嵌入式系統(tǒng)開發(fā)論文

1、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)論文學(xué)院：電氣與控制工程學(xué)院專業(yè)：微電子學(xué) 1102 班 姓名：殷 波學(xué)號：11 0 6 0 8 0 2 25摘要：嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了飛速發(fā)展的時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)與一般pc機(jī)比起來有著體積小，組成更簡單卻能夠完成想的的任務(wù)。在嵌入式操作系統(tǒng)中，主要的是Linux操作系統(tǒng)，它具有對各種設(shè)備的支持性，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。其特點(diǎn)包括軟件要求固態(tài)化存儲，軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性，系統(tǒng)軟件(OS)的高實(shí)時(shí)性是基本要求。l 1嵌入式系統(tǒng)簡介 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。當(dāng)今，嵌入式系統(tǒng)已成為一個(gè)時(shí)髦的名詞，就像當(dāng)初的計(jì)算機(jī)熱潮，似乎比當(dāng)初的計(jì)算

2、機(jī)熱潮涉及的領(lǐng)域更廣泛，應(yīng)用技術(shù)人員更多，相關(guān)國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值也更龐大。報(bào)紙、雜志、網(wǎng)絡(luò)都把嵌入式系統(tǒng)當(dāng)作討論的熱門話題。 嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，有計(jì)算機(jī)功能但又不稱之為計(jì)算機(jī)的設(shè)備或器材。它是以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁減的，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式微處理器、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4個(gè)部分組成，它是集軟硬件于一體的可獨(dú)立工作的器件。嵌入式系統(tǒng)的軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件(要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作)和應(yīng)用程序編程。操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用，而應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為。 嵌入式操

3、作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng)(包括硬、軟件系統(tǒng))極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，如能夠有效管理越來越復(fù)雜的系統(tǒng)資源；能夠把硬件虛擬化，使得開發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動程序移植和維護(hù)中解脫出來；能夠提供庫函數(shù)、驅(qū)動程序、工具集以及應(yīng)用程序。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。l 1.1嵌入式開發(fā)環(huán)境： 一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境一般包括嵌入式目標(biāo)板、開發(fā)用的宿主PC

4、機(jī)和硬件調(diào)試器，他們之間通過串口、JTAG或BDM等調(diào)試接口和網(wǎng)絡(luò)等接口互相連接。其中，嵌入式軟件系統(tǒng)運(yùn)行于嵌入式目標(biāo)板上，這些軟件所對應(yīng)的程序開發(fā)和編譯在宿主機(jī)上運(yùn)行，程序的調(diào)試則由宿主機(jī)通過硬件調(diào)試器控制目標(biāo)機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的操作實(shí)現(xiàn)。 在運(yùn)行嵌入式Linux的系統(tǒng)時(shí)，硬件調(diào)試器只在Bootloader程序開發(fā)以及Linux內(nèi)核移植時(shí)有可能需要使用。應(yīng)用程序的開發(fā)通常是Linux操作系統(tǒng)在嵌入式目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行起來之后進(jìn)行。此時(shí)，更多的是在宿主機(jī)上使用GDB通過網(wǎng)絡(luò)與目標(biāo)板通信，進(jìn)行程序的調(diào)試。也就是硬件調(diào)試器多在底層軟件開發(fā)調(diào)試時(shí)使用，對于應(yīng)用程序的開發(fā)調(diào)試通常使用其他手段。 嵌入式Linux操作

5、系統(tǒng)開發(fā)的第一步就是在宿主機(jī)上建立交叉開發(fā)所需的交叉編譯環(huán)境。交叉編譯環(huán)境的建立主要是在宿主機(jī)上安裝交叉編譯工具Cross-gcc。Cross-gcc工具鏈通常是使用別人已經(jīng)編譯好的交叉編譯的GCC工具鏈。 在交叉編譯環(huán)境建立好之后，就可以在宿主機(jī)上利用交叉編譯環(huán)境構(gòu)造一個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)。Linux操作系統(tǒng)是由Linux內(nèi)核和應(yīng)用程序兩大部分組成。Linux內(nèi)核的開發(fā)主要是根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行內(nèi)核裁剪和配置，然后用交叉編譯器編譯生成內(nèi)核的二進(jìn)制文件映像。對于許多自行設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)，內(nèi)核的開發(fā)還包括根據(jù)實(shí)際的硬件系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)核和外設(shè)驅(qū)動程序的移植開發(fā)。應(yīng)用程序通常都放在Linux的根文件系統(tǒng)

6、中。根文件系統(tǒng)主要存放了嵌入式的配置文件、設(shè)備文件、應(yīng)用程序、動態(tài)鏈接庫以及其他一些相關(guān)的程序和文件。通常最初的根文件系統(tǒng)只是一個(gè)基本的根文件系統(tǒng)，只包含了一些必要的系統(tǒng)支撐程序。 在宿主機(jī)PC機(jī)上完成嵌入式Linux軟件系統(tǒng)的構(gòu)建之后，就在嵌入式硬件系統(tǒng)上測試、運(yùn)行構(gòu)造好的嵌入式Linux軟件系統(tǒng)。其中，測試工作需要在宿主機(jī)上通過遠(yuǎn)程終端操控嵌入式開發(fā)板完成。通常在嵌入式開發(fā)板上存在一個(gè)內(nèi)核的引導(dǎo)加載程序，它用于硬件的初始化，給用戶提供一個(gè)操作界面，將嵌入式Linux加載到內(nèi)存中運(yùn)行。除此之外，它對于嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試也起到很大的作用。一個(gè)基本的嵌入式Linux系統(tǒng)在目標(biāo)板上運(yùn)行

7、起來之后，就要進(jìn)行程序移植開發(fā)和調(diào)試。n 嵌入式Linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用 由于Linux具有對各種設(shè)備的廣泛支持性，因此，能方便地應(yīng)用在機(jī)頂盒、IA設(shè)備、PDA、掌上電腦、WAP手機(jī)、尋呼機(jī)、車載盒以及工業(yè)控制等智能信息產(chǎn)品中。n 嵌入式工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方案 基于嵌入式Linux的工控系統(tǒng)以嵌入式微處理器為核心來運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)。應(yīng)用程序可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更新，并可通過鍵盤進(jìn)行人機(jī)對話，數(shù)據(jù)可通過LCD現(xiàn)場顯示，重要數(shù)據(jù)可用文件形式保存在Flash等閃存存儲器中；數(shù)據(jù)和報(bào)警信息可通過串口向上位機(jī)傳輸，也可以通過以太網(wǎng)向工業(yè)以太網(wǎng)或Internet發(fā)布，用戶還可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)

8、程維護(hù)。更為關(guān)鍵的是，可充分利用Internet上已有的軟件和協(xié)議應(yīng)用程序迅速搭建前臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)測控系統(tǒng)和后臺管理系統(tǒng)的通訊。l 1.2 實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng) RTOS(Real Time multi-tasking Operation System),即實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺。目前在中國大多數(shù)嵌入式軟件開發(fā)還是基于處理器直接編寫，沒有采用商品化的RTOS，不能將系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件分開處理。RTOS是一段嵌入在目標(biāo)代碼中的軟件，用戶的其它應(yīng)用程序都建立在RTOS之上。不但如此，RTOS還是一個(gè)可靠性和可信性很高的實(shí)時(shí)內(nèi)核，將CPU時(shí)間、中斷、I/O、定時(shí)器等

9、資源都包裝起來，留給用戶一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的API，并根據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級，合理地在不同任務(wù)之間分配CPU時(shí)間。 TOS是針對不同處理器優(yōu)化設(shè)計(jì)的高效率實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，優(yōu)秀商品化的RTOS可以面對幾十個(gè)系列的嵌入式處理器MPU、MCU、DSP、SOC等提供類同的API接口，這是RTOS基于設(shè)備獨(dú)立的應(yīng)用程序開發(fā)基礎(chǔ)。因此基于RTOS上的C語言程序具有極大的可移植性。據(jù)專家測算，優(yōu)秀RTOS上跨處理器平臺的程序移植只需要修改15%的內(nèi)容。在RTOS基礎(chǔ)上可以編寫出各種硬件驅(qū)動程序、專家?guī)旌瘮?shù)、行業(yè)庫函數(shù)、產(chǎn)品庫函數(shù)，和通用性的應(yīng)用程序一起，可以作為產(chǎn)品銷售，促進(jìn)行業(yè)內(nèi)的知識產(chǎn)權(quán)交流，因此RTOS又是一個(gè)軟

10、件開發(fā)平臺。 RTOS是嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺。RTOS最關(guān)鍵的部分是實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，它的基本功能包括任務(wù)管理、定時(shí)器管理、存儲器管理、資源管理、事件管理、系統(tǒng)管理、消息管理、隊(duì)列管理、旗語管理等, 這些管理功能是通過內(nèi)核服務(wù)函數(shù)形式交給用戶調(diào)用的，也就是RTOS的API。 RTOS的引入，解決了嵌入式軟件開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的難題。隨著嵌入式系統(tǒng)中軟件比重不斷上升、應(yīng)用程序越來越大，對開發(fā)人員、應(yīng)用程序接口、程序檔案的組織管理成為一個(gè)大的課題。引入RTOS相當(dāng)于引入了一-種新的管理模式，對于開發(fā)單位和開發(fā)人員都是一個(gè)提高。 基于RTOS開發(fā)出的程序，具有較高的可移植性，實(shí)現(xiàn)90%以上設(shè)備獨(dú)立，一些成

11、熟的通用程序可以作為專家?guī)旌瘮?shù)產(chǎn)品推向社會。嵌入式軟件的函數(shù)化、產(chǎn)品化能夠促進(jìn)行業(yè)交流以及社會分工專業(yè)化，減少重復(fù)勞動，提高知識創(chuàng)新的效率。 嵌入式工業(yè)的基礎(chǔ)是以應(yīng)用為中心的芯片設(shè)計(jì)和面向應(yīng)用的軟件開發(fā)。實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS)進(jìn)入嵌入式工業(yè)的意義不亞于歷史上機(jī)械工業(yè)采用三視圖的(網(wǎng)學(xué))貢獻(xiàn)，對嵌入式軟件的標(biāo)準(zhǔn)化和加速知識創(chuàng)新是一個(gè)里程碑。 1.4嵌入式系統(tǒng)軟件的特點(diǎn) 嵌入式處理器的應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，對嵌入式處理器系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的要求也和通用計(jì)算機(jī)有所不同。 1.軟件要求固態(tài)化存儲。為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機(jī)本身中

12、，而不是存貯于磁盤等載體中。 2.盡管半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使處理器速度不斷提高、片上存儲器容量不斷增加，但在大多數(shù)應(yīng)用中，存儲空間仍然是寶貴的，還存在實(shí)時(shí)性的要求。為此要求程序編寫和編譯工具的質(zhì)量要高，以減少程序二進(jìn)制代碼長度、提高執(zhí)行速度。 3.系統(tǒng)軟件(OS)的高實(shí)時(shí)性是基本要求。在多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)中，對重要性各不相同的任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧的合理調(diào)度是保證每個(gè)任務(wù)及時(shí)執(zhí)行的關(guān)鍵，單純通過提高處理器速度是無法完成和沒有效率的，這種任務(wù)調(diào)度只能由優(yōu)化編寫的系統(tǒng)軟件來完成，因此系統(tǒng)軟件的高實(shí)時(shí)性是基本要求。 4.多任務(wù)操作系統(tǒng)是知識集成的平臺和走向工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化道路的基礎(chǔ)。l 2嵌入式開發(fā)概述 2.1 嵌入

13、式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境 通用計(jì)算機(jī)具有完善的人機(jī)接口界面，在上面增加一些開發(fā)應(yīng)用程序和環(huán)境即可進(jìn)行對自身的開發(fā)。而嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，即使設(shè)計(jì)完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進(jìn)行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計(jì)算機(jī)上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。 2.2 嵌入式系統(tǒng)軟件需要RTOS開發(fā)平臺 通用計(jì)算機(jī)具有完善的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序接口(API)，是計(jì)算機(jī)基本組成不可分離的一部分，應(yīng)用程序的開發(fā)以及完成后的軟件都在OS平臺上面運(yùn)行，但一般不是實(shí)時(shí)的。嵌入式系統(tǒng)則不同，應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運(yùn)行

14、；但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTOS開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，并減少開發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。 2.3 嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)流程嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與通常PC機(jī)上的軟件開發(fā)有很大的區(qū)別，原有的PC機(jī)的軟件開發(fā)過程從編寫程序、編譯和運(yùn)行等過程全在同一個(gè)PC機(jī)平臺上完成；嵌入式開發(fā)的程序編寫和編譯還在PC機(jī)上完成，但編譯產(chǎn)生的結(jié)果要在嵌入式目標(biāo)平臺上運(yùn)行。通常將這種在主機(jī)上開發(fā)編譯，在目標(biāo)平臺上調(diào)試運(yùn)行的開發(fā)模式稱為交叉開發(fā)。運(yùn)行在主機(jī)上的編譯器（如GCC）編譯程序產(chǎn)生目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行的可執(zhí)行程序的編譯過程稱為交易編譯。

15、嵌入式系統(tǒng)采用這種交叉開發(fā)、交叉編譯的開發(fā)模式主要是因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)是種專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，采用量體裁衣、量身定制的方法制造，它的這種特點(diǎn)使其與通用PC機(jī)的開發(fā)與使用特點(diǎn)有很大的不同。一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境一般包括嵌入式目標(biāo)板、開發(fā)用的宿主PC機(jī)和硬件調(diào)試器，他們之間通過串口、JTAG或BDM等調(diào)試接口和網(wǎng)絡(luò)等接口互相連接。其中，嵌入式軟件系統(tǒng)運(yùn)行于嵌入式目標(biāo)板上，這些軟件所對應(yīng)的程序開發(fā)和編譯在宿主機(jī)上運(yùn)行，程序的調(diào)試則由宿主機(jī)通過硬件調(diào)試器控制目標(biāo)機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的操作實(shí)現(xiàn)。 在運(yùn)行嵌入式Linux的系統(tǒng)時(shí)，硬件調(diào)試器只在Bootloader程序開發(fā)以及Linux內(nèi)核移植時(shí)有可能需要使用。應(yīng)用程序

16、的開發(fā)通常是Linux操作系統(tǒng)在嵌入式目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行起來之后進(jìn)行。此時(shí)，更多的是在宿主機(jī)上使用GDB通過網(wǎng)絡(luò)與目標(biāo)板通信，進(jìn)行程序的調(diào)試。也就是硬件調(diào)試器多在底層軟件開發(fā)調(diào)試時(shí)使用，對于應(yīng)用程序的開發(fā)調(diào)試通常使用其他手段。在交叉編譯環(huán)境建立好之后，就可以在宿主機(jī)上利用交叉編譯環(huán)境構(gòu)造一個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)。Linux操作系統(tǒng)是由Linux內(nèi)核和應(yīng)用程序兩大部分組成。Linux內(nèi)核的開發(fā)主要是根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行內(nèi)核裁剪和配置，然后用交叉編譯器編譯生成內(nèi)核的二進(jìn)制文件映像。對于許多自行設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)，內(nèi)核的開發(fā)還包括根據(jù)實(shí)際的硬件系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)核和外設(shè)驅(qū)動程序的移植開發(fā)。應(yīng)用程序通常都放在Linux

17、的根文件系統(tǒng)中。根文件系統(tǒng)主要存放了嵌入式的配置文件、設(shè)備文件、應(yīng)用程序、動態(tài)鏈接庫以及其他一些相關(guān)的程序和文件。通常最初的根文件系統(tǒng)只是一個(gè)基本的根文件系統(tǒng)，只包含了一些必要的系統(tǒng)支撐程序。3 嵌入式Linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用由于Linux具有對各種設(shè)備的廣泛支持性，因此，能方便地應(yīng)用在機(jī)頂盒、IA設(shè)備、PDA、掌上電腦、WAP手機(jī)、尋呼機(jī)、車載盒以及工業(yè)控制等智能信息產(chǎn)品中。3.1 嵌入式工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方案基于嵌入式Linux的工控系統(tǒng)以嵌入式微處理器為核心來運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)。應(yīng)用程序可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更新，并可通過鍵盤進(jìn)行人機(jī)對話，數(shù)據(jù)可通過LCD現(xiàn)場顯示，重要數(shù)據(jù)可用文件形式保存在Flash等閃存存儲器中；數(shù)據(jù)和報(bào)警信息可通過串口向上位機(jī)傳輸，也可以通過以太網(wǎng)向工業(yè)以太網(wǎng)或Internet發(fā)布，用戶還可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程維護(hù)。更為關(guān)鍵的是，可充分利用Internet上已有的軟件和協(xié)，迅速搭建前臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)測控系統(tǒng)和后臺管理系統(tǒng)的通訊。參考文獻(xiàn)：