵌入式系統(tǒng)擁有巨大的市場空間，我國應(yīng)該抓住機遇，與時俱進(jìn)，奮起直追，在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域趕超世界先進(jìn)水平。要達(dá)到這個目標(biāo)，具有一定的現(xiàn)實可行性，這是因為同PC機系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)更有自身的特征。在PC領(lǐng)域，雖有AMD系列處理器和Linux操作系統(tǒng)的市場沖擊，但是Win_Tel（Windows+Intel）體系架構(gòu)仍占主導(dǎo)地位；可是，嵌入式系統(tǒng)本身是一個相當(dāng)分散的工業(yè)，典型特征是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，市場應(yīng)用才是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的導(dǎo)向和前提，在當(dāng)前的嵌入式市場中不存在壟斷的局面。

　　嵌入式系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分：硬件架構(gòu)上以嵌入式處理器為中心，配置存儲器、I/O設(shè)備、通信模塊等必要的外設(shè)；軟件部分以軟件開發(fā)平臺為核心，向上提供應(yīng)用編程接口（API），向下屏蔽具體硬件特性的板級支持包BSP。嵌入式系統(tǒng)中，軟件和硬件緊密配合，協(xié)調(diào)工作，共同完成系統(tǒng)預(yù)定的功能。

　　對于不同的市場應(yīng)用類型，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中的嵌入式處理器、實時操作系統(tǒng)、仿真器、調(diào)試器以及開發(fā)隊伍的技術(shù)水平和結(jié)構(gòu)比例等要素的選擇是至關(guān)重要的。本文參考一些嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的資料，結(jié)合具體的工程實踐經(jīng)驗，系統(tǒng)總結(jié)了進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)時，如何全面考慮各開發(fā)要素并進(jìn)行選擇，最后結(jié)合一個具體實例進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 嵌入式處理器

　　嵌入式系統(tǒng)的功能軟件集成于硬件系統(tǒng)之中，系統(tǒng)的應(yīng)用軟件與硬件一體化。在嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)備中，嵌入處理器是整個系統(tǒng)的核心部件，其性能的好壞直接決定整個系統(tǒng)的運行效果。

　　PC機銷售市場中，隨著通用CPU技術(shù)的突破和工作頻率的倍增，舊款低檔CPU早已經(jīng)不見蹤跡。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)面向具體應(yīng)用，不同領(lǐng)域的應(yīng)用市場需要不同款式和性能指標(biāo)的處理器來開發(fā)，于是在嵌入式處理器市場中，中低端的4位、8位和16位處理器依然存在，高性能的32位處理器也有很多產(chǎn)品。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)和微電子技術(shù)發(fā)展，包含嵌入式處理器以及部分外圍電路的微控制器產(chǎn)品也進(jìn)入市場，片上系統(tǒng)SoC（System on Chip）產(chǎn)品也開始出現(xiàn)。這些產(chǎn)品的上市，不僅豐富了嵌入式處理器產(chǎn)品，而且也更加方便了工程技術(shù)人員進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)和擴大嵌入式產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　由于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用需求的多樣性，市場上基于RISC結(jié)構(gòu)的嵌入式處理器提供商也日漸增多。統(tǒng)計數(shù)字表明，1999年底市場銷售額排在前三位的公司分別是ARM、Motorola和MIPS，其中ARM公司的芯片銷售量達(dá)1.5億個，市場份額超過50%。

　　面對這樣的嵌入式處理器市場，開發(fā)設(shè)計人員應(yīng)該如何選擇呢？這里有兩個前提條件。

　　一是深入研究具體的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用需求，充分的應(yīng)用需求分析后獲取應(yīng)用系統(tǒng)的性能指標(biāo)。面向應(yīng)用是嵌入式系統(tǒng)的特色，具體的應(yīng)用需求決定著嵌入式處理器的性能選型。在工業(yè)控制等特殊領(lǐng)域，系統(tǒng)需求分析員不僅需要和工作人員、上級主管親自面談，而且要到工作現(xiàn)場獲取第一手信息，收集充分的資料。應(yīng)用需求分析后，需要定義產(chǎn)品具備的基本功能和性能指標(biāo)，如系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量大小和處理實時性要求、系統(tǒng)正常運行時的工作環(huán)境、系統(tǒng)運行過程中可能遇到的突發(fā)事件、系統(tǒng)的尺寸大小和功耗指標(biāo)等。

　　第二個前提條件是，分析研究市場上各大廠商提供的各款嵌入式處理器的性能指標(biāo)，如功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等。這些參數(shù)也是各個半導(dǎo)體芯片廠商之間競爭的熱點。

　　開發(fā)人員通過應(yīng)用需求分析獲取了產(chǎn)品的功能性和非功能性指標(biāo)，研究了市場上嵌入式處理器的性能參數(shù)后，能夠?qū)η度胧教幚砥髯鞒鲚^好的選擇。嵌入式處理器選擇的基本原則是滿足具體功能性和非功能性指標(biāo)需求的、市場應(yīng)用反應(yīng)良好的、硬件配置最少的嵌入式處理器。如簡單的智能儀器儀表設(shè)計考慮使用4位或者8位低檔單片機8051；和數(shù)字信號處理密切相關(guān)的選用TI公司的TMX320x系列的DSP（數(shù)字信號處理）芯片；如果產(chǎn)品偏重于通信功能，考慮Motorola公司的嵌入式處理器68K系列；如果產(chǎn)品功能比較齊全，可選用嵌入式處理器領(lǐng)域的后起之秀ARM公司的高性能嵌入式處理器ARM芯片系列等。

　　除了上述的產(chǎn)品性能需求因素，選擇嵌入式處理器時也需要考慮開發(fā)人員對此系列處理器的熟悉程度。因為不同公司開發(fā)的嵌入式處理器差別較大，從一類處理器轉(zhuǎn)移到另一類處理器的難度比同一系列不同處理器間的轉(zhuǎn)移難度大得多，風(fēng)險多得多。

2 實時操作系統(tǒng)

　　以嵌入式處理器為中心，開發(fā)人員搭建好硬件電路時僅提供了裸機運行平臺，要使整個系統(tǒng)有限的硬件資源充分利用起來，還需要（嵌入式）實時操作系統(tǒng)RTOS（Real Time Operating System）的軟件支持。

　　RTOS與一般商用多任務(wù)OS（如Unix、Windows以及Linux等）有共同的一面，也有不同的一面。商用多任務(wù)OS主要目的是方便用戶管理計算機資源和追求系統(tǒng)資源的最大利用率；而RTOS重點追求的是實時性、可確定性、可靠性，當(dāng)然也包括有限資源的管理。一般RTOS內(nèi)核都很小，在幾KB~十幾KB之間。流行的RTOS基本上都支持基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度策略和時間片輪轉(zhuǎn)，具有微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，有標(biāo)準(zhǔn)組件可供選用，支持虛擬存儲技術(shù)和存儲保護(hù)機制。

　　由于具體嵌入式應(yīng)用的功能需求差異以及不同RTOS間不同的性能指標(biāo)，RTOS的選擇有三種方案：一是根據(jù)應(yīng)用需要和公司技術(shù)實力，考慮自主開發(fā)研究（國內(nèi)手機廠商寧波波導(dǎo)公司部分款式的手機操作系統(tǒng)就是自主開發(fā)的）；二是充分考慮系統(tǒng)需求和流行RTOS的性能指標(biāo)及性價比選擇商用RTOS，如WinCE、VxWorks等；三是考慮嵌入式Linux（RT_Linux），RT_Linux是開放源代碼的免費自由軟件，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)論壇較多，具備較好的裁減性以支持不同的應(yīng)用范疇。

　　當(dāng)前全球范圍內(nèi)商用RTOS多達(dá)200多種，應(yīng)用領(lǐng)域的多樣性使得市場反應(yīng)較好的也將近有十幾種，如VxWorks、pSOS、Nucleus、QNX、WinCE以及中科院軟件研究中心研制的Hopen等。這些不同名稱的RTOS，核心軟件差異微妙而且難以琢磨，選擇時重點是考慮它們的性能評價指標(biāo)，主要包括調(diào)度算法、RTOS本身內(nèi)存開銷、RTOS內(nèi)存管理模式、最大中斷禁止時間和最大任務(wù)切換時間。當(dāng)然，也包括RTOS的購買成本和提供的技術(shù)支持等相關(guān)因素。針對實時性要求較高的應(yīng)用，需要重點考慮RTOS的最大中斷禁止時間和最大任務(wù)切換時間。這兩個參數(shù)越小越好。減小這兩個參數(shù)值，除了選用較高工作主頻的嵌入式處理器外，還和RTOS本身任務(wù)調(diào)度和中斷處理機制密切相關(guān)。

　　選擇RTOS時，通常還要考慮系統(tǒng)功能方面支持何種處理器硬件平臺，何種API，是否支持核心態(tài)用戶態(tài)、是否支持內(nèi)存管理單元MMU、可移植性、調(diào)試支持、標(biāo)準(zhǔn)支持等。如果開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，還需要考慮該RTOS是否支持TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)組件和I/O服務(wù)等。如果開發(fā)游戲和娛樂市場，要著重研究該RTOS對多媒體的支持能力。市場應(yīng)用需求的多樣性，使得RTOS本身應(yīng)該支持用戶自定制能力，根據(jù)應(yīng)用需要在微內(nèi)核的基礎(chǔ)上選用標(biāo)準(zhǔn)組件。

3 仿真器和調(diào)試器

　　調(diào)試是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程的重要環(huán)節(jié)。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試和一般PC系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試有較大差別。在一般PC機系統(tǒng)開發(fā)中，調(diào)試器和被調(diào)試程序是運行在相同的硬件和軟件平臺上的兩個進(jìn)程，調(diào)試器進(jìn)程通過操作系統(tǒng)專門提供的調(diào)試接口控制和訪問被調(diào)試進(jìn)程。而在嵌入式系統(tǒng)中，調(diào)試器是運行在桌面操作系統(tǒng)上的應(yīng)用程序，被調(diào)試程序是運行在基于特定硬件平臺的操作系統(tǒng)，兩個程序間需要實時通信。

　　嵌入式系統(tǒng)調(diào)試時，主機上運行的集成開發(fā)調(diào)試工具（調(diào)試器）通過仿真器和目標(biāo)機相連。仿真器處理宿主機和目標(biāo)機之間所有的通信，這個通信口可以是串口、并行口或者高速以太網(wǎng)接口。仿真器通過JTAG口和目標(biāo)機相連。三者間的關(guān)系如圖1所示。

　　嵌入式系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試方法有快速原型仿真法和實時在線調(diào)試法?？焖僭头抡娣ㄓ糜谟布O(shè)備尚未完成時，直接在宿主機上對應(yīng)用程序運行進(jìn)行仿真分析。在此過程中系統(tǒng)不直接和硬件打交道，由開發(fā)調(diào)試軟件內(nèi)部某一特定軟件模塊模擬硬件CPU系統(tǒng)執(zhí)行過程，并可同時將仿真異常反饋給開發(fā)者進(jìn)行錯誤定位和修改。實時在線調(diào)試法在具體的目標(biāo)機平臺上調(diào)試應(yīng)用程序，系統(tǒng)在調(diào)試狀態(tài)下的執(zhí)行情況和實際運行模式完全一樣，這種方式更有利于開發(fā)者實時對系統(tǒng)硬件和軟件故障進(jìn)行定位和修改，提高產(chǎn)品開發(fā)速度。

　　選用的調(diào)試器是運行在主機上的集成開發(fā)環(huán)境，一般需要集編輯、匯編、編譯、鏈接和調(diào)試環(huán)境于一體，支持低級匯編語言、C和C++語言，基于友好的圖形用戶界面（GUI），支持用戶觀察或修改嵌入式處理器的寄存器和存儲器配置、數(shù)據(jù)變量的類型和數(shù)值，堆棧和寄存器的使用，支持程序斷點設(shè)置，單步、斷點或者全速運行等特性。

　　應(yīng)用需求的多樣性導(dǎo)致市場上仿真器和調(diào)試器的提供商也較多，Windriver公司的Tornado是一個很好的開發(fā)調(diào)試工具。根據(jù)實踐經(jīng)驗，一般配套選擇規(guī)模較大、信譽較好公司的仿真器和調(diào)試器，雖然價格偏高，但是這些公司技術(shù)實力強，售后服務(wù)好，調(diào)試器和仿真器開發(fā)結(jié)合緊密。如果在開發(fā)調(diào)試過程遇到技術(shù)障礙，可以通過電話或者電子郵件方式及時獲取技術(shù)支持。如選用ARM系列的嵌入式處理器時，可以購買Multi-ICE仿真器，并附加ARM250集成開發(fā)調(diào)試環(huán)境等。

4 開發(fā)隊伍的技術(shù)水平和結(jié)構(gòu)比例

　　嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中選擇好了嵌入式處理器、RTOS、仿真器和調(diào)試器等設(shè)備外，還需要考慮開發(fā)隊伍的技術(shù)水平和結(jié)構(gòu)比例。經(jīng)驗豐富的開發(fā)小組都深有體會：民用產(chǎn)品開發(fā)中，產(chǎn)品能夠在預(yù)計的時間內(nèi)進(jìn)入市場贏得效益，其整個技術(shù)范圍內(nèi)新技術(shù)比例至多只能達(dá)到20％，超過這個界限，估算的時間期限可能會出現(xiàn)較大偏差。從高層規(guī)劃人員的角度分析：20％以內(nèi)的新技術(shù)，公司可以集中力量，投入足夠多的人力、物力和財力進(jìn)行突破性研究，正常情況下可以達(dá)到滿意效果。如果新技術(shù)超出20％這個范圍，恐怕心有余而力不足。

　　公司運作以市場作為向?qū)В鞘袌鲑x予它們生命。公司看重市場，付出的勞動有市場回報才能正常運轉(zhuǎn)。公司在開發(fā)過程中一般都盡量避免風(fēng)險，而且整個開發(fā)過程中始終將風(fēng)險分析作為重要的參考因素。公司一般都選擇保守的開發(fā)模式，基于當(dāng)前開發(fā)人員的技術(shù)實力和已經(jīng)達(dá)到的技術(shù)儲備，在許多種備選方案的技術(shù)論證過程，充分分析成本收益、風(fēng)險大小、投入資源、開發(fā)人員的技術(shù)水平等因素，全面考慮，權(quán)衡利弊，盡量選用可靠的，風(fēng)險小的設(shè)計方案。

　　在項目開發(fā)中，分配開發(fā)人員時不僅要確保任務(wù)在給定時間期限內(nèi)完成的成功性，而且也要體現(xiàn)在鍛煉培養(yǎng)后繼人才方面。任何項目的開發(fā)，依據(jù)需求分析后，經(jīng)過概要設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計，都會形成模塊化結(jié)構(gòu)，其工作難度也有一定的層次性。這樣，公司在選派項目人員時，需要合理的人員結(jié)構(gòu)安排，現(xiàn)在一般公認(rèn)的人才結(jié)構(gòu)比例是1（博士或同等學(xué)歷）∶3（碩士或同等學(xué)歷）∶7（學(xué)士、大?；蛲葘W(xué)歷）。在項目開發(fā)中，除了開發(fā)人員的技術(shù)水平和結(jié)構(gòu)比例外，小組內(nèi)部的民主化、科學(xué)化管理決策也是很重要的環(huán)節(jié)。

5 應(yīng)用實例解析

　　在詳細(xì)討論了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中的幾個關(guān)鍵因素后，下面具體闡述這些因素在工作中的具體體現(xiàn)。圖2是個人數(shù)字助理PDA和尋呼機二合一的手持式電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖。

　　該產(chǎn)品的基本功能包括：

　?、?個人數(shù)字助理――科學(xué)計算器、英漢互譯辭典、電話號碼簿、記事日程表等；

　　② 交通信息――列車時刻表的車次查詢和車站查詢、民航時刻表的航班查詢等；

　?、?尋呼信息――接收個人和公共尋呼信息，個人尋呼內(nèi)容實時語音合成并播放，尋呼方式更新列車和民航時刻表數(shù)據(jù)等。

　　分析產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)圖并結(jié)合產(chǎn)品的基本功能，可以獲得產(chǎn)品對嵌入式處理器的性能要求：高速嵌入式處理器處理列車和民航時刻表查詢、個人尋呼內(nèi)容的實時語音合成并播放等。處理器外圍需要自帶語音錄放電路完成語音錄入和播放，串行口和紅外通信口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，LCD接口電路提供用戶輸入接口，也需要電源管理模塊完成便攜式電子產(chǎn)品的低功耗設(shè)計。

　　選用ARM公司的嵌入式微控制器EP7211：內(nèi)含的32位微處理器ARM720T，提供18MHz、36MHz、54MHz和72MHz工作主頻，而且允許用戶在應(yīng)用程序中對控制寄存器編程切換處理器工作頻率，這種切換頻率的工作方式，不僅滿足了不同的應(yīng)用需求，而且降低了系統(tǒng)的功耗。EP7211提供了SRAM和Flash存儲芯片接口，2個RS232口（1個自帶紅外信號收發(fā)模塊），支持G_729.a標(biāo)準(zhǔn)的語音錄放Codec模塊，有LCD接口和電源管理部分，支持低電壓監(jiān)測等。在休眠狀態(tài)下，EP7211支持中斷喚醒功能，喚醒時間是喚醒頻率的2～3個周期，芯片提供8kHz的喚醒頻率，使得在休眠狀態(tài)下系統(tǒng)收到尋呼前導(dǎo)信號時能夠及時喚醒。

　　選定了EP7211后就應(yīng)選擇RTOS了。從產(chǎn)品功能和程序流程的角度分析，系統(tǒng)基本上是單任務(wù)順序處理，但要具備實時對尋呼中斷的響應(yīng)能力。RTOS的選擇有兩個方案：一是使用已經(jīng)購買的用在油田測井系統(tǒng)SL3000型產(chǎn)品的商用Nucleus，二是使用自主開發(fā)的、專門面向嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的XGW軟件開發(fā)平臺。

　　XGW軟件開發(fā)平臺功能強大，模塊化設(shè)計，擴展性強；支持多種點陣和矢量字體；完善的中英文處理接口；支持漢王手寫識別和拼音輸入法等。XGW開發(fā)平臺是自主研發(fā)的，軟件產(chǎn)品升級和故障排除比較容易，產(chǎn)品成本費用相對較低。選擇EP7211嵌入式處理器和XGW開發(fā)平臺，還因為二者在“GPS汽車導(dǎo)航系統(tǒng)”項目中獲得了成功應(yīng)用。

　　關(guān)于集成開發(fā)調(diào)試環(huán)境，我們購買了ARM公司的ARM250。它基于GUI用戶接口，一體化的編輯、匯編、編譯、連接和調(diào)試多窗口工作環(huán)境，支持單步跟蹤、斷點設(shè)置和內(nèi)存查看等；同時，ARM250開發(fā)調(diào)試界面和Microsoft 的VC6++集成環(huán)境相似，有助于開發(fā)人員快速熟悉和掌握。選用Multi_ICE仿真器，支持在線仿真調(diào)試，通過并行口連接主機，支持程序編譯鏈接后的程序代碼快速加載，加快了代碼調(diào)試進(jìn)度。

　　詳細(xì)分析了產(chǎn)品的技術(shù)風(fēng)險，對開發(fā)小組而言，只有尋呼系統(tǒng)是比較成熟的新技術(shù)，且工作頻率高達(dá)155MHz，需要重點解決和其它功能模塊的電磁兼容性，要投入較多的人力資源進(jìn)行重點突破。關(guān)于嵌入式處理器EP7211和自主研發(fā)的XGW軟件開發(fā)平臺等，開發(fā)人員都有一定的技術(shù)積累和豐富的工作經(jīng)驗。

　　在系統(tǒng)開發(fā)中，設(shè)計了兩套技術(shù)調(diào)試方案：一是基于內(nèi)存SRAM模式，二是基于閃存Flash模式。在內(nèi)存SRAM模式中，系統(tǒng)加電冷啟動時，系統(tǒng)完成相關(guān)硬件初始化任務(wù)后執(zhí)行一段代碼，將系統(tǒng)編譯連接生成的二進(jìn)制可執(zhí)行代碼從Flash存儲空間完全拷貝到SRAM內(nèi)存空間中，整個應(yīng)用程序調(diào)試完全在內(nèi)存空間執(zhí)行。此種方案極大加快了龐大應(yīng)用程序的調(diào)試步伐，加快產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度。二是在SRAM內(nèi)存模式調(diào)試完應(yīng)用程序的基礎(chǔ)上，執(zhí)行閃存Flash調(diào)試，系統(tǒng)啟動后將中斷服務(wù)程序ISR和少量的內(nèi)核代碼拷貝到SRAM后在SRAM中執(zhí)行，其它應(yīng)用程序在Flash中執(zhí)行。Flash模式同SRAM模式相比，主要是修改系統(tǒng)啟動代碼段，應(yīng)用程序代碼完全保持一致。Flash模式減少了寶貴的SRAM資源需求、降低了產(chǎn)品開發(fā)成本，但是運行速度較SRAM模式慢。

6 小 結(jié)

　　本文詳細(xì)闡述了在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中嵌入式處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、調(diào)試器、仿真器以及開發(fā)人員的技術(shù)水平和結(jié)構(gòu)比例等組成要素的選擇原則，并且使用一個具體的實例來進(jìn)一步分析說明。需要指出的是，這些要素之間不是彼此獨立，而是緊密相關(guān)，可能還會在某些方面相互沖突。