嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的模式與流程

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的模式與流程2007年12月14日星期五17:281嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.1嵌入式系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖5-1所示，為嵌入式系統(tǒng)硬件模型結(jié)構(gòu)，此系統(tǒng)主要由微處理器MPU、外圍電路，以及外設(shè)組成，微處理器為ARM嵌入式處理芯片，如ARM7TMDI系列及ARM9系列微處理器，MPU為整個(gè)嵌入式系統(tǒng)硬件的核心，決定了整個(gè)系統(tǒng)功能和應(yīng)用領(lǐng)域。外圍電路根據(jù)微處理器不同而略有不同，主要由電源管理模型、時(shí)鐘模塊、閃存FIASH、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM，以及只讀存儲(chǔ)器ROM組成。這些設(shè)備是一個(gè)微處理器正常工作所必須的設(shè)備。外部設(shè)備將根據(jù)需要而各不相同，如通用通信接口USB、RS-232、RJ-45等，輸入輸出設(shè)備，如鍵盤、LCD等。外部設(shè)備將根據(jù)需要定制。嵌入式處理系統(tǒng)主要包括嵌入式微處理器、存儲(chǔ)設(shè)備、模擬電路及電源電路、通信接口，以及外設(shè)電路。1.2嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單片機(jī)在軟件方面最大的不同就是可以移植操作系統(tǒng)，從而使軟件設(shè)計(jì)層次化，傳統(tǒng)的單片機(jī)在軟件設(shè)計(jì)時(shí)將應(yīng)用程序與系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)等全部混在一起編譯，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，可維護(hù)性不高，上升到操作系統(tǒng)后，這一切變得很簡(jiǎn)單可行。嵌入式操作系統(tǒng)在軟件上呈現(xiàn)明顯的層次化，從與硬件相關(guān)的BSP到實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核RTOS，到上層文件系統(tǒng)、GUI界面，以及用戶層的應(yīng)用軟件。各局部可以清晰地劃分開來(lái)，如圖5-2所示。當(dāng)然，在某些時(shí)候這種劃分也不完全符合應(yīng)用要求。需要程序設(shè)計(jì)人員根據(jù)特定的需要來(lái)設(shè)計(jì)自己的軟件。板級(jí)支持包(BoardSupportPacket)主要用來(lái)完成底層硬件相關(guān)的信息，如驅(qū)動(dòng)程序，加載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等功能;實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)層主要就是常見的嵌入式操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者根據(jù)自己特定的需要來(lái)設(shè)計(jì)移植自己的操作系統(tǒng)，即添加刪除局部組件，添加相應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)程序，為上層應(yīng)用提供系統(tǒng)調(diào)用；文件系統(tǒng)、GUI，以及系統(tǒng)管理主要應(yīng)對(duì)需要，即如果需要文件系統(tǒng)及圖形界面支持才需要設(shè)計(jì)，主要是為了應(yīng)用程序員開發(fā)應(yīng)用程序提供更多更便捷更豐富的API接口；應(yīng)用軟件層即用戶設(shè)計(jì)的針對(duì)特定應(yīng)用的應(yīng)用軟件，在開發(fā)該應(yīng)用軟件時(shí)，可以用到底層提供的大量函數(shù)。采用分層結(jié)構(gòu)的軟件設(shè)計(jì)使系統(tǒng)清晰明了，各個(gè)局部設(shè)計(jì)工作分工明確，從而防止整個(gè)系統(tǒng)過(guò)分龐大。2嵌入式開發(fā)的模式及流程2.1嵌入式系統(tǒng)開發(fā)模式嵌入式系統(tǒng)開發(fā)分為軟件開發(fā)局部和硬件開發(fā)局部。嵌入式系統(tǒng)在開發(fā)過(guò)程一般都采用如圖5-3所示的“宿主機(jī)/目標(biāo)板〞開發(fā)模式，即利用宿主機(jī)(PC機(jī))上豐富的軟硬件資源及良好的開發(fā)環(huán)境和調(diào)試工具來(lái)開發(fā)目標(biāo)板上的軟件，然后通過(guò)交叉編譯環(huán)境生成目標(biāo)代碼和可執(zhí)行文件，通過(guò)串口/USB/以太網(wǎng)等方式下載到目標(biāo)板上，利用交叉調(diào)試器在監(jiān)控程序運(yùn)行，實(shí)時(shí)分析，最后，將程序下載固化到目標(biāo)機(jī)上，完成整個(gè)開發(fā)過(guò)程。在軟件設(shè)計(jì)上，如圖5-4所示為結(jié)合ARM硬件環(huán)境及ADS軟件開發(fā)環(huán)境所設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程圖。整個(gè)開發(fā)過(guò)程根本包括以下幾個(gè)步驟。(1)源代碼編寫：編寫源C/C++及匯編程序；(2)程序編譯：通過(guò)專用編譯器編譯程序；(3)軟件仿真調(diào)試：在SDK中仿真軟件運(yùn)行情況；(4)程序下載：通過(guò)JTAG、USB、UART方式下載到目標(biāo)板上；(5)軟硬件測(cè)試、調(diào)試：通過(guò)JTAG等方式聯(lián)合調(diào)試程序；(6)下載固化：程序無(wú)誤，下載到產(chǎn)品上生產(chǎn)。2.2嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程當(dāng)前，嵌入式開發(fā)已經(jīng)逐步標(biāo)準(zhǔn)化，在遵循一般工程開發(fā)流程的根底上，嵌入式開發(fā)有其自身的一些特點(diǎn)，如圖5-5所示為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一般流程。主要包括系統(tǒng)需求分析(要求有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求)、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟硬件及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)測(cè)試，最終得到最終產(chǎn)品。(1)系統(tǒng)需求分析。確定設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)，并提煉出設(shè)計(jì)規(guī)格說(shuō)明書，作為正式設(shè)計(jì)指導(dǎo)和驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)的需求一般分功能性需求和非功能性需求兩方面。功能性需求是系統(tǒng)的根本功能，如輸入輸出信號(hào)、操作方式等；非功能需求包括系統(tǒng)性能、本錢、功耗、體積、重量等因素。(2)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。描述系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)所述的功能和非功能需求，包括對(duì)硬件、軟件和執(zhí)行裝置的功能劃分，以及系統(tǒng)的軟件、硬件選型等。一個(gè)好的體系結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。(3)硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)。基于體系結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)的軟件、硬件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。為了縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，設(shè)計(jì)往往是并行的。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作大局部都集中在軟件設(shè)計(jì)上，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、軟件組件技術(shù)、模塊化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代軟件工程經(jīng)常采用的方法。(4)系統(tǒng)集成。把系統(tǒng)的軟件、硬件和執(zhí)行裝置集成在一起，進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并改良單元設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤。(5)系統(tǒng)測(cè)試。對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，看其是否滿足規(guī)格說(shuō)明書中給定的功能要求。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)模式最大特點(diǎn)是軟件、硬件綜合開發(fā)。這是因?yàn)榍度胧疆a(chǎn)品是軟硬件的結(jié)合體，軟件針對(duì)硬件開發(fā)、固化、不可修改。如果在一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中使用Linux技術(shù)開發(fā)，根據(jù)應(yīng)用需求的不同有不同的配置開發(fā)方法，但是，一般情況下都需要經(jīng)過(guò)如下的過(guò)程。(1)建立開發(fā)環(huán)境，操作系統(tǒng)一般使用RedhatLinux，選擇定制安裝或全部安裝，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載相應(yīng)的GCC交叉編譯器進(jìn)行安裝(比方，arm-1inux-gcc、arnl-uclibc-gcc)，或者安裝產(chǎn)品廠家提供的相關(guān)交叉編譯器；(2)配置開發(fā)主機(jī)，配置MINICOM，一般的參數(shù)為波特率115200Baud/s，數(shù)據(jù)位8位，停止位為1，9，無(wú)奇偶校驗(yàn)，軟件硬件流控設(shè)為無(wú)。在Windows下的超級(jí)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(jiǎn)化嵌入式網(wǎng)絡(luò)調(diào)試環(huán)境設(shè)置過(guò)程。(3)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(méi)有內(nèi)置引導(dǎo)裝載程序，比方，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，讀者可以在網(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(gòu)置了廠家的仿真器比擬容易燒寫FLASH，雖然無(wú)法了解其中的核心技術(shù)，但對(duì)于需要迅速開發(fā)自己的應(yīng)用的人來(lái)說(shuō)可以極大提高開發(fā)速度。(4)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(duì)所使用的CPU移植好的Linux操作系統(tǒng)那是再好不過(guò)，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(duì)于帶MMU的CPU可以使用模塊方式調(diào)試驅(qū)動(dòng)，而對(duì)于MCLiunx這樣的系統(tǒng)只能編譯內(nèi)核進(jìn)行調(diào)試。(5)建立根文件系統(tǒng)，可以從：//下載使用BUSYBOX軟件進(jìn)行功能裁減，產(chǎn)生一個(gè)最根本的根文件系統(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mkcramfsgenromfs等工具產(chǎn)生燒寫映像文件。(6)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