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近些年來，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展在國內(nèi)可謂如火如荼，很多公司都急需嵌入式系統(tǒng)方面的開發(fā)人員。然而，在高校中，嵌入式系統(tǒng)的教學卻較為滯后，很多高年級的本科生和剛?cè)雽W的研究生都苦于不知從何學起。在本文中，筆者將根據(jù)自己的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和教學經(jīng)驗，簡要介紹嵌入式系統(tǒng)的學習方法，力求能幫助初學者找到一條入門之路。
什么是嵌入式系統(tǒng)?
學習嵌入式系統(tǒng)，首先應該明確什么是嵌入式系統(tǒng)，否則費力去學，卻不知所學為何物，豈不惘然？嵌入式系統(tǒng)的定義很多，這也是困擾嵌入式系統(tǒng)學習的一個因素。筆者根據(jù)自己開發(fā)和教學過程中的理解，以及對各種嵌入式系統(tǒng)的應用進行總結(jié)，提出了嵌入式系統(tǒng)的簡單定義：嵌入式系統(tǒng)是嵌入式計算機系統(tǒng)的簡稱，這個定義突出嵌入式計算機系統(tǒng)和普通計算機系統(tǒng)的共性。下表列出了嵌入式系統(tǒng)的一些典型的應用：
智能機器人（S D R 4，火星登陸車）
娛樂和消費電子（Gameboy Advance，Sony PSP）
網(wǎng)絡通信產(chǎn)品（Smartphone）
軍用設備（軍用PDA ）
汽車（車載導航，自動駕駛，娛樂系統(tǒng)）
智能儀器（虛擬儀器）
安全防護（防火，防盜）
環(huán)境保護（探空氣球）
銀行和商業(yè)消費（ATM）
以火星登陸車為例來分析一下嵌入式系統(tǒng)的定義。火星登陸車雖然聽起來感覺在技術(shù)上有些高不可測，但是本質(zhì)就是嵌入式計算機系統(tǒng)的應用，其核心就是一個計算機系統(tǒng)，而這個計算機系統(tǒng)的組成同傳統(tǒng)的計算機系統(tǒng)在本質(zhì)上沒有什么差別。兩者的顯著不同之處就在于，用于火星登陸車的計算機系統(tǒng)被安裝到了火星登陸車上。當然，一個計算機系統(tǒng)能夠被安裝在火星登陸車上，是需要進行很多特殊設計的。但是從本質(zhì)上講，嵌入式系統(tǒng)的核心概念還在計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)學習的重點也在計算機系統(tǒng)上。一方面，學習者需要牢固掌握計算機系統(tǒng)本身的概念，更重要的是學習嵌入系統(tǒng)的開發(fā)過程同傳統(tǒng)計算機系統(tǒng)開發(fā)過程的差別。這里需要指出的是，很多學習者本來就沒有從事過完整計算機系統(tǒng)的開發(fā)，高校的教學是以程序設計為中心的，計算機系統(tǒng)的構(gòu)成，操作系統(tǒng)的原理，編程語言等課程都是為了能夠讓學生更好的使用計算機系統(tǒng)進行程序設計，在現(xiàn)有的計算平臺上來設計實現(xiàn)各種應用，學生一般沒有機會學習一個完整的計算機系統(tǒng)是如何構(gòu)建，并親身參與到構(gòu)建的每一個過程。而對于嵌入式系統(tǒng)而言，從事平臺開發(fā)的人就是要親自去開發(fā)出一個完整的計算機系統(tǒng)，這個過程包括
l 需求分析
2 硬件設計
3 驅(qū)動程序
4 Bootloader & BSP （板級支持包）
5 操作系統(tǒng)的移植
6 應用程序的開發(fā)
7 性能檢查
嵌入式系統(tǒng)教學的目的就是教會學生如何根據(jù)需求去建立滿足某種特殊行業(yè)需求的嵌入式計算機系統(tǒng)。讓學生學會如何構(gòu)件硬件平臺，進行硬件設計，選擇能夠滿足應用要求的最佳的嵌入式操作系統(tǒng)，并完成Bootloader，BSP和驅(qū)動程序的編寫，移植，調(diào)試等過程。為了滿足行業(yè)需求，最終要在所建立的系統(tǒng)上編寫調(diào)試相應的應用程序，并進行性能的測試和檢查。
嵌入式技術(shù)提升找徐工Q2269819323
你是誰,你需要學習哪些東西？
如果你的工作只是需要在PC 機上編寫一個圖片瀏覽程序，那么你就沒有必要去了解當系統(tǒng)收到一個ARP請求包后應該如何回應。同樣的道理，嵌入式系統(tǒng)的學習也是有很多方面的。就嵌入式系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)而言，基本上需要四種不同的工作：系統(tǒng)設計工作，硬件設計工作，驅(qū)動程序和操作系統(tǒng)移植工作和應用程序設計開發(fā)工作。
1.系統(tǒng)設計工作
在系統(tǒng)的設計階段，系統(tǒng)分析師將根據(jù)需求確定系統(tǒng)的硬件的基本構(gòu)成，根據(jù)系統(tǒng)的需求選擇使用那種處理器，使用哪種操作系統(tǒng)，使用那些軟件開發(fā)工具。系統(tǒng)分析師往往是較為完整的參與過嵌入式系統(tǒng)設計的全過程，對于系統(tǒng)應用的行業(yè)較為了解，對于嵌入式系統(tǒng)本身的開發(fā)流程十分清楚的人。
2.硬件設計工作
系統(tǒng)硬件設計人員需要根據(jù)系統(tǒng)分析師的設計結(jié)果，進行硬件原理圖的設計。通常需要硬件設計人員熟悉嵌入式系統(tǒng)的硬件構(gòu)成。硬件設計人員需要了解常用的嵌入式系統(tǒng)處理器，存儲器（Flash，SDRAM），以太網(wǎng)MAC芯片，音頻/視頻編解碼芯片，電源管理芯片，總線接口電路 (USB,PCI)，液晶顯示模塊，可編程邏輯器件(FPGA/CPLD)，無線網(wǎng)絡通信模塊(Bluetooth,WLAN,GPRS)等硬件電路構(gòu)成元素的基本工作原理，連接使用方法，使用注意事項，基本調(diào)試方法等內(nèi)容。在網(wǎng)絡上能找到很多公司的評估板的原理圖，對于這些原理圖要仔細研究，摸清處理器同存儲器，網(wǎng)卡，液晶模塊等器件的連接方法和原因。通過對這些電路的研究，能夠較快地了解整個嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)成，這些電路同實際產(chǎn)品中的電路雖有一定差別的，特別是對于手持設備，但這些差別不影響初學者學習嵌入式系統(tǒng)的硬件設計基本構(gòu)成。
以上這些知識，往往需要較長時間的學習和積累，需要親自參與實踐的機會。對于剛剛接觸嵌入式系統(tǒng)硬件開發(fā)的學生來講，一般不可能全部了解這些知識，但也不會是通通一無所知。筆者結(jié)合自己開發(fā)和教學的經(jīng)驗認為：首先應該選定一款主流且較為簡單的嵌入式系統(tǒng)處理器，比如基于ARM7TDMI 內(nèi)核的AT91M40800,S3C44B0 等嵌入式系統(tǒng)處理器，學習32 位RISC處理器的編程模型，指令集。高校教學中，單片計算機課程一般以8051系列單片為核心講解，由于現(xiàn)代32位處理器的結(jié)構(gòu)和開發(fā)方式同8位單片機有著較大的差別，學習者還是需要花一點力氣來研究以下32位處理器的。以ARM處理器為例，學習者就需要理解處理器的多種工作模式，備份寄存器，RISC 指令集的特點，MMU 和虛擬地址，中斷處理過程等內(nèi)容。在學習指令集的過程中，最好能夠每學習幾條指令，就使用這幾條指令在模擬器上實驗以下，觀察處理器執(zhí)行的結(jié)果。這個過程一方面是學習者對于指令本身的學習能夠取得一個比較好的效果，另外也是對開發(fā)工具本身的一種學習。接著，就可以開始學習片上資源的使用和配置方法。這時就需要一個方便使用的開發(fā)板，學習者能夠通過JTAG仿真器將開發(fā)板同調(diào)試PC機相連，進行程序的下載，調(diào)試。特別是要仔細研究系統(tǒng)的初始化過程和中斷處理的過程。在開發(fā)過程中如果遇到問題，應自己分析問題產(chǎn)生的原因，通過分析縮小問題可能產(chǎn)生的范圍，最終找到問題的所在。最重要的就是要保持一種解決問題的信心，面對困難如何處理，往往能夠決定最終系統(tǒng)是否能夠調(diào)試成功。然后，學習者可以開始仔細學習處理器同存儲器的連接，存儲空間的配置，各種外擴器件，如網(wǎng)卡，AC97聲卡的工作原理和使用方法。嵌入式系統(tǒng)硬件設計中往往需要使用可編程器件，學習者還需要一定的時間來學習使用常用的可編程器件（CP L D / F P G A），常用的有Xilinx和Altera公司的產(chǎn)品。進行系統(tǒng)硬件原理圖設計，就需要使用原理圖設計的EDA工具，常用的EDA 原理圖設計工具主要包括Cadence公司的Capture，Protel公司的Protel99SE等。接下來就可以參照評估板的電路圖，根據(jù)系統(tǒng)的設計要求，開始進行原理圖的繪制了。在原理圖繪制過程中，一定要搞清評估板電路連接的原因，對于一時沒有搞清楚的問題切不可蒙混過關(guān)。例如，有些處理器的地址線是以字節(jié)位單位的，而另一些處理器的地址線則是以兩個字節(jié)為單位的，當連接16位的存儲器的時候，切不可想當然的把處理器的A 0 直接連接到存儲器的A 0 上面。另外，學生還應具有一定的PCB板圖繪制能力，因為在現(xiàn)階段，很多公司還不能完全把原理圖的設計工作和PCB 的繪制工作分開，往往要求硬件設計人員既能進行原理圖設計又能進行板圖設計。即使是PCB設計和原理圖設計分開的公司，也需要原理圖設計者能為PCB 的設計者對于不同的信號提出布板要求。嵌入式技術(shù)提升找徐工Q2269819323
3.驅(qū)動程序和操作系統(tǒng)移植工作
現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)同傳統(tǒng)8位單片機系統(tǒng)的開發(fā)相比，一個顯著的區(qū)別就是嵌入式操作系統(tǒng)的廣泛使用。在拿到焊接完畢的電路板，并進行基本的測試后，就要進行驅(qū)動程序和操作系統(tǒng)的移植工作了。首先要進行的Bootloader的編寫和移植工作。Bootloader相當于PC系統(tǒng)的BIOS。對于有些嵌入式操作系統(tǒng)，如uc/OSII沒有bootloader同樣可以開發(fā)調(diào)試。但是對于WindowsCE和嵌入式linux系統(tǒng)而言Bootloader就是必須的了。本文以Windows CE 為例，做一個簡要的說明。
Windows CE 系統(tǒng)的移植工作主要就是BSP（板級支持包）的開發(fā)過程。BSP將具體的硬件差異同操作系統(tǒng)的核心隔離開來，主要由Bootloaer ，OAL（OEMAbstraction Layer）和設備驅(qū)動程序三部分組成。WindowsCE系統(tǒng)中Bootloader叫做Eboot。Eboot被寫入系統(tǒng)的引導Flash。系統(tǒng)啟動時運行Eboot，完成通過網(wǎng)卡將調(diào)試PC 機中Windows CE 操作系統(tǒng)映像下載到目標系統(tǒng)的SDRAM中并開始執(zhí)行的功能。對于一個系統(tǒng)移植人員，首先需要閱讀文檔，了解WindowsCE系統(tǒng)Bootloader和BSP的基本概念和開發(fā)過程。（呵，還要做這工作啊，我還沒想到（初學^_^））Windows CE的開發(fā)系統(tǒng)Platform Builder提供了詳細的文檔和例程，開發(fā)人員需要仔細的閱讀文檔和例程。搞清楚各個函數(shù)之間的調(diào)用關(guān)系。在開發(fā)過程中的一個重要的步驟就是打通串口，使得目標板能夠通過PC機串口向調(diào)試PC 機發(fā)送數(shù)據(jù)。由于ARM 系統(tǒng)的仿真器比較昂貴，而且操作系統(tǒng)的調(diào)試往往不使用JTAG調(diào)試器進行單步調(diào)試。所以能從串口觀察程序的執(zhí)行過程和結(jié)果對于調(diào)試就顯得十分重要了。串口打通之后一個比較棘手的問題就是網(wǎng)卡芯片的調(diào)試。剛剛接觸嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的人往往沒有直接在寄存器級上使用網(wǎng)卡芯片的經(jīng)驗，而網(wǎng)卡芯片的說明一般都較為簡短，這就要求開發(fā)者學習一些以太網(wǎng)的基礎知識，對以太網(wǎng)的MAC 層有一個基本的認識。另外，各種網(wǎng)絡調(diào)試（抓包）工具的使用也能大大降低系統(tǒng)調(diào)試的難度。系統(tǒng)的OAL需要根據(jù)具體硬件的不同做出相應的修改，這個部分可參照文檔進行，在調(diào)試過程中根據(jù)串口的信息分析出錯的地方。要充分發(fā)揮跨文件字符串搜索工具的功能，在浩如煙海的源文件中找到出錯的位置。當然，隨著開發(fā)者對系統(tǒng)文件目錄結(jié)構(gòu)的熟悉和了解，錯誤定位的速度會不斷加快。WindowsCE 的驅(qū)動程序相對而言是比較好寫的。程序結(jié)構(gòu)較為簡單，學習者可參照
http://msdn.microsoft.com/library/default.asp MSDN Home > MSDN Library >Mobile and Embedded Development > Embedded Operating System Development > Columns SPOT the Geek and WindowsCE Drivers 這篇文章。
4.應用程序的開發(fā)
嵌入式系統(tǒng)的應用程序開發(fā)同在PC 機上開發(fā)應用程序的區(qū)別不是很大。對于Windows CE系統(tǒng)而言，Microsoft已經(jīng)提供了較為完善的開發(fā)工具。特別是.NET Compact work的使用，使得基于Windows CE.NET Compactwork的應用程序有了跨平臺性。開發(fā)人員可以使用Windows 的C# 語言直接在PC 上進行CE.NET應用程序的開發(fā)和模擬調(diào)試，也可將目標系統(tǒng)同PC 機相連，進行聯(lián)機調(diào)試。現(xiàn)在有很多系統(tǒng)支持J2ME(JAVA的嵌入式系統(tǒng)版本) ，這使得JAVA 在嵌入式系統(tǒng)應用開發(fā)中占有較大的優(yōu)勢。另外，作為專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)人員，還需要充分了解面向?qū)ο蠹夹g(shù)和設計模式等方面的知識，當然作為初學者可以先不深入研究這方面的內(nèi)容。
常用嵌入式系統(tǒng)處理器和操作系統(tǒng)嵌入式技術(shù)提升找徐工Q2269819323
處理器
常用嵌入式系統(tǒng)處理器主要包括ARM 處理器，Power PC 處理器，基于MIPS 內(nèi)核的嵌入式處理器，軟核處理器（如Altera 的Nios和Xilinx的MicroBlaze等）和DSP（數(shù)字信號處理器）等。
ARM 處理器的主要特點是具有較高的性能功耗比。ARM處理器被廣泛的應用在手機，PDA等領(lǐng)域，其中較為著名的有Intel 公司生產(chǎn)的基于ARM 內(nèi)核的XScale系列處理器。由于所有公司生產(chǎn)的基于ARM內(nèi)核的處理器具有相同的編程模型，在手持和電池供電的系統(tǒng)中，基于ARM的嵌入式系統(tǒng)處理器往往被首先選用。PowerPC（簡稱PPC）處理器具有較強的運算性能和數(shù)據(jù)吞吐能力，在網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域基于PPC的嵌入式系統(tǒng)處理器有著廣泛的應用。其中Motorola公司生產(chǎn)的MPC860/MPC8260被大量地應用在嵌入式網(wǎng)絡產(chǎn)品中。MIPS 處理器的特點表現(xiàn)在十分強大的處理能力上。作為高性能處理器，MIPS處理器適用于網(wǎng)絡、企業(yè)及高級消費類電子應用，特別是在機頂盒系統(tǒng)中，MIPS處理器具有較高的市場占有率。隨著可編程器件的規(guī)模不斷擴大，使得人們能夠根據(jù)需要定制處理器，并方便的將針對某種特殊應用定制的處理器方便的在可編程器件內(nèi)部實現(xiàn)。除了處理器外，計算機系統(tǒng)還需要許多其他構(gòu)成部分，比如在多通道媒體數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，經(jīng)常需要使用可編程器件來實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)處理功能，使用軟核DSP來實現(xiàn)復雜的數(shù)字信號處理算法，同時還需要處理器進行事務處理，軟核處理器將可編程器件，DSP同處理器結(jié)合在一起，為系統(tǒng)級設計提供了極大的靈活性。DSP（數(shù)字信號處理器）有別于通用處理器，集中表現(xiàn)在其強大的數(shù)字信號處理能力上。在DSP
內(nèi)部提供了硬件乘累加器，處理器在設計上對于特殊的尋址方式做了優(yōu)化，一些DSP 還支持零耗循環(huán)（Zero OverheadLoop）。為了方便嵌入式系統(tǒng)設計，主流DSP 一般也都提供了豐富的外設。特別值得一提的是ADI 公司的Blackfin 系列DSP 和TI 公司的DM64X系列DSP，兩種處理器都提供了豐富的片上外設，非常適用嵌入式系統(tǒng)應用。
操作系統(tǒng)
Window CE.NET/5.0
作為Microsoft的產(chǎn)品，Window CE.NE/5.0提供了功能完備的平臺開發(fā)工具Platform Builder和應用開發(fā)工具Embedded Visual C++/Visual Studio 2003。WindowsCE由于擁有廣大使用者所熟悉的windows界面，系統(tǒng)提供了眾多驅(qū)動程序，并且有完備的文檔支持。對于應用開發(fā)而言，熟悉Windows系統(tǒng)開發(fā)的程序員很容易轉(zhuǎn)到WindowsCE 應用程序的開發(fā)。Windows CE將會是一個非常有前途的嵌入式操作系統(tǒng)。
VxWorks
VxWorks是由Windriver（風河）公司出品的嵌入式實時操作系統(tǒng)，大名鼎鼎的火星登陸車就是使用了VxWorks。Windriver為VxWorks 提供了集成開發(fā)環(huán)境tornado。
υC/OSII
υC/OS是由Jean Labrosse設計編寫的開放源代碼的嵌入式實時操作系統(tǒng)，筆者最早接觸的嵌入式操作系統(tǒng)就是它。閱讀并深入理解υC/OS的源代碼對于理解實時系統(tǒng)是大有裨益的。
ARM Linux
ARM linux是由Russell King和其他開發(fā)者開發(fā)移植的用于ARM 處理器的linux操作系統(tǒng)。 ARM Linux系統(tǒng)在GNU GPL下發(fā)布。有興趣的讀者可以參看http://www.arm.linux.org.uk/docs/whatis.shtml的介紹。
υCLinux
υClinux 是適用于沒有MMU 的嵌入式處理的LinuxOS 版本。υ Clinux 同樣在GNU GPL發(fā)布，有興趣的讀者可以參看http://www.uclinux.org/index.html
有需要深入溝通交流的，可以找徐工私聊2269819323.
或者加入嵌入式技術(shù)交流群244313073，共同交流學習提升。
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發(fā)表于 2015-6-9 10:54:27
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