關(guān)于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的小技巧

嵌入式系統(tǒng)是一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應用而設計的專用計算機系統(tǒng)”，根據(jù)英國電氣工程師協(xié)會( U.K. Institution of Electrical Engineer)的定義，嵌入式系統(tǒng)為控制、監(jiān)視或輔助設備、機器或用于工廠運作的設備。與個人計算機這樣的通用計算機系統(tǒng)不同，嵌入式系統(tǒng)通常執(zhí)行的是帶有特定要求的預先定義的任務。由于嵌入式系統(tǒng)只針對一項特殊的任務，設計人員能夠?qū)λM行優(yōu)化，減小尺寸降低成本。嵌入式系統(tǒng)通常進行大量生產(chǎn)，所以單個的成本節(jié)約，能夠隨著產(chǎn)量進行成百上千的放大。

嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用 戶的應用程序等四個部分組成，用于實現(xiàn)對其他設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。

嵌入式系統(tǒng)的設計技術(shù)主要包括硬件設計技術(shù)和軟件設計技術(shù)兩大類。其中，硬件設計領(lǐng)域的技術(shù)主要包括芯片級設計技術(shù)和電路板級設計技術(shù)兩個方面。

芯片級設計技術(shù)的核心是編譯/綜合、庫/IP、測試/驗證。編譯/綜合技術(shù)使設計者用抽象的方式描述所需的功能，并自動分析和插入實現(xiàn)細節(jié)。庫/IP技術(shù)將預先設計好的低抽象級實現(xiàn)用于高級。測試/驗證技術(shù)確保每級功能正確，減少各級之間反復設計的成本。

下面我們先來介紹一些基本的開發(fā)流程.

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程

第一步：建立開發(fā)環(huán)境

操作系統(tǒng)一般使用Redhat Linux，選擇定制安裝或全部安裝，通過網(wǎng)絡下載相應的GCC交叉編譯器進行安裝(比如，arm-linux-gcc、arm-uclibc-gcc)，或者安裝產(chǎn)品廠家提供的相關(guān)交叉編譯器;

第二步：配置開發(fā)主機

配置MINICOM，一般的參數(shù)為波特率115200 Baud/s，數(shù)據(jù)位8位，停止位為1，9，無奇偶校驗，軟件硬件流控設為無。在Windows下的超級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)絡主要是配置NFS網(wǎng)絡文件系統(tǒng)，需要關(guān)閉防火墻，簡化嵌入式網(wǎng)絡調(diào)試環(huán)境設置過程。

第三步：建立引導裝載程序BOOTLOADER

從網(wǎng)絡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)具體芯片進行移植修改。有些芯片沒有內(nèi)置引導裝載程序，比如，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，可以在網(wǎng)上下載相應的燒寫程序，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)自己的具體電路進行源代碼修改。這是讓系統(tǒng)可以正常運行的第一步。如果用戶購買了廠家的仿真器比較容易燒寫FLASH，雖然無法了解其中的核心技術(shù)，但對于需要迅速開發(fā)自己的應用的人來說可以極大提高開發(fā)速度。

第四步：下載已經(jīng)移植好的Linux操作系統(tǒng)

如MCLiunx、ARM-Linux、PPC-Linux等，如果有專門針對所使用的CPU移植好的Linux操作系統(tǒng)那是再好不過，下載后再添加特定硬件的驅(qū)動程序，然后進行調(diào)試修改，對于帶MMU的CPU可以使用模塊方式調(diào)試驅(qū)動，而對于MCLiunx這樣的系統(tǒng)只能編譯內(nèi)核進行調(diào)試。

第五步：建立根文件系統(tǒng)

下載使用BUSYBOX軟件進行功能裁減，產(chǎn)生一個最基本的根文件系統(tǒng)，再根據(jù)自己的應用需要添加其他的程序。由于默認的啟動腳本一般都不會符合應用的需要，所以就要修改根文件系統(tǒng)中的啟動腳本，它的存放位置位于/etc目錄下，包括：/etc/init.d/rc.S、/etc/profile、/etc/.profile等，自動掛裝文件系統(tǒng)的配置文件/etc/fstab，具體情況會隨系統(tǒng)不同而不同。根文件系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)中一般設為只讀，需要使用mkcramfs genromfs等工具產(chǎn)生燒寫映像文件。

第六步：建立應用程序的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，有的系統(tǒng)使用一個線性FLASH(NOR型)512KB～32MB，有的系統(tǒng)使用非線性FLASH(NAND型)8MB～512MB，有的兩個同時使用，需要根據(jù)應用規(guī)劃FLASH的分區(qū)方案。

第七步：開發(fā)應用程序

可以放入根文件系統(tǒng)中，也可以放入YAFFS、JFFS2文件系統(tǒng)中，有的應用不使用根文件系統(tǒng)，直接將應用程序和內(nèi)核設計在一起，這有點類似于μC/OS-II的方式。

第八步：燒寫內(nèi)核

根文件系統(tǒng)和應用程序，發(fā)布產(chǎn)品。

提升可靠性的七大技巧

從規(guī)范完善的開發(fā)周期到嚴格執(zhí)行和系統(tǒng)檢查，開發(fā)高可靠性嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)有許多種。本文介紹了7個易操作且可以長久使用的技巧，它們對于確保系統(tǒng)更加可靠地運行并捕獲異常行為大有幫助。

技巧1——用已知值填充ROM

軟件開發(fā)人員往往都是非常樂觀的一群人，只要讓他們的代碼忠實地長時間地運行就可以了，僅此而已。微控制器跳出應用程序空間并在非預想的代碼空間中執(zhí)行這種情況似乎是相當少有的。然而，這種情況發(fā)生的機會并不比緩存溢出或錯誤指針失去引用少。它確實會發(fā)生!發(fā)生這種情況后的系統(tǒng)行為將是不確定的，因為默認情況下內(nèi)存空間都是0xFF，或者由于內(nèi)存區(qū)通常沒有寫過，其中的值可能只有上帝才知道。

不過有相當完備的linker或IDE技巧可以用來幫助識別這樣的事件并從中恢復系統(tǒng)。技巧就是使用FILL命令對未用ROM填充已知的位模式。要填充未使用的內(nèi)存，有很多不同的可能組合可以使用，但如果是想建立更加可靠的系統(tǒng)，最明顯的選擇是在這些位置放置ISR fault handler。如果系統(tǒng)出了某些差錯，處理器開始執(zhí)行程序空間以外的代碼，就會觸發(fā)ISR，并在決定校正行動之前提供儲存處理器、寄存器和系統(tǒng)狀態(tài)的機會。

技巧2——檢查應用程序的CRC

對嵌入式工程師來說一個很大的好處是，我們的IDE和工具鏈可以自動產(chǎn)生應用程序或內(nèi)存空間校驗和(Checksum)，從而根據(jù)這個校驗和驗證應用程序是否完好。有趣的是，在許多這些案例中，只有在將程序代碼加載到設備時，才會用到校驗和。

然而，如果CRC或校驗和保持在內(nèi)存中，那么驗證應用程序在啟動時(或甚至對長時間運行的系統(tǒng)定期驗證)是否仍然完好是確保意外之事不會發(fā)生的極好途徑?，F(xiàn)在一個編程過的應用程序發(fā)生改變的概率是很小的，但考慮每年交付的數(shù)十億個微控制器以及可能惡劣的工作環(huán)境，應用程序崩潰的機會并不是零。更有可能的是，系統(tǒng)中的一個缺陷可能導致某一扇區(qū)發(fā)生閃存寫入或閃存擦除，從而破壞應用程序的完整性。

技巧3——在啟動時執(zhí)行RAM檢查

為了建立一個更加可靠和扎實的系統(tǒng)，確保系統(tǒng)硬件正常工作非常重要。畢竟硬件會發(fā)生故障。(幸運的是軟件永遠不會發(fā)生故障，軟件只會做代碼要它做的事，不管是正確的還是錯誤的)。在啟動時驗證RAM的內(nèi)部或外部沒有問題，是確保硬件可以如預期般運作的一個好方法。

有許多不同的方法可用于執(zhí)行RAM檢查，但常用的方法是寫入一個已知的模式，然后等上一小段時間再回讀。結(jié)果應該是所讀就是所寫。真相是，在大多數(shù)情況下RAM檢查是通過的，這也是我們想要的結(jié)果。但也有極小的可能性檢查不通過，這時就為系統(tǒng)標示出硬件問題提供了極好的機會。

技巧4——使用堆棧監(jiān)視器

對許多的嵌入式開發(fā)者而言，堆棧似乎是一股相當神秘的力量。當奇怪的事情開始發(fā)生，工程師終于被難倒了，他們開始思考，也許堆棧中發(fā)生了什么事。結(jié)果是盲目地調(diào)整堆棧的大小和位置等等。但該錯誤往往是與堆棧無關(guān)的，但怎能如此確定?畢竟，有多少工程師真的實際執(zhí)行過最壞情況下的堆棧大小分析?

堆棧大小是在編譯時就靜態(tài)分配好的，但堆棧是以動態(tài)的方式使用的。隨著代碼的執(zhí)行，應用程序需要的變量、返回的地址和其它信息被不斷存儲在堆棧中。這種機制導致堆棧在其分配的內(nèi)存中不斷增長。然而，這種增長有時會超出編譯時確定的容量極限，導致堆棧破壞相鄰內(nèi)存區(qū)域的數(shù)據(jù)。

絕對確保堆棧正常工作的一種方法是實現(xiàn)堆棧監(jiān)視器，將它作為系統(tǒng)“保健”代碼的一部分(有多少工程師會這樣做?)。堆棧監(jiān)視器會在堆棧和“其它”內(nèi)存區(qū)域之間創(chuàng)建一個緩沖區(qū)域，并填充已知的位模式。然后監(jiān)視器會不斷的監(jiān)視圖案是否有任何變化。如果該位模式發(fā)生了改變，那就意味著堆棧增長得太大了，即將要把系統(tǒng)推向黑暗地獄!此時監(jiān)視器可以記錄事件的發(fā)生、系統(tǒng)狀態(tài)以及任何其它有用的數(shù)據(jù)，供日后用于問題的診斷。

大多數(shù)實時操作系統(tǒng)(RTOS)或?qū)崿F(xiàn)了內(nèi)存保護單元(MPU)的微控制器系統(tǒng)中都提供有堆棧監(jiān)視器?？膳碌氖?，這些功能默認都是關(guān)閉狀態(tài)，或者經(jīng)常被開發(fā)人員有意關(guān)閉。在網(wǎng)絡上快速搜尋一下可以發(fā)現(xiàn)，很多人建議關(guān)閉實時操作系統(tǒng)中的堆棧監(jiān)視器以節(jié)省56字節(jié)的閃存空間。等等，這可是得不償失的做法!

技巧5 - 使用MPU

在過去，是很難在一個小而廉價的微控制器中找到內(nèi)存保護單元(MPU)的，但這種情況已經(jīng)開始改變?，F(xiàn)在從高端到低端的微控制器都已經(jīng)有MPU，而這些MPU為嵌入式軟件開發(fā)人員提供了一個可以大幅提高其固件(firmware)魯棒性(robustness)的機會。

MPU 已逐漸與操作系統(tǒng)耦合，以便建立內(nèi)存空間，其中的處理都分開，或任務可執(zhí)行其代碼，而不用擔心被stomped on。倘若真有事情發(fā)生，不受控制的處理會被取消，也會執(zhí)行其他的保護措施。請留意帶有這種組件的微控制器，如果有，請多加利用它的這種特性。

技巧6 - 建立一個強大的看門狗系統(tǒng)

你經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)的一種總是最受喜愛的看門狗(watchdog)實現(xiàn)是，在看門狗被啟用之處(這是一個很好的開始)，但也是可以用周期性定時器將該看門狗清零之處;定時器的啟用是完全與程序中出現(xiàn)的任何情況隔離的。使用看門狗的目的是協(xié)助確保如果出現(xiàn)錯誤，看門狗不會被清零，即當工作暫停，系統(tǒng)會被迫去執(zhí)行硬件重設定(hardware reset)，以便恢復。使用與系統(tǒng)活動獨立的定時器可以讓看門狗保持清零，即使系統(tǒng)已失效。

對應用任務如何整合到看門狗系統(tǒng)中，嵌入式開發(fā)人員需要仔細考慮和設計。例如，有種技術(shù)可能可以讓每個在一定時期內(nèi)運行的任務標示它們可以成功地完成其任 務。在此事件中，看門狗不被清零，強制被復位。還有一些比較先進的技術(shù)，像是使用外部看門狗處理器，它可用來監(jiān)視主處理器如何表現(xiàn)，反之亦然。

對一個可靠的系統(tǒng)而言，建立一個強大的看門狗系統(tǒng)是很重要的。由于有太多的技術(shù)，難以在這幾個段落中完全涵蓋，但針對此一議題，筆者未來還會發(fā)表相關(guān)的文章。

技巧7 - 避免易失存儲器分配

不習慣在資源有限環(huán)境下工作的工程師，可能會試圖使用其編程語言的特性，這種語言讓他們可以使用易失存儲器分配。畢竟，這是一種常在計算器系統(tǒng)中使用的技術(shù)，在計算器系統(tǒng)中，只有在有必要時，內(nèi)存才會被分配。例如，以C開發(fā)時，工程師可能傾向于使用malloc來分配在堆(heap)上的空間。有一個操 作會執(zhí)行，一旦完成，可以使用free將被分配的內(nèi)存返回，以便堆的使用。

在資源受限的系統(tǒng)，這可 能是一場災難!使用易失存儲器分配的其中一個問題是，錯誤或不當?shù)募夹g(shù)可能會導致內(nèi)存泄漏或內(nèi)存碎片。如果出現(xiàn)這些問題時，大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)并沒有 資源或知識來監(jiān)視堆或妥善地處理它。而當它們發(fā)生時，如果應用程序提出對空間的要求，但卻沒有所請求的空間可以使用，會發(fā)生什么事呢?

使用易失存儲器分配所產(chǎn)生的問題是很復雜的，要妥善處理這些問題，可以說是一個噩夢!一種替代的方法是，直接以靜態(tài)的方式，簡化內(nèi)存的分配。例如，只要在 程序中簡單地建立一個大小為256字節(jié)長的緩沖區(qū)，而不是經(jīng)由malloc請求這樣大小的內(nèi)存緩沖區(qū)。此一分配的內(nèi)存可在整個應用程序的生命周期期 間保持，且不會有堆或內(nèi)存碎片問題方面的顧慮。

嵌入式軟件可靠性設計注意的問題

嵌入式軟件的最大特點是以控制為主，軟硬結(jié)合的較多，功能性的操作較多，模塊相互間調(diào)用的較多，外部工作環(huán)境復雜容易受到干擾或干擾別的設備，且執(zhí)行錯誤的后果不僅僅是數(shù)據(jù)錯誤而是有可能導致不可估量的災難，所以總結(jié)起來，嵌入式軟件可靠性設計需注意的問題有四個方面：

1、軟件接口

2、軟硬件接口

3、軟件代碼

4、數(shù)據(jù)、變量

結(jié)論

這些都只是一些可以讓開發(fā)人員開始建立更可靠嵌入式系統(tǒng)的方法。另外還有很多其他技術(shù)，例如利用良好的編碼標準、位翻轉(zhuǎn)的監(jiān)測、執(zhí)行數(shù)組和指針邊界檢查，及使用斷言等。所有這些技術(shù)都是讓設計者可以開發(fā)出可靠性更高嵌入式系統(tǒng)的秘訣。