嵌入式軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)與方法

第二章-嵌入式軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)與方法本章目錄嵌入式軟件的應(yīng)用與特點(diǎn)嵌入式軟件設(shè)計(jì)與特點(diǎn)開(kāi)發(fā)技術(shù)、開(kāi)發(fā)方法實(shí)時(shí)軟件分析設(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)平臺(tái)、開(kāi)發(fā)過(guò)程嵌入式軟件的應(yīng)用與特點(diǎn)微處理器已嵌入到你見(jiàn)到的幾乎所有的電器中汽車(chē)、飛機(jī)、停車(chē)場(chǎng)、超市、手機(jī)嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)需求日益激增多線程編程風(fēng)格&嵌入式軟件高可靠性嵌入式軟件中常使用的C語(yǔ)言功能和特性多數(shù)學(xué)生具有高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)桌面應(yīng)用程序的經(jīng)驗(yàn)嵌入式應(yīng)用程序的特點(diǎn)可靠性性能成本嵌入式軟件的成本消費(fèi)產(chǎn)品的流行性和物美價(jià)廉的需要大批量生產(chǎn)的需要快速生產(chǎn)的需要嵌入式軟件的可靠性嵌入式軟件及其系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間可能是一天、一月、一年等。運(yùn)行中發(fā)生錯(cuò)誤，無(wú)法重啟。良好的編程實(shí)踐能力&充分的測(cè)試嵌入式軟件的性能指標(biāo)應(yīng)用程序新技術(shù)多任務(wù)處理和調(diào)度與各類(lèi)外部設(shè)備的交互方法、速度、成本、復(fù)雜度等匯編語(yǔ)言的使用由于數(shù)的可表示范圍，程序中關(guān)于越界的處理機(jī)制嵌入式軟件設(shè)計(jì)與特點(diǎn)嵌入式軟件全生命周期開(kāi)發(fā)工具鏈硬件與軟件的Co-Design:Verilog+C=?VerilogHDL是應(yīng)用廣泛的硬件描述語(yǔ)言．VerilogHDL可以用來(lái)進(jìn)行各種層次的邏輯設(shè)計(jì)，也可以進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)的邏輯綜合，仿真驗(yàn)證和時(shí)序分析等。適合算法級(jí)，寄存器級(jí)，邏輯級(jí)，開(kāi)關(guān)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和版圖級(jí)等各個(gè)層次的設(shè)計(jì)和描述．

驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和生成技術(shù)（嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中最令人頭疼的問(wèn)題）嵌入式軟件的可靠性問(wèn)題:正確性驗(yàn)證技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、調(diào)試技術(shù)等（可靠性問(wèn)題是嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的基本問(wèn)題）可重構(gòu)計(jì)算（ReconfigurableComputing）技術(shù)可構(gòu)件化的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及其開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)技術(shù)、開(kāi)發(fā)方法——

設(shè)計(jì)流程—自頂向下或自底向上設(shè)計(jì)需求設(shè)計(jì)說(shuō)明體系結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成自頂向下設(shè)計(jì)自底向上設(shè)計(jì)需求分析作用使用戶(hù)和設(shè)計(jì)者有效交流、溝通，明確設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)者－設(shè)計(jì)什么？有哪些要求？用戶(hù)－將得到的系統(tǒng)是什么樣的？目標(biāo)形成需求文檔內(nèi)容功能性需求做什么？輸入,輸出,功能，……非功能性需求其他屬性可靠性，速度，功耗，……成本,大小,重量,設(shè)計(jì)時(shí)間，……GPS移動(dòng)地圖系統(tǒng):示例項(xiàng)目說(shuō)明名稱(chēng)GPS移動(dòng)地圖目的為司機(jī)等用戶(hù)提供圖形狀的移動(dòng)地圖輸入一個(gè)電源開(kāi)關(guān)、兩個(gè)操作按鈕、GPS信號(hào)輸入輸出LCD顯示器，分辨率為400×600功能可接5種GPS接收器；三種用戶(hù)可選的地圖比例；總是顯示當(dāng)前經(jīng)緯度性能0.25秒內(nèi)即可更新一次屏幕，常溫下工作生產(chǎn)成本1500元（人民幣）功耗四節(jié)電池供電應(yīng)連續(xù)工作8小時(shí)，功耗約100mW尺寸重量尺寸不大于20cm×30cm，重量不大于0.25公斤GPS移動(dòng)地圖是一種手持設(shè)備，該設(shè)備為用戶(hù)（如汽車(chē)駕駛員）顯示他當(dāng)前所處位置周?chē)牡貓D；顯示的地圖內(nèi)容應(yīng)隨用戶(hù)以及該設(shè)備所處位置的改變而改變。該設(shè)備從GPS上得到其位置信息，移動(dòng)地圖看起來(lái)類(lèi)似紙張上的地圖。針對(duì)用戶(hù)的初步要求的系統(tǒng)需求表評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)正確性無(wú)二義性完整性可檢驗(yàn)性一致性可修改性可追蹤性

硬件單片機(jī),X86,PowerPC,ARM,MIPS,……板級(jí)支持程序嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件監(jiān)控程序嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)嵌入式軟件子系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)——流程需求分析及規(guī)格說(shuō)明選擇主要芯片確定編程語(yǔ)言選擇開(kāi)發(fā)環(huán)境RTOS的使用選擇開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)與調(diào)試測(cè)試與集成測(cè)試工具與其他輔助設(shè)備產(chǎn)品開(kāi)發(fā)平臺(tái)、開(kāi)發(fā)過(guò)程——開(kāi)發(fā)環(huán)境什么是嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境：源程序編譯器目標(biāo)文件鏈接器可重定位程序定位器可執(zhí)行文件編譯器/匯編器/鏈接定位器調(diào)試器/仿真器主機(jī)（Host）及其工作平臺(tái)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（可選）目標(biāo)評(píng)估系統(tǒng)（可選）測(cè)試工具（軟件/硬件/協(xié)議等，可選）其他輔助設(shè)備（可選）

典型的開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS對(duì)于復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)考慮使用RTOSRTOS的作用：提供API（應(yīng)用編程接口）：操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序員提供可供調(diào)用的API，允許程序員致力于應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)

簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)：實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)比非實(shí)時(shí)系統(tǒng)更難設(shè)計(jì).使用實(shí)時(shí)多任務(wù)的內(nèi)核能簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可將復(fù)雜的應(yīng)用程序分為幾個(gè)不同的任務(wù)，由內(nèi)核去對(duì)他們協(xié)調(diào)處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如下支持ARM的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：uC/OSLinux嵌入式系統(tǒng)編程語(yǔ)言DatafromJapanITRONsurveyfornewembeddedsystems實(shí)時(shí)內(nèi)核的作用有效管理響應(yīng)時(shí)間管理并發(fā)線程的CPU時(shí)間管理并發(fā)線程間內(nèi)存的使用比如專(zhuān)門(mén)用于消費(fèi)市場(chǎng)的典型的小型嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核標(biāo)準(zhǔn)化工作，確立標(biāo)準(zhǔn)，使各種嵌入式內(nèi)核能夠兼容。如何構(gòu)建嵌入式應(yīng)用程序-1桌面應(yīng)用程序的構(gòu)建和加載運(yùn)行工具軟件組件過(guò)程：編譯器或匯編器產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)文件，與動(dòng)態(tài)連接庫(kù)或運(yùn)行時(shí)庫(kù)進(jìn)行鏈接，生成一個(gè)可執(zhí)行程序，作為文件存放在磁盤(pán)上。運(yùn)行：通過(guò)操作系統(tǒng)的加載程序，將可執(zhí)行文件從磁盤(pán)加載到內(nèi)存，運(yùn)行。桌面系統(tǒng)可運(yùn)行許多程序，可快速容易地加載運(yùn)行。如何構(gòu)建嵌入式應(yīng)用程序-2嵌入式系統(tǒng)軟件工具軟件組件過(guò)程：編譯器或匯編器產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)文件，與實(shí)時(shí)內(nèi)核或可充入函數(shù)庫(kù)進(jìn)行鏈接，經(jīng)重定位后，生成一個(gè)ROM映像文件，經(jīng)ROM燒錄器，存入ROM只讀存儲(chǔ)器中。運(yùn)行：通電后通過(guò)程序初始化，將可執(zhí)行映像從磁盤(pán)加載到RAM存儲(chǔ)器中，運(yùn)行。桌面系統(tǒng)可運(yùn)行許多程序，可快速容易地加載運(yùn)行。嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及其環(huán)境

嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要宿主機(jī)（Host）和目標(biāo)機(jī)（Target）的支持。宿主機(jī)屬于嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，宿主機(jī)用于嵌入式軟件的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、調(diào)試和運(yùn)行等；目標(biāo)機(jī)屬于最終系統(tǒng)的運(yùn)行平臺(tái)，目標(biāo)機(jī)作為可執(zhí)行程序的最終運(yùn)行平臺(tái)，目標(biāo)機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的硬件部分，運(yùn)行程序?qū)儆谇度胧较到y(tǒng)的軟件部分。交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境是指用于嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中使用的所有工具軟件的集合一般包括文本編輯器、交叉編譯器、交叉調(diào)試器、仿真器、下載器等工具。交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境由宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)組成，宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)之間在物理連接的基礎(chǔ)上建立起邏輯連接。使得嵌入式軟件可在兩個(gè)平臺(tái)上得以運(yùn)行，什么是交叉編譯技術(shù)？把在宿主機(jī)上編寫(xiě)的高級(jí)語(yǔ)言程序，編譯成可以運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)上的代碼，即在宿主機(jī)上能夠編譯生成另一種CPU（嵌入式微處理器）上的二進(jìn)制程序。采用交叉編譯技術(shù)的原因在于，嵌入式軟件必須在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，進(jìn)行反復(fù)調(diào)試才能產(chǎn)生正確的運(yùn)行結(jié)果。此時(shí)才有必要將可執(zhí)行程序移植到目標(biāo)機(jī)上，移植技術(shù)關(guān)鍵在于在宿主機(jī)上可以生成目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行的可執(zhí)行程序。具有交叉編譯技術(shù)的編譯程序，實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。采用宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)支持嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的原因宿主機(jī)是用于開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，一般為PC機(jī)或者工作站，具備豐富的軟硬件資源，為嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)提供方便易行的全過(guò)程支持。目標(biāo)機(jī)即所開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)，是嵌入式軟件的運(yùn)行環(huán)境，其硬件軟件是為特定應(yīng)用定制的，一般由處理器、裝入嵌入式系統(tǒng)的ROM映像的ROM內(nèi)存芯片、堆棧、中間變量、緩沖區(qū)、外設(shè)和接口組成。嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的實(shí)現(xiàn)階段可分為三個(gè)步驟：生成、調(diào)試和固化運(yùn)行。軟件生成主要是在宿主機(jī)上進(jìn)行，利用各種工具完成對(duì)應(yīng)用程序的編輯、交叉編譯和鏈接工作，生成可供調(diào)試或固化的目標(biāo)程序。軟件調(diào)試是通過(guò)交叉調(diào)試器完成軟件的調(diào)試工作。調(diào)試完成后還需進(jìn)行必要的測(cè)試工作。軟件固化運(yùn)行是先用一定的工具將應(yīng)用程序固化到目標(biāo)機(jī)上，然后啟動(dòng)目標(biāo)機(jī)，在沒(méi)有任何工具干預(yù)的情況下應(yīng)用程序能自動(dòng)地啟動(dòng)運(yùn)行。采用交叉調(diào)試方法的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)存在一定的缺陷。比如：依賴(lài)硬件支持，必須有目標(biāo)機(jī)或評(píng)估板；普通編程人員不易熟悉；開(kāi)發(fā)成本高；可移植性、可擴(kuò)展性不強(qiáng)；較難進(jìn)行團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)；開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)等。采用非交叉調(diào)試方式的優(yōu)點(diǎn)即仿真開(kāi)發(fā)方式，這幾點(diǎn)理由在某種程度上，解決了交叉調(diào)試開(kāi)發(fā)方法的缺陷。嵌入式應(yīng)用的開(kāi)發(fā)經(jīng)常會(huì)遭遇這樣的問(wèn)題，由于經(jīng)費(fèi)和構(gòu)建條件所限，缺少目標(biāo)機(jī)環(huán)境、缺乏目標(biāo)機(jī)芯片等資源。而開(kāi)發(fā)過(guò)程又不可能停止，因此自然就提出了根據(jù)不同的應(yīng)用需要，利用較易構(gòu)建的仿真器件及仿真環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)的方法。軟件仿真開(kāi)發(fā)軟件仿真開(kāi)發(fā)（Simulator）的基本思路是，在宿主機(jī)機(jī)器上安裝一種軟件仿真器，即仿真程序，利用該仿真程序的運(yùn)行，在宿主機(jī)上創(chuàng)建一個(gè)虛擬的目標(biāo)機(jī)環(huán)境，再將應(yīng)用系統(tǒng)下載到這個(gè)虛擬目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行、調(diào)試。軟件仿真開(kāi)發(fā)環(huán)境嵌入式軟件開(kāi)發(fā)人員只需要了解所使用的編程語(yǔ)言、編譯器及其使用方法、操作系統(tǒng)系統(tǒng)API接口及系統(tǒng)函數(shù)，就可以實(shí)施并完成嵌入式軟件的程序設(shè)計(jì)，生成虛擬機(jī)環(huán)境下可運(yùn)行的可執(zhí)行程序。可以在宿主機(jī)環(huán)境下查看到運(yùn)行的結(jié)果，進(jìn)行運(yùn)行結(jié)果的分析，并反復(fù)進(jìn)行軟件的調(diào)試，最終生成一個(gè)認(rèn)可的可執(zhí)行軟件。待時(shí)機(jī)條件具備時(shí)安裝到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行。實(shí)時(shí)軟件分析設(shè)計(jì)方法

嵌入式實(shí)時(shí)軟件系統(tǒng)的生命周期分為以下幾個(gè)階段：需求分析與詳細(xì)說(shuō)明：對(duì)系統(tǒng)功能及性能的需求進(jìn)行描述。系統(tǒng)設(shè)計(jì)：任務(wù)分解,定義任務(wù)間接口關(guān)系。任務(wù)設(shè)計(jì)：按模塊方式設(shè)計(jì)每個(gè)任務(wù)，定義模塊間接口。模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：完成每個(gè)模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)、編碼和單元測(cè)試。任務(wù)與系統(tǒng)集成：任務(wù)單獨(dú)運(yùn)行及并發(fā)運(yùn)行調(diào)試，查看每個(gè)任務(wù)的運(yùn)行結(jié)果。系統(tǒng)測(cè)試：針對(duì)需求分析結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)功能性能進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。一個(gè)基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核的實(shí)時(shí)軟件開(kāi)發(fā)模型下圖表示實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)編程和運(yùn)行層次結(jié)構(gòu)。該圖對(duì)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序功能設(shè)計(jì)接口和運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行層次劃分。指明基于操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)的編程層次和接口。從而形成實(shí)時(shí)應(yīng)用程序內(nèi)部結(jié)構(gòu)。調(diào)用調(diào)度RTOS內(nèi)核任務(wù)調(diào)度管理具體業(yè)務(wù)邏輯功能硬件系統(tǒng)RTOS內(nèi)核系統(tǒng)函數(shù)接口實(shí)時(shí)軟件結(jié)構(gòu)圖實(shí)現(xiàn)具體實(shí)時(shí)應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯一般采用分解任務(wù)的方法將一個(gè)實(shí)時(shí)應(yīng)用功能劃分為多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的任務(wù)。分配任務(wù)不同的優(yōu)先級(jí)，賦予任務(wù)自主延遲功能，進(jìn)行必要的任務(wù)通信，設(shè)置關(guān)鍵任務(wù)的中斷響應(yīng)。明確任務(wù)的執(zhí)行條件、中斷條件和掛起條件等因素。每個(gè)任務(wù)是系統(tǒng)中一個(gè)獨(dú)立的執(zhí)行調(diào)度單位和資源分配單位。調(diào)用RTOS內(nèi)核系統(tǒng)函數(shù)接口，創(chuàng)建實(shí)時(shí)任務(wù)；任務(wù)的運(yùn)行從接受內(nèi)核調(diào)度開(kāi)始，按照自身流程設(shè)計(jì)循環(huán)執(zhí)行。直至系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束。實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件功能運(yùn)行界面實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核系統(tǒng)硬件平臺(tái)實(shí)時(shí)應(yīng)用任務(wù)2實(shí)時(shí)應(yīng)用任務(wù)1實(shí)時(shí)應(yīng)用任務(wù)n……任務(wù)模型的框架結(jié)構(gòu)與構(gòu)建

任務(wù)分解任務(wù)通信任務(wù)創(chuàng)建任務(wù)響應(yīng)任務(wù)與內(nèi)核連接任務(wù)分解任務(wù)分解是如何將一個(gè)實(shí)時(shí)應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯，按照任務(wù)的管理和控制接口，劃分為若干獨(dú)立的任務(wù)，并發(fā)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能。簡(jiǎn)單地分為設(shè)計(jì)階段、編碼階段。任務(wù)分解的設(shè)計(jì)階段、編碼階段設(shè)計(jì)階段的主要工作包括：根據(jù)應(yīng)用程序功能需求,將應(yīng)用程序功能劃分為若干并發(fā)任務(wù)。首先將需要并發(fā)執(zhí)行的子功能確立為任務(wù)，任務(wù)優(yōu)先級(jí)按響應(yīng)的迫切程度確定。確定每個(gè)任務(wù)處理流程，確保完成任務(wù)功能。確定任務(wù)功能實(shí)現(xiàn)是否與其它任務(wù)的執(zhí)行有關(guān)聯(lián)。編碼階段的主要工作包括完成每