分析ARM嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中的問題總結(jié)

如果選擇了帶存儲(chǔ)器管理單元(MMU)的ARM處理器(如ARM920T、CortexA8等)，這種應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用、實(shí)時(shí)性、開發(fā)環(huán)境等因素，移植一個(gè)功能較強(qiáng)的操作系統(tǒng)一般情況下會(huì)比較合適，如Linux、WinCE，甚至新的Android等。這種系統(tǒng)的開發(fā)難度主要是在OS的移植以及硬件驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)上。當(dāng)這二步工作完成后，主要的軟件開發(fā)工作已和在PC機(jī)上開發(fā)沒有多大區(qū)別，可以按照一般的軟件工程方法來進(jìn)行，要注意的只是與 ARM硬件平臺(tái)相關(guān)的軟件優(yōu)化問題。

由于嵌入式系統(tǒng)硬件資源的有限性，嵌入式軟件與其他應(yīng)用軟件的主要區(qū)別，在于嵌入式軟件要有較高的效率，包括執(zhí)行速度和存儲(chǔ)空間，盡管這二者經(jīng)常是相互矛盾的。目前一般要求更多的是速度優(yōu)化。要編寫出高效的ARM程序，需要開發(fā)人員熟悉ARM的體系結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)核結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、Cache與存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)等，還要有好的程序設(shè)計(jì)思想，以及對(duì)一些常用函數(shù)、算法的深刻理解。這個(gè)過程也是ARM系統(tǒng)開發(fā)從低級(jí)到高級(jí)的進(jìn)階之路。

目前，由于應(yīng)用系統(tǒng)越來越復(fù)雜，嵌入式軟件的移植性和重用性也得到了人們的高度重視，因?yàn)樗苯佑绊懙角度胧杰浖拈_發(fā)效率和質(zhì)量。選擇一種通用的開發(fā)環(huán)境和高級(jí)編程語言，使開發(fā)的嵌入式軟件可以方便地移植到不同的硬件平臺(tái)，是實(shí)現(xiàn)軟件重用的基礎(chǔ)。目前在ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，ARM RealView、Keil以及IAR的EWARM是較好的開發(fā)平臺(tái)，C/C++語言是應(yīng)用最廣泛的編程語言，并具有廣泛的庫函數(shù)、程序支持，在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，仍將在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中占重要地位。

4 嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)

如今，嵌入式系統(tǒng)作為一個(gè)熱門領(lǐng)域，其教學(xué)問題也頗受高校的關(guān)注。教學(xué)的主要目的是培養(yǎng)社會(huì)需要的人，由于嵌入式系統(tǒng)的廣泛性、差異性，社會(huì)對(duì)從事嵌入系統(tǒng)開發(fā)人員的要求也有很大的不同，既需要從事簡(jiǎn)單8/16位單片機(jī)開發(fā)的人員，也需要從事 ARM、DSP開發(fā)的人員;既要有從事硬件、底層軟件開發(fā)的人員，也要有從事OS移植、應(yīng)用軟件開發(fā)的人員。由于整個(gè)大學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)間和課程教學(xué)時(shí)數(shù)的限制，一個(gè)人顯然不可能學(xué)習(xí)、掌握嵌入系統(tǒng)開發(fā)的各個(gè)層面。所以，各個(gè)學(xué)校首先應(yīng)根據(jù)自身情況，明確定位，確定自己培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)適應(yīng)面，然后再制定教學(xué)大綱，確定課程內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。對(duì)于高職、普通高校的電類與非電類專業(yè)、軟件學(xué)院等，都應(yīng)該有不同的選擇，而不是人云亦云，一哄而上。

就目前的發(fā)展看，由于ARM等32位處理器應(yīng)用漸成主流，開發(fā)工具已較完善、成熟，對(duì)于普通高校計(jì)算機(jī)學(xué)科的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)，筆者認(rèn)為可以定位在以32位嵌入式系統(tǒng)開發(fā)為主，重點(diǎn)是嵌入式系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)、嵌入式OS的知識(shí)，以及嵌入式軟件設(shè)計(jì)(包括優(yōu)化)。課程主體內(nèi)容基本與硬件平臺(tái)(處理器型號(hào))無關(guān)，實(shí)驗(yàn)可以采用基于ARM核的不同廠家處理器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。主要考慮以下幾點(diǎn)：

①在32位嵌入式系統(tǒng)開發(fā)上，軟件開發(fā)人員的需求比硬件開發(fā)人員要多得多(盡管目前硬件開發(fā)人員較難找，但這應(yīng)該是電子等專業(yè)培養(yǎng)的)。一般在一個(gè)從事嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的公司中，軟硬件人員的比例不會(huì)小于10：1。由于學(xué)習(xí)時(shí)間有限，教學(xué)重點(diǎn)應(yīng)該偏軟件。

②現(xiàn)代社會(huì)強(qiáng)調(diào)分工、合作，以求得整體利益的最大化。對(duì)個(gè)人的要求首先是專才，能把局部工作做精、做好。通才是需要的，但數(shù)量會(huì)比專才少得多，而且通才是練出來的，不是教出來的。今后的大學(xué)是大眾教育，教學(xué)只能面向大眾需求。在相關(guān)專業(yè)的研究生階段，對(duì)一些有基礎(chǔ)、有興趣的學(xué)生，可以進(jìn)行一些系統(tǒng)級(jí)硬件、底層軟件的開發(fā)實(shí)踐，同時(shí)也可滿足社會(huì)對(duì)高層次嵌入式人才的需要。

③以此為主，可以再開設(shè)2門選修課。向下為“單片機(jī)原理與應(yīng)用”，此課程以實(shí)踐為主，讓有興趣的學(xué)生可以自己設(shè)計(jì)、制作一些單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，同時(shí)也鍛煉了硬件動(dòng)手能力。向上為“數(shù)字信號(hào)處理(DSP)”，讓那些數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較好、對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)處理有興趣的學(xué)生有用武之地(現(xiàn)在這樣的學(xué)生很難得)。

另外，由于應(yīng)用日趨復(fù)雜，而教學(xué)時(shí)間有限，一個(gè)本科生在校期間不可能深入學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的很多細(xì)節(jié)，嵌入式教學(xué)應(yīng)采用自上而下的教學(xué)方法。一開始不必花很多時(shí)間講解處理器內(nèi)核架構(gòu)/指令系統(tǒng)，只要知道各種內(nèi)核的基本特點(diǎn)即可，重點(diǎn)學(xué)習(xí)、掌握處理器、外設(shè)的編程結(jié)構(gòu)(即編程者角度看到的編程模型結(jié)構(gòu)，非具體物理實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu))。真實(shí)的應(yīng)用、研究設(shè)計(jì)都是從粗粒度向細(xì)粒度進(jìn)階的，是一個(gè)自頂向下的過程，首先要重視的是系統(tǒng)架構(gòu)和各個(gè)抽象層。1000行的C程序，編譯后生成的目標(biāo)代碼只有10 KB左右，試想現(xiàn)在的MCU Flash動(dòng)輒幾百KB，為什么?一個(gè)目標(biāo)代碼幾百KB的C程序，一般不是完全由個(gè)人寫出來的，而都會(huì)使用一些第三方的庫函數(shù)、中間件等。硬件也一樣，現(xiàn)在很多硬件系統(tǒng)都會(huì)使用一些模塊(Module)，盡管這些模塊看上去還是一個(gè)芯片，但實(shí)際上已經(jīng)是一個(gè)SiP模塊，如WiFi模塊。所以，在了解基本嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本科階段要更多地學(xué)習(xí)各種系統(tǒng)、模塊、外設(shè)、協(xié)議、庫函數(shù)的“邊界(InteRFace)”，能夠搭建一個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)(How to do)，今后在工作、或研究生階段進(jìn)一步去做好一個(gè)系統(tǒng)(How to do better)。

5結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)作為一種特殊的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，在任何時(shí)期都有相對(duì)的高、中、低端應(yīng)用，即使在今后，沒有OS支持的4位或8位單片機(jī)的嵌入式應(yīng)用仍有大量需求，但趨勢(shì)是系統(tǒng)化、復(fù)雜化。這既是嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)--廣泛性、差異性和不可壟斷性，也是廣大嵌入系統(tǒng)研發(fā)人員的生存與發(fā)展空間。ARM處理器在便攜、手持式設(shè)備以及工業(yè)控制等應(yīng)用領(lǐng)域，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)是一個(gè)很好的選擇。當(dāng)然，沒有一種型號(hào)的處理器是可以覆蓋所有應(yīng)用的，也不是搬上一個(gè)嵌入式OS，就可以很好地解決軟件問題的。深入了解各種器件特性，選擇最合適的處理器、外圍器件、操作系統(tǒng)和軟件庫，盡可能地優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)，最貼切地滿足應(yīng)用需求，以獲得最好的系統(tǒng)性價(jià)比，是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的精髓。