Linux嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)選型探討

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) Linux開(kāi)發(fā)平臺(tái) 選型

??1 嵌入式系統(tǒng)與Linux

　　按照電氣工程師協(xié)會(huì)的一個(gè)定義：嵌入式系統(tǒng)是用來(lái)控制或監(jiān)視機(jī)器、裝置或工廠等的大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)備。具體說(shuō)來(lái)，它是電腦軟件和硬件的綜合體；是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，從而能夠適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用中對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)不能使用通用型計(jì)算機(jī)，而且運(yùn)行的是固化的軟件，終端用戶很難或者不可能改變固件。而Linux也早已成為IT界家喻戶曉的一個(gè)名字。概括說(shuō)來(lái)，將Linux應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)有如下一些優(yōu)點(diǎn)：

① Linux自身具備一整套工具鏈，容易自行建立嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境和交叉運(yùn)行環(huán)境，并且可以跨越在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中仿真工具(ICE)的障礙。

② 內(nèi)核的完全開(kāi)放，使得可以自己設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出真正的硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)；對(duì)于軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)，在Linux中也容易得到實(shí)現(xiàn)。

③ 強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持，使得可以利用Linux的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧將其開(kāi)發(fā)成為嵌入式的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

2 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程

　　按照嵌入式系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以分成三個(gè)階段：分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。分析階段是確定要解決的問(wèn)題及需要完成的目標(biāo)，也常常被稱為“需求階段”；設(shè)計(jì)階段主要是解決如何在給定的約束條件下完成用戶的要求；實(shí)現(xiàn)階段主要是解決如何在所選擇的硬件和軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行整個(gè)軟、硬件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)。在分析階段結(jié)束后，通常開(kāi)發(fā)者面臨的一個(gè)棘手的問(wèn)題就是硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)的選擇，因?yàn)樗暮脡闹苯佑绊懼鴮?shí)現(xiàn)階段的任務(wù)完成。

　　通常硬件和軟件的選擇包括：處理器、硬件部件、操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言、軟件開(kāi)發(fā)工具、硬件調(diào)試工具、軟件組件等。

　　在上述選擇中，通常，處理器是最重要的，同時(shí)操作系統(tǒng)和編程語(yǔ)言也是非常關(guān)鍵的。處理器的選擇往往同時(shí)會(huì)限制操作系統(tǒng)的選擇，操作系統(tǒng)的選擇又會(huì)限制開(kāi)發(fā)工具的選擇。

3 硬件平臺(tái)的選擇

3.1 處理器的選擇

　　嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過(guò)1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個(gè)系列。但與全球PC市場(chǎng)不同的是，沒(méi)有一種微處理器和微處理器公司可以主導(dǎo)嵌入式系統(tǒng)，僅以32位的CPU而言，就有100種以上嵌入式微處理器。由于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的差異性極大，因此選擇是多樣化的。

　　調(diào)查上市的CPU供應(yīng)商，有些公司如Motorola、Intel、AMD很有名氣，而有一些小的公司，如QED(Santa Clara.CA)雖然名氣很小，但也生產(chǎn)很優(yōu)秀的微處理器。另外，有一些公司，如ARM、MIPS等，只設(shè)計(jì)但并不生產(chǎn)CPU，他們把生產(chǎn)權(quán)授予世界各地的半導(dǎo)體制造商。ARM是近年來(lái)在嵌入式系統(tǒng)有影響力的微處理器制造商，ARM的設(shè)計(jì)非常適用于小的電源供電系統(tǒng)。Apple在Newton手持計(jì)算機(jī)中使用ARM，另外有幾款數(shù)字無(wú)線電話也在使用ARM。

　　設(shè)計(jì)者在選擇處理器時(shí)要考慮的主要因素有：

① 處理性能。一個(gè)處理器的性能取決于多個(gè)方面的因素，如時(shí)鐘頻率，內(nèi)部寄存器的大小，指令是否對(duì)等處理所有的寄存器等。對(duì)于許多需用處理器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，目標(biāo)不是在于挑選速度最快的處理器，而是在于選取能夠完成作業(yè)的處理器和I/O子系統(tǒng)。如果是面向高性能的應(yīng)用設(shè)計(jì)，那么建議考慮某些新的處理器，其價(jià)格相對(duì)低廉，如IBM和Motorola Power PC。

② 技術(shù)指標(biāo)。當(dāng)前，許多嵌入式處理器都集成了外圍設(shè)備的功能，減少了芯片的數(shù)量，降低了整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)費(fèi)用。開(kāi)發(fā)人員首先考慮的是，系統(tǒng)所要求的一些硬件能否無(wú)需過(guò)多的膠合邏輯(GL，Glue Logic)就可以連接到處理器上。其次是考慮該處理器的一些支持芯片，如DMA控制器，內(nèi)存管理器，中斷控制器，串行設(shè)備、時(shí)鐘等的配套。

③ 功耗。嵌入式微處理器最大并且增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)是手持設(shè)備、電子記事本、PDA、手機(jī)、GPS導(dǎo)航器、智能家電等消費(fèi)類電子產(chǎn)品。這些產(chǎn)品中選購(gòu)的微處理器，典型的特點(diǎn)是要求高性能、低功耗。許多CPU生產(chǎn)廠家已經(jīng)進(jìn)入了這個(gè)領(lǐng)域。今天，用戶可以買到一顆嵌入式的微處理器，其速度像筆記本中的Pentium一樣快；而它僅使用普通電池供電即可，并且價(jià)格很便宜。如果用于工業(yè)控制，則對(duì)這方面的考慮較弱。

④ 軟件支持工具。僅有一個(gè)處理器，沒(méi)有較好的軟件開(kāi)發(fā)工具的支持也是不行的，因此選擇合適的軟件開(kāi)發(fā)工具對(duì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)會(huì)起到很好的作用。

⑤ 是否內(nèi)置調(diào)試工具。處理器如果內(nèi)置調(diào)試工具可以大大縮小調(diào)試周期，降低調(diào)試的難度。

⑥ 供應(yīng)商是否提供評(píng)估板。許多處理器供應(yīng)商可以提供評(píng)估板來(lái)驗(yàn)證理論是否正確，決策是否得當(dāng)。

3.2 硬件部件選擇的其它因素

① 生產(chǎn)規(guī)模。打算做1套?多套?還是規(guī)模生產(chǎn)?如果生產(chǎn)規(guī)模比較大，可以自己設(shè)計(jì)和制備硬件，這樣可以降低成本。反之，最好從第三方購(gòu)買主板和I/O板卡。

② 開(kāi)發(fā)的市場(chǎng)目標(biāo)。如果想使產(chǎn)品盡快發(fā)售，以獲得競(jìng)爭(zhēng)力，此時(shí)要盡可能買成熟的硬件；反之，可以自己設(shè)計(jì)硬件，降低成本。

③ 軟件對(duì)硬件的依賴性。軟件是否可以在硬件沒(méi)有到位的時(shí)候并行設(shè)計(jì)或先行開(kāi)發(fā)。

④ 只要可能，盡量選擇使用普通的硬件。在 CPU 及架構(gòu)的選擇上，一個(gè)原則是：只要有可替代的方案，盡量不要選擇 Linux 尚不支持的硬件平臺(tái)。

4 軟件平臺(tái)的選擇

　　圖1所示的嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)流程，主要涉及到代碼編程、交叉編譯、交叉連接、下載到目標(biāo)板和調(diào)試等幾個(gè)步驟，因此軟件平臺(tái)的選擇也涉及到以下幾個(gè)方面。

4.1 操作系統(tǒng)的選擇

　　(1)操作系統(tǒng)選擇應(yīng)考慮的因素

　　硬件方案確定之后，操作系統(tǒng)的選擇就相對(duì)輕松了。硬件的不同，會(huì)影響操作系統(tǒng)的選擇。低端無(wú)MMU(Memory Management Unit，存儲(chǔ)器管理單元)的CPU，要使用uClinux 操作系統(tǒng)；而相對(duì)高端的硬件，則可以用普通的嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)。uClinux 和普通的 Linux 有各自的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。可用于嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng)很多，但關(guān)鍵是如何選擇一個(gè)適合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的操作系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)實(shí)踐，筆者認(rèn)為應(yīng)該從以下幾點(diǎn)進(jìn)行考慮：

① 操作系統(tǒng)提供的開(kāi)發(fā)工具。有些實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)只支持該系統(tǒng)供應(yīng)商的開(kāi)發(fā)工具，因此，還必須向操作系統(tǒng)供應(yīng)商獲取編譯器、調(diào)試器等；而有些操作系統(tǒng)使用廣泛，且有第三方工具可用，因此，選擇的余地比較大。

② 操作系統(tǒng)向硬件接口移植的難度。操作系統(tǒng)到硬件的移植是一個(gè)重要的問(wèn)題，是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)能否按期完工的一個(gè)關(guān)鍵因素。因此,要選擇那些可移植性程度高的操作系統(tǒng)，避免操作系統(tǒng)難以向硬件移植而帶來(lái)的種種困難，加速系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)度。

③ 操作系統(tǒng)的內(nèi)存要求。均衡考慮是否需要額外花錢去購(gòu)買RAM或EEPROM來(lái)迎合操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的較大要求。

④ 開(kāi)發(fā)人員是否熟悉此操作系統(tǒng)及其提供的API。

⑤ 操作系統(tǒng)是否提供硬件的驅(qū)動(dòng)程序，如網(wǎng)卡等。

⑥ 操作系統(tǒng)的可剪裁性。有些操作系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可剪裁性，如嵌入式Linux、Tornado/VxWorks等等。

⑦ 操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。

　　(2)幾類嵌入式Linux系統(tǒng)的比較

　　嵌入式Linux系統(tǒng)方面的產(chǎn)品主要分為三類：

　　第一類是專門為L(zhǎng)inux的嵌入式應(yīng)用而做的。如何讓Linux更小、更容易嵌入到體積要求和功能、性能要求更高的硬件中去，是他們的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方向，如MontaVista的MontaVista Linux等。第二類是專門為L(zhǎng)inux的實(shí)時(shí)特性設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。將Linux開(kāi)發(fā)成實(shí)時(shí)系統(tǒng)尤其是硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，應(yīng)用于一些關(guān)鍵的控制場(chǎng)合(不僅僅是信息電器)。如，F(xiàn)smlabs公司開(kāi)發(fā)出來(lái)的RT-Linux產(chǎn)品已經(jīng)用在工業(yè)控制的很多方面；葡萄牙的Coimbra大學(xué)已經(jīng)利用RT-Linux實(shí)現(xiàn)了化工生產(chǎn)控制廠里用來(lái)控制反應(yīng)和程序控制的系統(tǒng)。第三類的產(chǎn)品是將實(shí)時(shí)性和嵌入式方案結(jié)合起來(lái)的方案。很多公司都這么做，并且提供集成化的開(kāi)發(fā)方案，如Lineo、TimeSys等等。

　　因此選擇操作系統(tǒng)時(shí)，要根據(jù)自己的嵌入式要求和實(shí)時(shí)性要求，選擇適合自己的嵌入式Linux；同時(shí)，和選擇硬件的原則一樣，如果可能，盡量選擇使用普通的嵌入式 Linux 系統(tǒng)。

4.2 編程語(yǔ)言的選擇

　　編程語(yǔ)言的選擇主要考慮以下因素：

① 通用性。不同種類的微處理器都有自己專用的匯編語(yǔ)言。這就為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者設(shè)置了一個(gè)巨大的障礙，使得系統(tǒng)編程更加困難，軟件重用無(wú)法實(shí)現(xiàn)。而高級(jí)語(yǔ)言一般和具體機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)聯(lián)系較少，多數(shù)微處理器都有良好的支持，通用性較好。

② 可移植性程度。匯編語(yǔ)言和具體的微處理器密切相關(guān)，為某個(gè)微處理器設(shè)計(jì)的程序不能直接移植到另一個(gè)不同種類的微處理器上使用，移植性差；而高級(jí)語(yǔ)言對(duì)所有微處理器都是通用的，程序可以在不同的微處理器上運(yùn)行，可移植性較好。

③ 執(zhí)行效率。一般來(lái)說(shuō)，越是高級(jí)的語(yǔ)言，其編譯器和開(kāi)銷就越大，應(yīng)用程序也就越大、越慢；但單純依靠低級(jí)語(yǔ)言，如匯編語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，帶來(lái)的問(wèn)題是編程復(fù)雜、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。因此，存在一個(gè)開(kāi)發(fā)時(shí)間和運(yùn)行性能間的權(quán)衡問(wèn)題。

④ 可維護(hù)性。低級(jí)語(yǔ)言如匯編語(yǔ)言，可維護(hù)性不高。高級(jí)語(yǔ)言程序往往是模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊之間的接口是固定的。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以很快地將問(wèn)題定位到某個(gè)模塊內(nèi)，并盡快得到解決。另外，模塊化設(shè)計(jì)也便于系統(tǒng)功能的擴(kuò)充和升級(jí)。

　　幾種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的比較：

　　在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用的語(yǔ)言種類很多，比較廣泛應(yīng)用的高級(jí)語(yǔ)言有：Ada、C/C++、Modula-2和Java等。Ada語(yǔ)言定義嚴(yán)格，易讀易懂，有較豐富的庫(kù)程序支持，目前在國(guó)防、航空、航天等相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，未來(lái)仍將在這些領(lǐng)域占有重要地位。C語(yǔ)言具有廣泛的庫(kù)程序支持，目前在嵌入式系統(tǒng)中是應(yīng)用最廣泛的編程語(yǔ)言，在將來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域占重要地位。C++是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，目前在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也得到了廣泛的應(yīng)用，如GNU C++。Visual C++，是一種集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持可視化編程，廣泛應(yīng)用于GUI程序開(kāi)發(fā)。但C與C++相比，C++的目標(biāo)代碼往往比較龐大和復(fù)雜，在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中應(yīng)充分考慮這一因素。Modula-2定義清晰，支持豐富，具有較好的模塊化結(jié)構(gòu)，在教學(xué)科研方面有較廣泛的應(yīng)用。雖然該語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)應(yīng)用一直比較平緩，但近兩年在歐洲有所復(fù)蘇。Java語(yǔ)言相對(duì)年輕，但有很強(qiáng)的跨平臺(tái)特性，目前發(fā)展勢(shì)頭較為強(qiáng)勁。Java語(yǔ)言的“一次編程，到處可用”的特性，使得它在很多領(lǐng)域備受歡迎。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，Java及嵌入式Java的應(yīng)用也將越來(lái)越廣泛，但是Java消耗硬件資源較大。

4.3 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境考慮的因素

　　集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE(Integrated Development Environment)應(yīng)考慮以下因素：

① 系統(tǒng)調(diào)試器的功能。系統(tǒng)調(diào)試特別是遠(yuǎn)程調(diào)試是一個(gè)重要的功能。

② 支持庫(kù)函數(shù)。許多開(kāi)發(fā)系統(tǒng)提供大量使用的庫(kù)函數(shù)和模板代碼，如大家比較熟悉的C++編譯器就帶有標(biāo)準(zhǔn)的模板庫(kù)。它提供了一套用于定義各種有用的集裝、存儲(chǔ)、搜尋、排序?qū)ο?。與選擇硬件和操作系統(tǒng)的原則一樣：除非必要，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)的 glibc。

③ 編譯器開(kāi)發(fā)商是否持續(xù)升級(jí)編譯器。

④ 連接程序是否支持所有的文件格式和符號(hào)格式。

4.4 硬件調(diào)試工具的選擇

　　好的軟件調(diào)試程序可以有效地發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的錯(cuò)誤，但是如果再選擇一個(gè)好的硬件調(diào)試就會(huì)達(dá)到事半功倍的效果。常用的硬件調(diào)試工具有以下幾種：

① 實(shí)時(shí)在線仿真器(ICE，In-Circuit Emulator)。用戶從仿真插頭向ICE看，ICE應(yīng)是一個(gè)可被控制的MCU。ICE是通過(guò)一根短電纜連接到目標(biāo)系統(tǒng)上的。該電纜的一端有一個(gè)插件，插到處理器的插座上，而處理器則插到這個(gè)插件上。ICE支持常規(guī)的調(diào)試操作，如單步運(yùn)行、斷點(diǎn)、反匯編、內(nèi)存檢查、源程序級(jí)的調(diào)試等等。

② 邏輯分析儀。邏輯分析儀最常用于硬件調(diào)試，但也可用于軟件調(diào)試。它是一種無(wú)源器件，主要用于監(jiān)視系統(tǒng)總線的事件.

③ ROM仿真器。ROM仿真器用于插入目標(biāo)上的ROM插座中的器件，用于仿真ROM芯片。可以將程序下載到ROM仿真器中，然后調(diào)試目標(biāo)上的程序，就好像程序燒結(jié)在PROM中一樣，從而避免了每次修改程序后直接燒結(jié)的麻煩。

④ 在線調(diào)試OCD或在線仿真(on-chip emulator)

特別的硅基材料以及定制和CPU引腳的串行連接，在這種特殊的CPU芯片上使用OCD (On-Chip Debugging)，才能發(fā)揮出OCD的特點(diǎn)。用低端適配器就可以把OCD端口和主工作站以及前端調(diào)試軟件連接起來(lái)。從OCD的基本形式看來(lái)，它的特點(diǎn)和單一的ROM監(jiān)測(cè)器是一致的，但是不像后者那樣，需要專門的程序以及額外的通信端口。

4.5 軟件組件的選擇

　　有些軟件組件是免費(fèi)的，有些軟件組件是授權(quán)的。授權(quán)軟件組件的費(fèi)用一般都很高，但大都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試，可靠性高，調(diào)試時(shí)間短。現(xiàn)在也有一些免費(fèi)的自由軟件組件，它們的性能、可靠性也很好。因此開(kāi)發(fā)人員在選擇的時(shí)候要加以權(quán)衡，確定哪種方案更好。

5 展 望

　　國(guó)外的開(kāi)發(fā)已經(jīng)如火如荼，國(guó)內(nèi)的開(kāi)發(fā)也不甘示弱。Linux在嵌入式系統(tǒng)中具有強(qiáng)大的生命力和利用價(jià)值，很多公司和大學(xué)都不同程度地表現(xiàn)出對(duì)這個(gè)方面的興趣。有理由相信，嵌入式Linux的發(fā)展將帶領(lǐng)我們進(jìn)入嵌入式系統(tǒng)的新時(shí)代！