嵌入式系統(tǒng)是一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，根據(jù)英國電氣工程師協(xié)會(huì)( U.K. Institution of Electrical Engineer)的定義，嵌入式系統(tǒng)為控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機(jī)器或用于工廠運(yùn)作的設(shè)備。與個(gè)人計(jì)算機(jī)這樣的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同，嵌入式系統(tǒng)通常執(zhí)行的是帶有特定要求的預(yù)先定義的任務(wù)。由于嵌入式系統(tǒng)只針對一項(xiàng)特殊的任務(wù)，設(shè)計(jì)人員能夠?qū)λM(jìn)行優(yōu)化，減小尺寸降低成本。嵌入式系統(tǒng)通常進(jìn)行大量生產(chǎn)，所以單個(gè)的成本節(jié)約，能夠隨著產(chǎn)量進(jìn)行成百上千的放大。 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用 戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)主要包括硬件設(shè)計(jì)技術(shù)和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)兩大類。其中，硬件設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù)主要包括芯片級設(shè)計(jì)技術(shù)和電路板級設(shè)計(jì)技術(shù)兩個(gè)方面。 芯片級設(shè)計(jì)技術(shù)的核心是編譯/綜合、庫/IP、測試/驗(yàn)證。編譯/綜合技術(shù)使設(shè)計(jì)者用抽象的方式描述所需的功能，并自動(dòng)分析和插入實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。庫/IP技術(shù)將預(yù)先設(shè)計(jì)好的低抽象級實(shí)現(xiàn)用于高級。測試/驗(yàn)證技術(shù)確保每級功能正確，減少各級之間反復(fù)設(shè)計(jì)的成本。 下面我們先來介紹一些基本的開發(fā)流程。 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程 第一步：建立開發(fā)環(huán)境 操作系統(tǒng)一般使用Redhat Linux，選擇定制安裝或全部安裝，通過網(wǎng)絡(luò)下載相應(yīng)的GCC交叉編譯器進(jìn)行安裝(比如，arm-linux-gcc、arm-uclibc-gcc)，或者安裝產(chǎn)品廠家提供的相關(guān)交叉編譯器。 第二步：配置開發(fā)主機(jī) 配置MINICOM，一般的參數(shù)為波特率115200 Baud/s，數(shù)據(jù)位8位，停止位為1，9，無奇偶校驗(yàn)，軟件硬件流控設(shè)為無。在Windows下的超級終端的配置也是這樣。MINICOM軟件的作用是作為調(diào)試嵌入式開發(fā)板的信息輸出的監(jiān)視器和鍵盤輸入的工具。配置網(wǎng)絡(luò)主要是配置NFS網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，需要關(guān)閉防火墻，簡化嵌入式網(wǎng)絡(luò)調(diào)試環(huán)境設(shè)置過程。 第三步：建立引導(dǎo)裝載程序BOOTLOADER 從網(wǎng)絡(luò)上下載一些公開源代碼的BOOTLOADER，如U.BOOT、BLOB、VIVI、LILO、ARM-BOOT、RED-BOOT等，根據(jù)具體芯片進(jìn)行移植修改。有些芯片沒有內(nèi)置引導(dǎo)裝載程序，比如，三星的ARV17、ARM9系列芯片，這樣就需要編寫開發(fā)板上FLASH的燒寫程序，可以在網(wǎng)上下載相應(yīng)的燒寫程序，也有Linux下的公開源代碼的J-FLASH程序。如果不能燒寫自己的開發(fā)板，就需要根據(jù)自己的具體電路進(jìn)行源代碼修改。這是讓系統(tǒng)可以正常運(yùn)行的第一步。如果用戶購買了廠家的仿真器比較容易燒寫FLASH，雖然無法了解其中的核心技術(shù)，但對于需要迅速開發(fā)自己的應(yīng)用的人來說可以極大提高開發(fā)速度。 第四步：下載已經(jīng)移植好的Linux操作系統(tǒng) 如MCLiunx、ARM-Linux、PPC-Linux等，如果有專門針對所使用的CPU移植好的Linux操作系統(tǒng)那是再好不過，下載后再添加特定硬件的驅(qū)動(dòng)程序，然后進(jìn)行調(diào)試修改，對于帶MMU的CPU可以使用模塊方式調(diào)試驅(qū)動(dòng)，而對于MCLiunx這樣的系統(tǒng)只能編譯內(nèi)核進(jìn)行調(diào)試。 第五步：建立根文件系統(tǒng) 下載使用BUSYBOX軟件進(jìn)行功能裁減，產(chǎn)生一個(gè)最基本的根文件系統(tǒng)，再根據(jù)自己的應(yīng)用需要添加其他的程序。由于默認(rèn)的啟動(dòng)腳本一般都不會(huì)符合應(yīng)用的需要，所以就要修改根文件系統(tǒng)中的啟動(dòng)腳本，它的存放位置位于/etc目錄下，包括：/etc/init.d/rc.S、/etc/profile、/etc/.profile等，自動(dòng)掛裝文件系統(tǒng)的配置文件/etc/fstab，具體情況會(huì)隨系統(tǒng)不同而不同。根文件系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)中一般設(shè)為只讀，需要使用mkcramfs genromfs等工具產(chǎn)生燒寫映像文件。 第六步：建立應(yīng)用程序的FLASH磁盤分區(qū) 一般使用JFFS2或YAFFS文件系統(tǒng)，這需要在內(nèi)核中提供這些文件系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，有的系統(tǒng)使用一個(gè)線性FLASH(NOR型)512KB～32MB，有的系統(tǒng)使用非線性FLASH(NAND型)8MB～512MB，有的兩個(gè)同時(shí)使用，需要根據(jù)應(yīng)用規(guī)劃FLASH的分區(qū)方案。 第七步：開發(fā)應(yīng)用程序 可以放入根文件系統(tǒng)中，也可以放入YAFFS、JFFS2文件系統(tǒng)中，有的應(yīng)用不使用根文件系統(tǒng)，直接將應(yīng)用程序和內(nèi)核設(shè)計(jì)在一起，這有點(diǎn)類似于μC/OS-II的方式。 第八步：燒寫內(nèi)核 根文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序，發(fā)布產(chǎn)品。 提升可靠性的七大技巧 從規(guī)范完善的開發(fā)周期到嚴(yán)格執(zhí)行和系統(tǒng)檢查，開發(fā)高可靠性嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)有許多種。本文介紹了7個(gè)易操作且可以長久使用的技巧，它們對于確保系統(tǒng)更加可靠地運(yùn)行并捕獲異常行為大有幫助。 技巧1——用已知值填充ROM 軟件開發(fā)人員往往都是非常樂觀的一群人，只要讓他們的代碼忠實(shí)地長時(shí)間地運(yùn)行就可以了，僅此而已。微控制器跳出應(yīng)用程序空間并在非預(yù)想的代碼空間中執(zhí)行這種情況似乎是相當(dāng)少有的。然而，這種情況發(fā)生的機(jī)會(huì)并不比緩存溢出或錯(cuò)誤指針失去引用少。它確實(shí)會(huì)發(fā)生!發(fā)生這種情況后的系統(tǒng)行為將是不確定的，因?yàn)槟J(rèn)情況下內(nèi)存空間都是0xFF，或者由于內(nèi)存區(qū)通常沒有寫過，其中的值可能只有上帝才知道。 不過有相當(dāng)完備的linker或IDE技巧可以用來幫助識別這樣的事件并從中恢復(fù)系統(tǒng)。技巧就是使用FILL命令對未用ROM填充已知的位模式。要填充未使用的內(nèi)存，有很多不同的可能組合可以使用，但如果是想建立更加可靠的系統(tǒng)，最明顯的選擇是在這些位置放置ISR fault handler。如果系統(tǒng)出了某些差錯(cuò)，處理器開始執(zhí)行程序空間以外的代碼，就會(huì)觸發(fā)ISR，并在決定校正行動(dòng)之前提供儲存處理器、寄存器和系統(tǒng)狀態(tài)的機(jī)會(huì)。 技巧2——檢查應(yīng)用程序的CRC 對工程師來說一個(gè)很大的好處是，我們的IDE和工具鏈可以自動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)用程序或內(nèi)存空間校驗(yàn)和(Checksum)，從而根據(jù)這個(gè)校驗(yàn)和驗(yàn)證應(yīng)用程序是否完好。有趣的是，在許多這些案例中，只有在將程序代碼加載到設(shè)備時(shí)，才會(huì)用到校驗(yàn)和。 然而，如果CRC或校驗(yàn)和保持在內(nèi)存中，那么驗(yàn)證應(yīng)用程序在啟動(dòng)時(shí)(或甚至對長時(shí)間運(yùn)行的系統(tǒng)定期驗(yàn)證)是否仍然完好是確保意外之事不會(huì)發(fā)生的極好途徑。現(xiàn)在一個(gè)編程過的應(yīng)用程序發(fā)生改變的概率是很小的，但考慮每年交付的數(shù)十億個(gè)微控制器以及可能惡劣的工作環(huán)境，應(yīng)用程序崩潰的機(jī)會(huì)并不是零。更有可能的是，系統(tǒng)中的一個(gè)缺陷可能導(dǎo)致某一扇區(qū)發(fā)生閃存寫入或閃存擦除，從而破壞應(yīng)用程序的完整性。 技巧3——在啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行RAM檢查 為了建立一個(gè)更加可靠和扎實(shí)的系統(tǒng)，確保系統(tǒng)硬件正常工作非常重要。畢竟硬件會(huì)發(fā)生故障。(幸運(yùn)的是軟件永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生故障，軟件只會(huì)做代碼要它做的事，不管是正確的還是錯(cuò)誤的)。在啟動(dòng)時(shí)驗(yàn)證RAM的內(nèi)部或外部沒有問題，是確保硬件可以如預(yù)期般運(yùn)作的一個(gè)好方法。 有許多不同的方法可用于執(zhí)行RAM檢查，但常用的方法是寫入一個(gè)已知的模式，然后等上一小段時(shí)間再回讀。結(jié)果應(yīng)該是所讀就是所寫。真相是，在大多數(shù)情況下 RAM檢查是通過的，這也是我們想要的結(jié)果。但也有極小的可能性檢查不通過，這時(shí)就為系統(tǒng)標(biāo)示出硬件問題提供了極好的機(jī)會(huì)。 技巧4——使用堆棧監(jiān)視器 對許多的嵌入式開發(fā)者而言，堆棧似乎是一股相當(dāng)神秘的力量。當(dāng)奇怪的事情開始發(fā)生，工程師終于被難倒了，他們開始思考，也許堆棧中發(fā)生了什么事。結(jié)果是盲目地調(diào)整堆棧的大小和位置等等。但該錯(cuò)誤往往是與堆棧無關(guān)的，但怎能如此確定?畢竟，有多少工程師真的實(shí)際執(zhí)行過最壞情況下的堆棧大小分析? 堆棧大小是在編譯時(shí)就靜態(tài)分配好的，但堆棧是以動(dòng)態(tài)的方式使用的。隨著代碼的執(zhí)行，應(yīng)用程序需要的變量、返回的地址和其它信息被不斷存儲在堆棧中。這種機(jī)制導(dǎo)致堆棧在其分配的內(nèi)存中不斷增長。然而，這種增長有時(shí)會(huì)超出編譯時(shí)確定的容量極限，導(dǎo)致堆棧破壞相鄰內(nèi)存區(qū)域的數(shù)據(jù)。 絕對確保堆棧正常工作的一種方法是實(shí)現(xiàn)堆棧監(jiān)視器，將它作為系統(tǒng)“保健”代碼的一部分(有多少工程師會(huì)這樣做?)。堆棧監(jiān)視器會(huì)在堆棧和“其它”內(nèi)存區(qū)域之間創(chuàng)建一個(gè)緩沖區(qū)域，并填充已知的位模式。然后監(jiān)視器會(huì)不斷的監(jiān)視圖案是否有任何變化。如果該位模式發(fā)生了改變，那就意味著堆棧增長得太大了，即將要把系統(tǒng)推向黑暗地獄!此時(shí)監(jiān)視器可以記錄事件的發(fā)生、系統(tǒng)狀態(tài)以及任何其它有用的數(shù)據(jù)，供日后用于問題的診斷。 大多數(shù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)()或?qū)崿F(xiàn)了內(nèi)存保護(hù)單元(MPU)的微控制器系統(tǒng)中都提供有堆棧監(jiān)視器。可怕的是，這些功能默認(rèn)都是關(guān)閉狀態(tài)，或者經(jīng)常被開發(fā)人員有意關(guān)閉。在網(wǎng)絡(luò)上快速搜尋一下可以發(fā)現(xiàn)，很多人建議關(guān)閉實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的堆棧監(jiān)視器以節(jié)省56字節(jié)的閃存空間等等，這可是得不償失的做法! 技巧5 - 使用MPU 在過去，是很難在一個(gè)小而廉價(jià)的微控制器中找到內(nèi)存保護(hù)單元(MPU)的，但這種情況已經(jīng)開始改變?，F(xiàn)在從高端到低端的微控制器都已經(jīng)有MPU，而這些 MPU為嵌入式軟件開發(fā)人員提供了一個(gè)可以大幅提高其固件(firmware)魯棒性(robustness)的機(jī)會(huì)。 MPU 已逐漸與操作系統(tǒng)耦合，以便建立內(nèi)存空間，其中的處理都分開，或任務(wù)可執(zhí)行其代碼，而不用擔(dān)心被stomped on。倘若真有事情發(fā)生，不受控制的處理會(huì)被取消，也會(huì)執(zhí)行其他的保護(hù)措施。請留意帶有這種組件的微控制器，如果有，請多加利用它的這種特性。