嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程

1、第二章 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程,2.1設(shè)計2.2流程 2.3硬件選擇 2.4軟件流程2.5調(diào)試2.6BSP,嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu),,在不同的應(yīng)用場合，嵌入式系統(tǒng)呈現(xiàn)出的外觀和形式各不相同。但通過對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行分析，可以發(fā)現(xiàn)，一個嵌入式系統(tǒng)一般都由嵌入式微處理器系統(tǒng)和被控對象組成，如下圖所示。其中嵌入式微處理器系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、軟件層和功能層組成。被控對象可以是各種傳感器、電機等，可以接受

2、嵌入式微處理器系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。,,硬件層由嵌入式微處理器、外圍電路和外設(shè)組成。在一片嵌入式微處理器基礎(chǔ)上增加電源電路、復(fù)位電路、調(diào)試接口和存儲器電路，就構(gòu)成一個嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以固化在ROM或者Flash中。為方便使用，有的模塊在此基礎(chǔ)上增加了LCD、鍵盤、USB接口，以及其他一些功能的擴展電路。嵌入式系統(tǒng)的硬件層是以嵌入式處理器為核心的，最初的嵌入式處理器都是為通用目的而設(shè)計

3、的。后來隨著微電子技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了ASIC（Application specific integrated circuit，專用的集成電路），ASIC是一種為具體任務(wù)而特殊設(shè)計的專用集成電路。由于ASIC在設(shè)計過程中進行了專門優(yōu)化，其性能、性價比都非常高。采用ASIC可以減少系統(tǒng)軟硬件設(shè)計的復(fù)雜度，降低系統(tǒng)成本。有的嵌入式微處理器利用ASIC來實現(xiàn)，但ASIC的前期設(shè)計費用非常高，而且ASIC一旦設(shè)計完成，就無法升級和擴展，一般只有在一

4、些產(chǎn)量非常大的產(chǎn)品設(shè)計中才考慮使用ASIC。近年來，各種PLD（Programmable Logic Device，可編程邏輯器件）的出現(xiàn)，改變了硬件設(shè)計方法，出現(xiàn)了“可重構(gòu)計算”的概念。通過改寫PLD，允許在不改變硬件結(jié)構(gòu)的情況下，實現(xiàn)不同的接口和功能。20世紀80年代中期以后出現(xiàn)了FPGA（Field-programmable gate array，現(xiàn)場可編程門陣列）器件，這是是一種大規(guī)模可編程邏輯器件，具有保密性好、體積小、重量

5、輕、可靠性高等一系列ASIC的優(yōu)點。FPGA的出現(xiàn)使得一個電子系統(tǒng)可以僅僅由三種標(biāo)準模塊構(gòu)成，即微處理器、存儲器和可編程邏輯器件。前兩種模塊都已標(biāo)準化，系統(tǒng)中大量的控制邏輯由FPGA實現(xiàn)。這使得硬件的設(shè)計更具有靈活性和擴展性，并降低了后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)的成本。,硬件層與軟件層之間為中間層，也稱為BSP（Board Support Package，板級支持包），將系統(tǒng)軟件與底層硬件部分隔離，使得系統(tǒng)的底層設(shè)備驅(qū)動程序與硬件無關(guān)，一般應(yīng)具有相關(guān)硬

6、件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作和硬件設(shè)備的配置等功能。BSP是主板硬件環(huán)境和操作系統(tǒng)的中間接口，是軟件平臺中具有硬件依賴性的那一部分，主要目的是為了支持操作系統(tǒng)，使之能夠更好地運行于硬件主板上。純粹的BSP所包含的內(nèi)容一般說來是與系統(tǒng)有關(guān)的驅(qū)動程序，如網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序和系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有關(guān)，串口驅(qū)動程序和系統(tǒng)的下載調(diào)試有關(guān)，等等。離開這些驅(qū)動程序系統(tǒng)就不能正常工作。軟件層主要是操作系統(tǒng)，有的還包括文件系統(tǒng)、圖形用戶接口和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。操

7、作系統(tǒng)是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺，實際上是一段程序，系統(tǒng)復(fù)位后首先執(zhí)行，相當(dāng)于用戶的主程序，用戶的其他應(yīng)用程序都建立在操作系統(tǒng)之上。操作系統(tǒng)是一個標(biāo)準的內(nèi)核，將中斷、I/O、定時器等資源都封裝起來，以方便用戶使用。操作系統(tǒng)的引入大大提高了嵌入式系統(tǒng)的功能，方便了應(yīng)用軟件的設(shè)計，但同時也占用了寶貴的嵌入式系統(tǒng)資源。一般在大型的或需要多任務(wù)的應(yīng)用場合才考慮使用嵌入式操作系統(tǒng)。功能層由基于操作系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用程序組成，用來完成對被控對

8、象的控制功能。功能層是面向被控對象和用戶的，為了方便用戶操作，往往需要具有友好的人機界面。對于一些復(fù)雜的系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計的初期階段就要對系統(tǒng)的需求進行分析，確定系統(tǒng)的功能，然后將系統(tǒng)的功能映射到整個系統(tǒng)的硬件、軟件和執(zhí)行裝置的設(shè)計過程中，這個過程稱為系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。,2.1嵌入式系統(tǒng)設(shè)計,1．需求分析階段 在需求分析階段需要分析系統(tǒng)的需求，系統(tǒng)的需求一般分功能需求和非功能需求兩方面。根據(jù)系統(tǒng)的需求，確定設(shè)計任

9、務(wù)和設(shè)計目標(biāo)，并提煉出設(shè)計規(guī)格說明書，作為正式指導(dǎo)設(shè)計和驗收的標(biāo)準。 2．體系結(jié)構(gòu)設(shè)計 需求分析完成后，根據(jù)提煉出的設(shè)計規(guī)格說明書，進行體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)描述了系統(tǒng)如何實現(xiàn)所述的功能和非功能需求，包括對硬件、軟件的功能劃分，以及系統(tǒng)的軟件、硬件和操作系統(tǒng)的選型等。3．硬件/軟件設(shè)計 基于體系結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)的軟、硬件進行詳細設(shè)計。對于一個完整的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，應(yīng)用系統(tǒng)

10、的程序設(shè)計是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計一個非常重要的方面，程序的質(zhì)量直接影響整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，好的程序設(shè)計可以克服系統(tǒng)硬件設(shè)計的不足，提高應(yīng)用系統(tǒng)的性能，反之，會使整個應(yīng)用系統(tǒng)無法正常工作。4．系統(tǒng)集成 把系統(tǒng)中的軟件、硬件集成在一起，進行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并改進單元設(shè)計過程中的錯誤。5．代碼固化 嵌入式軟件開發(fā)完成以后，大多數(shù)要在目標(biāo)環(huán)境的非易失性存儲器中運行，程序?qū)懭氲紽lash中固化，保證每次運行后下一次運

11、行無誤，所以嵌入式軟件開發(fā)與普通軟件開發(fā)相比，增加了固化階段。,2.2嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程,選擇嵌入式操作系統(tǒng)軟件平臺,選擇嵌入式處理器硬件平臺,開發(fā)嵌入式應(yīng)用軟件,系統(tǒng)測試（固化代碼）,開發(fā)結(jié)束,測試通過,,,,,,,,,Y,N,硬件平臺和軟件平臺選擇,處理器、硬件部件、操作系統(tǒng)、編程語言、軟件開發(fā)工具、硬件調(diào)試工具、軟件組件處理器最重要，操作系統(tǒng)和編程語言非常關(guān)鍵處理器的選擇會限制操作系統(tǒng)的選擇，操作系統(tǒng)的選擇會限制開發(fā)工具的

12、選擇。,2.3硬件平臺選擇,處理器的選擇嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器ARM是近年來在嵌入式系統(tǒng)有影響力的微處理器架構(gòu)，ARM的設(shè)計非常適用于小的供電系統(tǒng)。ARM微處理器有多達十幾種的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，幾十個芯片生產(chǎn)廠家，以及千變?nèi)f化的內(nèi)部功能配置組合，給開發(fā)人員在選擇方案時帶來一定的困難，所以，對ARM芯片做一些對比研究是十分必要的。ARM微處理器的應(yīng)用選型以下從應(yīng)用的角度出發(fā)，對在選擇ARM微處理器時所應(yīng)考慮的主要問

13、題做一些簡要的探討。,硬件平臺選擇,1.ARM微處理器內(nèi)核的選擇ARM微處理器包含一系列的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，用戶如果希望使用WinCE或標(biāo)準Linux等操作系統(tǒng)以減少軟件開發(fā)時間，就需要選擇ARM720T以上帶有MMU（Memory Management Unit）功能的ARM芯片，ARM720T、ARM920T、ARM922T、ARM946T、Strong-ARM都帶有MMU功能。而ARM7TDMI則沒有MMU，不支持

14、Windows CE和標(biāo)準Linux，但目前有uCLinux等不需要MMU支持的操作系統(tǒng)可運行于ARM7TDMI硬件平臺之上。,硬件平臺選擇,2.系統(tǒng)的工作頻率系統(tǒng)的工作頻率在很大程度上決定了ARM微處理器的處理能力。ARM7系列微處理器的典型處理速度為0.9MIPS/MHz，常見的ARM7芯片系統(tǒng)主時鐘為20MHz-133MHz，ARM9系列微處理器的典型處理速度為1.1MIPS/MHz，常見的ARM9的系統(tǒng)主時鐘頻率為100MHz

15、-233MHz，ARM10最高可以達到700MHz。不同芯片對時鐘的處理不同，有的芯片只需要一個主時鐘頻率，有的芯片內(nèi)部時鐘控制器可以分別為ARM核和USB、UART、DSP、音頻等功能部件提供不同頻率的時鐘。,硬件平臺選擇,3.芯片內(nèi)存儲器的容量大多數(shù)的ARM微處理器片內(nèi)存儲器的容量都不太大，需要用戶在設(shè)計系統(tǒng)時外擴存儲器，但也有部分芯片具有相對較大的片內(nèi)存儲空間，如ATMEL的AT91F40162就具有高達2MB的片內(nèi)程序存儲空間

16、，用戶在設(shè)計時可考慮選用這種類型，以簡化系統(tǒng)的設(shè)計。,硬件平臺選擇,4.片內(nèi)外圍電路的選擇除ARM微處理器核以外，幾乎所有的ARM芯片均根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，擴展了相關(guān)功能模塊，并集成在芯片之中，我們稱之為片內(nèi)外圍電路，如USB接口、IIS接口、LCD控制器、鍵盤接口、RTC、ADC和DAC、DSP協(xié)處理器等，設(shè)計者應(yīng)分析系統(tǒng)的需求，盡可能采用片內(nèi)外圍電路完成所需的功能，這樣既可簡化系統(tǒng)的設(shè)計，同時提高系統(tǒng)的可靠性。,硬件平臺選擇,

17、硬件選擇的其他因素考慮生產(chǎn)規(guī)模開發(fā)的市場目標(biāo)軟件對硬件的依賴性盡量使用普通的硬件,嵌入式軟件開發(fā)流程,嵌入式軟件開發(fā)流程主要涉及代碼編程、交叉編譯、交叉連接、下載到目標(biāo)板、調(diào)試。,軟件平臺選擇,操作系統(tǒng)提供的開發(fā)工具向硬件接口移植的難度內(nèi)存要求是否熟悉操作系統(tǒng)機器提供的API是否提供硬件的驅(qū)動程序可剪裁性實時性能,軟件平臺選擇,編程語言通用性可移植性程度執(zhí)行效率可維護性集成開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)調(diào)試器的功能，包括

18、遠程調(diào)試環(huán)境支持庫函數(shù)編譯器開發(fā)商是否持續(xù)升級編譯器連接程序是否支持所有的文件格式和符合格式。,嵌入式軟件開發(fā)的特點,1．采用宿主機/目標(biāo)機方式 嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，即使設(shè)計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改的。嵌入式軟件以宿主機/目標(biāo)機模式開發(fā)，所需要的開發(fā)環(huán)境稱為交叉開發(fā)環(huán)境，分為宿主機部分和目標(biāo)機部分，兩者以統(tǒng)一的通信協(xié)議進行通信，宿主機向目標(biāo)機發(fā)送命令，目標(biāo)機接收、執(zhí)行

19、命令并將結(jié)果返回宿主機，從而實現(xiàn)兩機之間的交互控制。2．為了保證穩(wěn)定性和實時性，選用RTOS開發(fā)平臺 對簡單系統(tǒng)可以用傳統(tǒng)方法，從底層用匯編語言編寫程序，利用在線仿真器（ICE）、在線調(diào)試器（ICD）等開發(fā)工具進行軟件的調(diào)試。對于那些復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，需要在優(yōu)化級可控的情況下預(yù)測其運行狀態(tài)，不利用實時操作系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺進行開發(fā)，是很難、甚至是不可能達到預(yù)定要求的。為了合理地調(diào)度多任務(wù)、利用系統(tǒng)資源，

20、用戶必須選配RTOS開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保證軟件質(zhì)量。3．生成代碼需要固態(tài)化存儲嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境是PC機，但運行的目標(biāo)環(huán)境卻千差萬別，可以是PDA，也可以是儀器設(shè)備。而且應(yīng)用軟件在目標(biāo)環(huán)境下必須存儲在非易失性存儲器中，保證系統(tǒng)在掉電重啟后仍能正常使用。所以，應(yīng)用軟件在開發(fā)完成以后，應(yīng)生成固化版本，都固化在單片機本身或燒寫到目標(biāo)環(huán)境的Flash中運行。4．軟件代碼具有高質(zhì)量、高可靠性

21、,嵌入式軟件開發(fā)的特點,引入任務(wù)設(shè)計方法嵌入式系統(tǒng)設(shè)計采用DARTS設(shè)計方法進行任務(wù)的設(shè)計； DARTS給出了系統(tǒng)任務(wù)劃分的方法和定義任務(wù)間接口的機制。在系統(tǒng)設(shè)計階段，用多個并發(fā)的任務(wù)代替通用軟件的多個模塊，并定義了應(yīng)用軟件任務(wù)間的接口；,嵌入式軟件開發(fā)的特點,需要固化程序嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)的環(huán)境是PC機，運行的目標(biāo)環(huán)境是具體某個儀器設(shè)備；應(yīng)用軟件在目標(biāo)環(huán)境下必須存儲在非易失性存儲中，保證用戶用完關(guān)機后確保下次的使用。所以應(yīng)用軟

22、件在開發(fā)完成后，應(yīng)生成固化版本，燒寫到目標(biāo)環(huán)境的Flash中運行。,2.4嵌入式軟件開發(fā)的特點,軟件開發(fā)難度大嵌入式應(yīng)用有實時性的要求特別是在硬實時系統(tǒng)中，實時性至關(guān)重要；實時性的體現(xiàn)一部分來源于實時操作系統(tǒng)的實時性，另一部分依賴于應(yīng)用軟件本身的設(shè)計和代碼的質(zhì)量嵌入式應(yīng)用軟件對穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾等性能的要求很嚴格和苛刻,嵌入式軟件開發(fā)的特點,需要提供強大的硬件開發(fā)工具和軟件包支持，需要開發(fā)者從速度、功能和成本綜合考慮；硬件功能

23、強工具完備通信接口精簡系統(tǒng)內(nèi)核以降低功耗和成本提供友好的多媒體人機界面,嵌入式軟件開發(fā)的要點,盡量使用高級語言開發(fā)，少用匯編語言，提高應(yīng)用軟件的可移植性；局域化不可移植部分 不可移植的代碼和匯編代碼通過宏定義和函數(shù)的形式分類集中在某幾個特定的文件中，從而提高移植的效率。提高軟件的可重用性；,2.5嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試,調(diào)試是任何項目開發(fā)過程中必不可少的一部分，特別是在軟硬件結(jié)合非常緊密的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中。一般來說，大多數(shù)的調(diào)

24、試工作是在RAM中進行的，只有當(dāng)程序完成并能運行后才切換到ROM上。嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試有多種方法，可分為模擬器方式、ICE（In-Circuit Emulator，在線仿真器）方式、ICD（In-Circuit Debugger，在線調(diào)試器）方式和監(jiān)控器方式。1．模擬器方式 調(diào)試工具和待調(diào)試的嵌入式軟件都在主機上運行，通過軟件手段模擬執(zhí)行為某種嵌入式處理器編寫的源程序。簡單的模擬器可以通過指令解釋方式逐條執(zhí)行源程

25、序，分配虛擬存儲空間和外設(shè)，進行語法和邏輯上的調(diào)試。2．在線仿真器方式 在線仿真器ICE是一種完全仿造調(diào)試目標(biāo)CPU設(shè)計的儀器，目標(biāo)系統(tǒng)對用戶來說是完全透明的、可控的。仿真器與目標(biāo)板通過仿真頭連接，與主機有串口、并口、以太網(wǎng)口或USB口等連接方式。該仿真器可以真正地運行所有的CPU動作，并且可以在其使用的內(nèi)存中設(shè)置非常多的硬件中斷點，可以實時查看所有需要的數(shù)據(jù)，從而給調(diào)試過程帶來很多便利。由于仿真器自成體系，調(diào)

26、試時可以連接目標(biāo)板，也可以不接目標(biāo)板。 使用ICE同使用一般的目標(biāo)硬件一樣，只是在ICE上完成調(diào)試后，需要把調(diào)試好的程序重新下載到目標(biāo)系統(tǒng)上而已。由于ICE價格昂貴，而且每種CPU都需要一種與之對應(yīng)的ICE，使得開發(fā)成本非常高。,。,,3．監(jiān)控器方式主機和目標(biāo)板通過某種接口（通常是串口）連接，主機上提供調(diào)試界面，被調(diào)試程序下載到目標(biāo)板上運行監(jiān)控程序是一段運行于目標(biāo)機上的可執(zhí)行程序，主要負責(zé)監(jiān)控目標(biāo)機上被調(diào)試

27、程序的運行情況，與宿主機端的調(diào)試器一起完成對應(yīng)用程序的調(diào)試。監(jiān)控程序包含基本功能的啟動代碼，并完成必要的硬件初始化，等待宿主機的命令。被調(diào)試程序通過監(jiān)控程序下載到目標(biāo)機，就可以開始進行調(diào)試。監(jiān)控器方式操作簡單易行，功能強大，不需要專門的調(diào)試硬件，適用面廣，能提高調(diào)試的效率，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。正因為以上原因，監(jiān)控器方式才能夠廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)之中。監(jiān)控器調(diào)試主要用于調(diào)試運行在目標(biāo)機操作系統(tǒng)上的應(yīng)用程序，不適宜用來

28、調(diào)試目標(biāo)操作系統(tǒng)。有的微處理器需要在目標(biāo)板工作正常的前提下，事先燒制監(jiān)控程序，而且功能有限，特別是硬件調(diào)試能力較差。4．在線調(diào)試器方式使用ICD和目標(biāo)板的調(diào)試端口連接，發(fā)送調(diào)試命令和接收調(diào)試信息，可以完成必要的調(diào)試功能。一般情況下，在ARM芯片的開發(fā)板上采用JTAG邊界掃描口進行調(diào)試。摩托羅拉公司采用專用的BDM調(diào)試接口。使用合適的開發(fā)工具可以利用這些接口。例如，ARM開發(fā)板，可以將JTAG調(diào)試器接在開發(fā)板的JTAG口上，通過JT

29、AG口與ARM處理器核進行通信。由于JTAG調(diào)試的目標(biāo)程序是在目標(biāo)板上執(zhí)行，仿真更接近于目標(biāo)硬件，因此許多接口問題，如高頻操作限制、電線長度的限制等被最小化了。該方式是目前采用最多的一種調(diào)試方式。,板級支持包（BSP） 簡介,BSP是在標(biāo)準開發(fā)板上運行的一部分軟件，主要功能是支持操作系統(tǒng)的引導(dǎo)與開發(fā)。通過BSP我們可以在開發(fā)板上快速的啟動操作系統(tǒng)以及分析操作系統(tǒng)的性能。有了BSP的支持，各個OEM(原始設(shè)備制造商）廠商和獨立硬件開發(fā)商就

30、可以縮短基于Windows CE平臺產(chǎn)品的開發(fā)周期。,CPU支持包（CSP） & OEM抽象層（OAL）,OAL : OEM 抽象層位于操作系統(tǒng)內(nèi)核和目標(biāo)板硬件之間，負責(zé)操作系統(tǒng)和目標(biāo)板的通信。由引導(dǎo)程序調(diào)用，隨后進行目標(biāo)板的初始化工作，包括中斷服務(wù)，實時時鐘，內(nèi)部計時器，調(diào)試部件，中斷使能等等由硬件 OEM廠商提供,CPU支持包（CSP） & OEM抽象層（OAL）,CSP : CPU 支持包包括用以支持特定C

31、PU和相關(guān)芯片的OEM抽象層和設(shè)備驅(qū)動，這一部分是與特定開發(fā)板無關(guān)的。通常由操作系統(tǒng)開發(fā)商提供，Win CE操作系統(tǒng)是由微軟公司開發(fā)的。,板級支持包的組成,BSP 架構(gòu),創(chuàng)建BSP的兩種方法,編寫全新的BSP需要編寫所有的部分包括 OEM抽象層, 驅(qū)動, 引導(dǎo)程序大約消耗 20人/月工作量改寫現(xiàn)有的BSP對與目標(biāo)板具有相似硬件組成的BSP的基礎(chǔ)上進行某些改寫，使其適用與目標(biāo)板，這是最簡單的方式。,BSP開發(fā)流程,如果操作系統(tǒng)

32、映象可以直接引導(dǎo)，引導(dǎo)程序不是必須的但通常使用一個引導(dǎo)程序，以便日后的擴充。另外也可以用于支持制造過程中的下載測試 引導(dǎo)程序的重要性在于可以支持開發(fā)過程中的運行時映象加載功能，也就是說在系統(tǒng)運行過程中，動態(tài)加載需要調(diào)試的模塊,引導(dǎo)程序(可選),引導(dǎo)程序的功能,初始化目標(biāo)設(shè)備內(nèi)存和中斷控制器設(shè)置時鐘和內(nèi)存管理單元直接引導(dǎo)現(xiàn)存的flash 或RAM 映象下載之前清空RAM內(nèi)存讀寫測試下載os 映象到RAM或flash: