【正文】 嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)要素的選擇分析 摘要： 主要討論在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，設(shè)計(jì)人員如何考慮和選擇嵌入式處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、調(diào)試器、仿真器以及開(kāi)發(fā)人員的技術(shù)水平和結(jié)構(gòu)比例等組成要素；同時(shí)，以實(shí)例說(shuō)明如何選擇這些開(kāi)發(fā)要素。 關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng) 嵌入式處理器 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 仿真器 調(diào)試器 引 言 在計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)高速發(fā)展的同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)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(kāi)發(fā)研究的人員隊(duì)伍日益壯大，嵌入式處理器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的性能增強(qiáng)和產(chǎn)品升級(jí)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(kuò)大。 嵌入式系統(tǒng)擁有巨大的市場(chǎng)空間，我國(guó)應(yīng)該抓住機(jī)遇，與時(shí)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(gè)目標(biāo)，具有一定的現(xiàn)實(shí)可行性，這是因?yàn)橥?PC 機(jī)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(chǎng)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(gè)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(chǎng)應(yīng)用才是嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的導(dǎo)向和前提，在當(dāng)前的嵌入式市場(chǎng)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(chǔ)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(kāi)發(fā)平臺(tái)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(jí)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(duì)于不同的市場(chǎng)應(yīng)用類型，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的嵌入式處理器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、仿真器、調(diào)試器以及開(kāi)發(fā)隊(duì)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(kāi)發(fā)的資料，結(jié)合具體的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)總結(jié)了進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)，如何全面考慮各開(kāi)發(fā)要素并進(jìn)行選擇，最后結(jié)合一個(gè)具體實(shí)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(gè)系統(tǒng)的核心部件，其性能的好壞直接決定整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。 PC機(jī)銷售市場(chǎng)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(jiàn)蹤跡。嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)面向具體應(yīng)用，不同領(lǐng)域的應(yīng)用市場(chǎng)需要不同款式和性能指標(biāo)的處理器來(lái)開(kāi)發(fā)，于是在嵌入式處理器市場(chǎng)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(chǎng)，片上系統(tǒng) SoC（ System on Chip）產(chǎn)品也開(kāi)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(kāi)發(fā)和擴(kuò)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(chǎng)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(jì)數(shù)字表明， 1999 年底市場(chǎng)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) ，市場(chǎng)份額超過(guò) 50%。 面對(duì)這樣的嵌入式處理器市場(chǎng)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該如何選擇呢？這里有兩個(gè)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(jí)主管親自面談，而且要到工作現(xiàn)場(chǎng)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(shí)時(shí) 性要求、系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的工作環(huán)境、系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)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(gè)前提條件是，分析研究市場(chǎng)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(gè)半導(dǎo)體芯片廠商之間競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。 開(kāi)發(fā)人員通過(guò)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(chǎng)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(chǎng)應(yīng)用反應(yīng)良好的、硬件配置最少 的嵌入式處理器。如簡(jiǎn)單的智能儀器 儀表 設(shè)計(jì)考慮使用 4位或者 8位低檔單片機(jī) 8051；和數(shù)字信號(hào)處理密切相關(guān)的選用 TI公司的 TMX320x系列的 DSP（數(shù)字信號(hào)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(shí)也需要考慮開(kāi)發(fā)人員對(duì)此系列處理器的熟悉程度。因?yàn)椴煌鹃_(kāi)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(xiǎn)多得多。 2 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 以嵌入式處理器為中心，開(kāi)發(fā)人員搭建好硬件電路時(shí)僅提供了 裸機(jī)運(yùn)行平臺(tái)，要使整個(gè)系統(tǒng)有限的硬件資源充分利用起來(lái)，還需要（嵌入式）實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)資源和追求系統(tǒng)資源的最大利用率；而 RTOS 重點(diǎn)追求的是實(shí)時(shí)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(jí)的搶占式調(diào)度 策略和時(shí)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(chǔ)技術(shù)和存儲(chǔ)保護(hù)機(jī)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(shí)力，考慮自主開(kāi)發(fā)研究（國(guó)內(nèi)手機(jī)廠商寧波波導(dǎo)公司部分款式的手機(jī)操作系統(tǒng)就是自主開(kāi)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(jià)比選擇商用 RTOS，如 WinCE、 VxWorks 等；三是考慮嵌入式 Linux（ RT_Linux）， RT_Linux是開(kāi)放源代碼的免費(fèi)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(chǎng)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(shí)重點(diǎn)是考慮它們的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要包括調(diào)度算法、 RTOS本身內(nèi)存開(kāi)銷、 RTOS內(nèi)存管理模式、最大中斷禁止時(shí)間和最大任務(wù)切換時(shí)間。當(dāng)然，也包括RTOS的購(gòu)買成本和提供的技術(shù)支持等相關(guān)因素。針對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用，需 要重點(diǎn)考慮 RTOS 的最大中斷禁止時(shí)間和最大任務(wù)切換時(shí)間。這兩個(gè)參數(shù)越小越好。減小這兩個(gè)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(jī)制密切相關(guān)。 選擇 RTOS 時(shí)，通常還要考慮系統(tǒng)功能方面支持何種處理器硬件平臺(tái)，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(kāi)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(kāi)發(fā)游戲和娛樂(lè)市場(chǎng)，要著重研究該 RTOS 對(duì)多媒體的支持能力。市場(chǎng)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(kāi)發(fā)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)。嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)調(diào)試和一般 PC 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)調(diào)試有較大差別。在一般 PC 機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，調(diào)試器和被調(diào)試程序是運(yùn)行在相同的硬件和軟件平臺(tái)上的兩個(gè)進(jìn)程，調(diào)試器進(jìn)程通過(guò)操作系統(tǒng)專門提供的調(diào)試接口控制和訪問(wèn)被調(diào)試進(jìn)程。而在嵌入式系統(tǒng)中，調(diào)試器是運(yùn)行在桌面操作系統(tǒng)上的應(yīng)用程序，被調(diào)試程序是運(yùn)行在基于特定硬件平臺(tái)的操作系統(tǒng)，兩個(gè)程序間需要實(shí)時(shí)通信。 嵌入式系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，主機(jī)上運(yùn)行的集成 開(kāi)發(fā)調(diào)試工具（調(diào)試器）通過(guò)仿真器和目標(biāo)機(jī)相連。仿真器處理宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間所有的通信，這個(gè)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(guò) JTAG 口和目標(biāo)機(jī)相連。三者間的關(guān)系如圖 1所示。 嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)調(diào)試方法有快速原型仿真法和實(shí)時(shí)在線調(diào)試法。快速原型仿真法用于硬件設(shè)備尚未完成時(shí)，直接在宿主機(jī)上對(duì)應(yīng)用程序運(yùn)行進(jìn)行仿真分析。在此過(guò)程中系統(tǒng)不直接和硬件打交道，由開(kāi)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(guò)程，并可同時(shí)將仿真異常反饋給開(kāi)發(fā)者進(jìn)行錯(cuò)誤定位和修改。實(shí)時(shí)在線調(diào)試法在具體的目標(biāo)機(jī)平臺(tái) 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(shí)際運(yùn)行模式完全一樣，這種方式更有利于開(kāi)發(fā)者實(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件故障進(jìn)行定位和修改，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度。 選用的調(diào)試器是運(yùn)行在主機(jī)上的集成開(kāi)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(jí)匯編語(yǔ)言、 C 和 C++語(yǔ)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(chǔ)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(diǎn)設(shè)置，單步、斷點(diǎn)或者全速運(yùn)行等特性。 應(yīng)用需求的多樣性導(dǎo)致市場(chǎng)上仿真器和調(diào)試器的提供商也較 多， Windriver 公司的 Tornado 是一個(gè)很好的開(kāi)發(fā)調(diào)試工具。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般配套選擇規(guī)模較大、信譽(yù)較好公司的仿真器和調(diào)試器，雖然價(jià)格偏高，但是這些公司技術(shù)實(shí)力強(qiáng)，售后服務(wù)好，調(diào)試器和仿真器開(kāi)發(fā)結(jié)合緊密。如果在開(kāi)發(fā)調(diào)試過(guò)程遇到技術(shù)障礙，可以通過(guò)電話或者電子郵件方式及時(shí)獲取技術(shù)支持。如選用 ARM 系列的嵌入式處理器時(shí)，可以購(gòu)買 MultiICE 仿真器，并附加 ARM250 集成開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境等。 4 開(kāi)發(fā)隊(duì)伍的技術(shù)水平和結(jié)構(gòu)比例 嵌入式系統(tǒng)開(kāi)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(kāi)發(fā)隊(duì)伍的技術(shù)水平和結(jié)構(gòu)比例。經(jīng)驗(yàn)豐富的開(kāi)發(fā)小組都深有體會(huì)：民用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，產(chǎn)品能夠在預(yù)計(jì)的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入市場(chǎng)贏得效益，其整個(gè)技術(shù)范圍內(nèi)新技術(shù)比例至多只能達(dá)到 20％，超過(guò)這個(gè)界限，估算的時(shí)間期限可能會(huì)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(cái)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(gè)范圍，恐怕心有余而力不足。 公司運(yùn)作以市場(chǎng)作為向?qū)В鞘袌?chǎng)賦予它們生命。公司看重市場(chǎng)，付出的勞動(dòng)有市場(chǎng)回報(bào)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。公司在開(kāi)發(fā)過(guò) 程中一般都盡量避免風(fēng)險(xiǎn)，而且整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中始終將風(fēng)險(xiǎn)分析作為重要的參考因素。公司一般都選擇保守的開(kāi)發(fā)模式，基于當(dāng)前開(kāi)發(fā)人員的技術(shù)實(shí)力和已經(jīng)達(dá)到的技術(shù)儲(chǔ)備，在許多種備選方案的技術(shù)論證過(guò)程，充分分析成本收益、風(fēng)險(xiǎn)大小、投入資源、開(kāi)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(xiǎn)小的設(shè)計(jì)方案。 在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中，分配開(kāi)發(fā)人員時(shí)不僅要確保任務(wù)在給定時(shí)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(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，依據(jù)需求分析后，經(jīng)過(guò)概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)，都會(huì)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(xiàng)目人員時(shí)，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(xiàng)目開(kāi)發(fā)中，除了開(kāi)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(shí)例解析 在詳細(xì)討論了嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的幾個(gè)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(gè)人數(shù)字助理 PDA和尋呼機(jī)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： ① 個(gè)人數(shù)字助理 ——科學(xué)計(jì)算器、英漢互譯 辭典、電話號(hào)碼簿、記事日程表等； ② 交通信息 ——列車時(shí)刻表的車次查詢和車站查詢、民航時(shí)刻表的航班查詢等； ③ 尋呼信息 ——接收個(gè)人和公共尋呼信息，個(gè)人尋呼內(nèi)容實(shí)時(shí)語(yǔ)音合成并播放，尋呼方式更新列車和民航時(shí)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(duì)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(shí)刻表查詢、個(gè)人尋呼內(nèi)容的實(shí)時(shí)語(yǔ)音合成并播放等。處理器外圍需要自帶語(yǔ)音錄放電路完成語(yǔ)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(jì)。 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(duì)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(chǔ)芯片接口，2 個(gè) RS232口（ 1 個(gè)自帶紅外信號(hào)收發(fā)模塊），支持 標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)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(cè)等。在休 眠狀態(tài)下， EP7211支持中斷喚醒功能，喚醒時(shí)間是喚醒頻率