引 言 　　在計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)高速發(fā)展的同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)也取得迅速發(fā)展。這不僅表現(xiàn)在從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)研究的人員隊(duì)伍日益壯大，嵌入式處理器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的性能增強(qiáng)和產(chǎn)品升級換代，更重要的體現(xiàn)在嵌入式技術(shù)應(yīng)用范圍的急劇擴(kuò)大。 　　嵌入式系統(tǒng)擁有巨大的市場空間，我國應(yīng)該抓住機(jī)遇，與時(shí)俱進(jìn)，奮起直追，在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域趕超世界先進(jìn)水平。要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，具有一定的現(xiàn)實(shí)可行性，這是因?yàn)橥琍C機(jī)系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)更有自身的特征。在PC領(lǐng)域，雖有AMD系列處理器和Linux操作系統(tǒng)的市場沖擊，但是Win_Tel（Windows+Intel）體系架構(gòu)仍占主導(dǎo)地位；可是，嵌入式系統(tǒng)本身是一個(gè)相當(dāng)分散的工業(yè)，典型特征是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，市場應(yīng)用才是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的導(dǎo)向和前提，在當(dāng)前的嵌入式市場中不存在壟斷的局面。 　　嵌入式系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分：硬件架構(gòu)上以嵌入式處理器為中心，配置存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備、通信模塊等必要的外設(shè)；軟件部分以軟件開發(fā)平臺(tái)為核心，向上提供應(yīng)用編程接口（API），向下屏蔽具體硬件特性的板級支持包BSP。嵌入式系統(tǒng)中，軟件和硬件緊密配合，協(xié)調(diào)工作，共同完成系統(tǒng)預(yù)定的功能。 　　對于不同的市場應(yīng)用類型，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中的嵌入式處理器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、仿真器、調(diào)試器以及開發(fā)隊(duì)伍的技術(shù)水平和結(jié)構(gòu)比例等要素的選擇是至關(guān)重要的。本文參考一些嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的資料，結(jié)合具體的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)總結(jié)了進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，如何全面考慮各開發(fā)要素并進(jìn)行選擇，最后結(jié)合一個(gè)具體實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)闡述。 1 嵌入式處理器 　　嵌入式系統(tǒng)的功能軟件集成于硬件系統(tǒng)之中，系統(tǒng)的應(yīng)用軟件與硬件一體化。在嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)備中，嵌入處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，其性能的好壞直接決定整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。 　　PC機(jī)銷售市場中，隨著通用CPU技術(shù)的突破和工作頻率的倍增，舊款低檔CPU早已經(jīng)不見蹤跡。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)面向具體應(yīng)用，不同領(lǐng)域的應(yīng)用市場需要不同款式和性能指標(biāo)的處理器來開發(fā)，于是在嵌入式處理器市場中，中低端的4位、8位和16位處理器依然存在，高性能的32位處理器也有很多產(chǎn)品。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)和微電子技術(shù)發(fā)展，包含嵌入式處理器以及部分外圍電路的微控制器產(chǎn)品也進(jìn)入市場，片上系統(tǒng)SoC（System on Chip）產(chǎn)品也開始出現(xiàn)。這些產(chǎn)品的上市，不僅豐富了嵌入式處理器產(chǎn)品，而且也更加方便了工程技術(shù)人員進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)和擴(kuò)大嵌入式產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。 　　由于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用需求的多樣性，市場上基于RISC結(jié)構(gòu)的嵌入式處理器提供商也日漸增多。統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，1999年底市場銷售額排在前三位的公司分別是ARM、Motorola和MIPS，其中ARM公司的芯片銷售量達(dá)1.5億個(gè)，市場份額超過50%。 　　面對這樣的嵌入式處理器市場，開發(fā)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該如何選擇呢？這里有兩個(gè)前提條件。 　　一是深入研究具體的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用需求，充分的應(yīng)用需求分析后獲取應(yīng)用系統(tǒng)的性能指標(biāo)。面向應(yīng)用是嵌入式系統(tǒng)的特色，具體的應(yīng)用需求決定著嵌入式處理器的性能選型。在工業(yè)控制等特殊領(lǐng)域，系統(tǒng)需求分析員不僅需要和工作人員、上級主管親自面談，而且要到工作現(xiàn)場獲取第一手信息，收集充分的資料。應(yīng)用需求分析后，需要定義產(chǎn)品具備的基本功能和性能指標(biāo)，如系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量大小和處理實(shí)時(shí)性要求、系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的工作環(huán)境、系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能遇到的突發(fā)事件、系統(tǒng)的尺寸大小和功耗指標(biāo)等。 　　第二個(gè)前提條件是，分析研究市場上各大廠商提供的各款嵌入式處理器的性能指標(biāo)，如功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等。這些參數(shù)也是各個(gè)半導(dǎo)體芯片廠商之間競爭的熱點(diǎn)。 　　開發(fā)人員通過應(yīng)用需求分析獲取了產(chǎn)品的功能性和非功能性指標(biāo)，研究了市場上嵌入式處理器的性能參數(shù)后，能夠?qū)η度胧教幚砥髯鞒鲚^好的選擇。嵌入式處理器選擇的基本原則是滿足具體功能性和非功能性指標(biāo)需求的、市場應(yīng)用反應(yīng)良好的、硬件配置最少的嵌入式處理器。如簡單的智能儀器儀表設(shè)計(jì)考慮使用4位或者8位低檔單片機(jī)8051；和數(shù)字信號(hào)處理密切相關(guān)的選用TI公司的TMX320x系列的DSP（數(shù)字信號(hào)處理）芯片；如果產(chǎn)品偏重于通信功能，考慮Motorola公司的嵌入式處理器68K系列；如果產(chǎn)品功能比較齊全，可選用嵌入式處理器領(lǐng)域的后起之秀ARM公司的高性能嵌入式處理器ARM芯片系列等。 　　除了上述的產(chǎn)品性能需求因素，選擇嵌入式處理器時(shí)也需要考慮開發(fā)人員對此系列處理器的熟悉程度。因?yàn)椴煌鹃_發(fā)的嵌入式處理器差別較大，從一類處理器轉(zhuǎn)移到另一類處理器的難度比同一系列不同處理器間的轉(zhuǎn)移難度大得多，風(fēng)險(xiǎn)多得多。 2 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 　　以嵌入式處理器為中心，開發(fā)人員搭建好硬件電路時(shí)僅提供了裸機(jī)運(yùn)行平臺(tái)，要使整個(gè)系統(tǒng)有限的硬件資源充分利用起來，還需要（嵌入式）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS（Real Time Operating System）的軟件支持。 　　RTOS與一般商用多任務(wù)OS（如Unix、Windows以及Linux等）有共同的一面，也有不同的一面。商用多任務(wù)OS主要目的是方便用戶管理計(jì)算機(jī)資源和追求系統(tǒng)資源的最大利用率；而RTOS重點(diǎn)追求的是實(shí)時(shí)性、可確定性、可靠性，當(dāng)然也包括有限資源的管理。一般RTOS內(nèi)核都很小，在幾KB~十幾KB之間。流行的RTOS基本上都支持基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度策略和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)，具有微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，有標(biāo)準(zhǔn)組件可供選用，支持虛擬存儲(chǔ)技術(shù)和存儲(chǔ)保護(hù)機(jī)制。 　　由于具體嵌入式應(yīng)用的功能需求差異以及不同RTOS間不同的性能指標(biāo)，RTOS的選擇有三種方案：一是根據(jù)應(yīng)用需要和公司技術(shù)實(shí)力，考慮自主開發(fā)研究（國內(nèi)手機(jī)廠商寧波波導(dǎo)公司部分款式的手機(jī)操作系統(tǒng)就是自主開發(fā)的）；二是充分考慮系統(tǒng)需求和流行RTOS的性能指標(biāo)及性價(jià)比選擇商用RTOS，如WinCE、VxWorks等；三是考慮嵌入式Linux（RT_Linux），RT_Linux是開放源代碼的免費(fèi)自由軟件，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)論壇較多，具備較好的裁減性以支持不同的應(yīng)用范疇。 　　當(dāng)前全球范圍內(nèi)商用RTOS多達(dá)200多種，應(yīng)用領(lǐng)域的多樣性使得市場反應(yīng)較好的也將近有十幾種，如VxWorks、pSOS、Nucleus、QNX、WinCE以及中科院軟件研究中心研制的Hopen等。這些不同名稱的RTOS，核心軟件差異微妙而且難以琢磨，選擇時(shí)重點(diǎn)是考慮它們的性能評價(jià)指標(biāo)，主要包括調(diào)度算法、RTOS本身內(nèi)存開銷、RTOS內(nèi)存管理模式、最大中斷禁止時(shí)間和最大任務(wù)切換時(shí)間。當(dāng)然，也包括RTOS的購買成本和提供的技術(shù)支持等相關(guān)因素。針對實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用，需要重點(diǎn)考慮RTOS的最大中斷禁止時(shí)間和最大任務(wù)切換時(shí)間。這兩個(gè)參數(shù)越小越好。減小這兩個(gè)參數(shù)值，除了選用較高工作主頻的嵌入式處理器外，還和RTOS本身任務(wù)調(diào)度和中斷處理機(jī)制密切相關(guān)。 　　選擇RTOS時(shí)，通常還要考慮系統(tǒng)功能方面支持何種處理器硬件平臺(tái)，何種API，是否支持核心態(tài)用戶態(tài)、是否支持內(nèi)存管理單元MMU、可移植性、調(diào)試支持、標(biāo)準(zhǔn)支持等。如果開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，還需要考慮該RTOS是否支持TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)組件和I/O服務(wù)等。如果開發(fā)游戲和娛樂市場，要著重研究該RTOS對多媒體的支持能力。市場應(yīng)用需求的多樣性，使得RTOS本身應(yīng)該支持用戶自定制能力，根據(jù)應(yīng)用需要在微內(nèi)核的基礎(chǔ)上選用標(biāo)準(zhǔn)組件。 3 仿真器和調(diào)試器 　　調(diào)試是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程的重要環(huán)節(jié)。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試和一般PC系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試有較大差別。在一般PC機(jī)系統(tǒng)開發(fā)中，調(diào)試器和被調(diào)試程序是運(yùn)行在相同的硬件和軟件平臺(tái)上的兩個(gè)進(jìn)程，調(diào)試器進(jìn)程通過操作系統(tǒng)專門提供的調(diào)試接口控制和訪問被調(diào)試進(jìn)程。而在嵌入式系統(tǒng)中，調(diào)試器是運(yùn)行在桌面操作系統(tǒng)上的應(yīng)用程序，被調(diào)試程序是運(yùn)行在基于特定硬件平臺(tái)的操作系統(tǒng)，兩個(gè)程序間需要實(shí)時(shí)通信。 嵌入式系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，主機(jī)上運(yùn)行的集成開發(fā)調(diào)試工具（調(diào)試器）通過仿真器和目標(biāo)機(jī)相連。仿真器處理宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間所有的通信，這個(gè)通信口可以是串口、并行口或者高速以太網(wǎng)接口。仿真器通過JTAG口和目標(biāo)機(jī)相連。三者間的關(guān)系如圖1所示。 　　　　　　　　 　　嵌入式系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試方法有快速原型仿真法和實(shí)時(shí)在線調(diào)試法。快速原型仿真法用于硬件設(shè)備尚未完成時(shí)，直接在宿主機(jī)上對應(yīng)用程序運(yùn)行進(jìn)行仿真分析。在此過程中系統(tǒng)不直接和硬件打交道，由開發(fā)調(diào)試軟件內(nèi)部某一特定軟件模塊模擬硬件CPU系統(tǒng)執(zhí)行過程，并可同時(shí)將仿真異常反饋給開發(fā)者進(jìn)行錯(cuò)誤定位和修改。實(shí)時(shí)在線調(diào)試法在具體的目標(biāo)機(jī)平臺(tái)上調(diào)試應(yīng)用程序，系統(tǒng)在調(diào)試狀態(tài)下的執(zhí)行情況和實(shí)際運(yùn)行模式完全一樣，這種方式更有利于開發(fā)者實(shí)時(shí)對系統(tǒng)硬件和軟件故障進(jìn)行定位和修改，提高產(chǎn)品開發(fā)速度。 　　選用的調(diào)試器是運(yùn)行在主機(jī)上的集成開發(fā)環(huán)境，一般需要集編輯、匯編、編譯、鏈接和調(diào)試環(huán)境于一體，支持低級匯編語言、C和C++語言，基于友好的圖形用戶界面（GUI），支持用戶觀察或修改嵌入式處理器的寄存器和存儲(chǔ)器配置、數(shù)據(jù)變量的類型和數(shù)值，堆棧和寄存器的使用，支持程序斷點(diǎn)設(shè)置，單步、斷點(diǎn)或者全速運(yùn)行等特性。 　　應(yīng)用需求的多樣性導(dǎo)致市場上仿真器和調(diào)試器的提供商也較多，Windriver公司的Tornado是一個(gè)很好的開發(fā)調(diào)試工具。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般配套選擇規(guī)模較大、信譽(yù)較好公司的仿真器和調(diào)試器，雖然價(jià)格偏高，但是這些公司技術(shù)實(shí)力強(qiáng)，售后服務(wù)好，調(diào)試器和仿真器開發(fā)結(jié)合緊密。如果在開發(fā)調(diào)試過程遇到技術(shù)障礙，可以通過電話或者電子郵件方式及時(shí)獲取技術(shù)支持。如選用ARM系列的嵌入式處理器時(shí)，可以購買Multi-ICE仿真器，并附加ARM250集成開發(fā)調(diào)試環(huán)境等。 4 開發(fā)隊(duì)伍的技術(shù)水平和結(jié)構(gòu)比例 　　嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中選擇好了嵌入式處理器、RTOS、仿真器和調(diào)試器等設(shè)備外，還需要考慮開發(fā)隊(duì)伍的技術(shù)水平和結(jié)