嵌入式系統(tǒng)開發(fā)要素的選擇分析嵌入式處理器(一)

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)要素的選擇分析
    摘要：主要討論在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，設(shè)計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、仿真器以及開發(fā)人員的技術(shù)水平和結(jié)構(gòu)比例等組成要素；同時，以實例說明如何選擇這些開發(fā)要素。
    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，奮起直追，在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域趕超世界先進水平。要達到這個目標，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)要素并進行選擇，最后結(jié)合一個具體實例進行詳細闡述。
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。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，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，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，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)，有標準組件可供選用，支持虛擬存儲技術(shù)和存儲保護機制。
　　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，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。
　　當前全球范圍內(nèi)商用RTOS多達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，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、標準支持等。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)上選用標準組件。
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程，調(diào)試器進程通過操作系統(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）通過仿真器和目標機相連。仿真器處理宿主機和目標機之間所有的通信，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。快速原型仿真法用于硬件設(shè)備尚未完成時，直接在宿主機上對應(yīng)用程序運行進行仿真分析。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)者進行錯誤定位和修改。實時在線調(diào)試法在具體的目標機平臺上調(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、物力和財力進行突破性研究，正常情況下可以達到滿意效果。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�是市場賦予它們生命。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險，而且整個開發(fā)過程中始終將風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，基于當前開發(fā)人員的技術(shù)實力和已經(jīng)達到的技術(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)在一般公認的人才結(jié)構(gòu)比例是1（博士或同等學歷）∶3（碩士或同等學歷）∶7（學士、大�；蛲�等學歷）。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——科學計算器、英漢互譯辭典、電話號碼簿、記事日程表等；
　�、� 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；
　　③ 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標準的語音錄放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)試進度。
　　詳細分析了產(chǎn)品的技術(shù)風險，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。

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