嵌入式系統(tǒng)及如何開發(fā)自己的嵌入式系統(tǒng)

多數(shù)Linux系統(tǒng)是在PC平臺上運行，然而Linux作為嵌入式系統(tǒng)也是非常穩(wěn)定的。本文描繪了一個嵌入式系統(tǒng)的概覽，并展示嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品是如何使用Linux的。

    嵌入式系統(tǒng)比摩西還老的故事

    電腦用于控制設(shè)備或嵌入系統(tǒng)的歷史幾乎電腦自身的歷史一樣長。在通訊領(lǐng)域，六十年代晚期，電腦被用于電子電話交換機，稱為“存儲程序控制”系統(tǒng)?！半娔X”這詞那時并不普遍，存儲程序指內(nèi)存裝有程序和例程信息。存儲控制邏輯，而不是將其固化在硬件中，在當(dāng)時確實是突破性的。今天，我們認為它本來就應(yīng)如此。

    那時的電腦是為每一個應(yīng)用而定制的，按今天的標準，它們是一些不正常的、由奇怪的特殊指令和I／O設(shè)備集成在一部電腦中。

    微處理器通過提供構(gòu)建大系統(tǒng)模塊的小型、低成本、CPU引擎改變了這一切。它提出了外設(shè)通過總線聯(lián)接的固定硬件架構(gòu)及稱為編程的一般編程模型。

    軟件也隨著硬件提出。最初，編寫和測試軟件只有簡單的編程開發(fā)工具。每個項目實際運行的軟件通常來自于草稿的修改。編程常用匯編語言或宏語言，因為編譯器常常有缺陷和缺乏完善的調(diào)試工具。軟件構(gòu)建模塊和標準化庫只是到了七十年代才流行起來的概念。

    嵌入式系統(tǒng)的商品化操作系統(tǒng)在1970年代后期才出現(xiàn)，許多是用匯編語言寫成的,并且只能用于特定的微處理器，當(dāng)微處理器被淘汰時，它的操作系統(tǒng)除非為新處理器重寫，否則也要被淘汰。今天，許多這類早期的系統(tǒng)成了些模糊的記憶；還有誰記得MTOS嗎？當(dāng)C語言出現(xiàn)時，操作系統(tǒng)編寫的效率、穩(wěn)定性、可移植性都提高了很多。這一點在管理上立刻表現(xiàn)出來，它為微處理器被淘汰時保護軟件投資帶來了希望。對于市場來說這是一個好消息。用C語言寫成的操作系統(tǒng)今天越來越普遍。一般來說，可重復(fù)使用的軟件已經(jīng)占主導(dǎo)并越做越好。

    在八十年代早期，我最喜歡的操作系統(tǒng)是Wendon操作系統(tǒng)，大約150美元就可以得到一個C源碼庫。它是一個包，你可以通過選擇部件建立自己的操作系統(tǒng)，類似在菜單上點菜。例如，你可以在庫清單上點工作排程安排和內(nèi)存管理方案。 很多嵌入式系統(tǒng)的商品化操作系統(tǒng)是在八十年代出現(xiàn)的。這一熱潮持續(xù)到現(xiàn)在，今天，有很多可行的商品化操作系統(tǒng)可供選擇。一些大佬出現(xiàn)了，如VxWorks, pSOS, Neculeus和Windows CE.

    許多嵌入式系統(tǒng)根本沒有操作系統(tǒng)，只有循環(huán)控制。對于一些簡單設(shè)備這是足夠的，但是隨著系統(tǒng)越來越復(fù)雜，操作系統(tǒng)就很必要了或軟件變得不可思議的復(fù)雜。不幸的是，有些復(fù)雜得可怕的嵌入式系統(tǒng)只因為設(shè)計者堅持不要操作系統(tǒng)才那么復(fù)雜。

    漸漸地，更多嵌入式系統(tǒng)需要與各類網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，因此需要網(wǎng)絡(luò)功能。即便是酒店的門把手也嵌入了微處理器與網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)。 對于僅僅是編碼控制循環(huán)的嵌入式系統(tǒng)，增加網(wǎng)絡(luò)功能將導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜程度提高以致要求操作系統(tǒng)。

    除了商品化操作系統(tǒng)，還有大量專用操作系統(tǒng)。其中大部分來自于草案，如CISCO的IOS；還有是從其他操作系統(tǒng)中派生出來的。例如，許多操作系統(tǒng)是從同一版本的Berkeley   Unix系統(tǒng)派生，因為它有完整的網(wǎng)絡(luò)功能。其他是基于主要操作系統(tǒng)的如KA9Q來自Phil Karn。

    Linux作為嵌入式系統(tǒng)是一個帶有很多優(yōu)勢的新成員。它對許多CPU和硬件平臺都是可移植的、穩(wěn)定、功能強大、易于開發(fā)。

工具包突破ICE的障礙

    開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵的是可用的工具包。像任何工作一樣，好的工具使得工作更快更好。開發(fā)的不同階段需要不同的工具。

    傳統(tǒng)上，首先用于開發(fā)嵌入式系統(tǒng)工具是內(nèi)部電路仿真器（ICE），它是一個相對昂貴的部件，用于植入微處理器與總線之間的電路中，允許使用者監(jiān)視和控制微處理器所有信號的進出。這有點難做，因為它是異體，可能會引起不穩(wěn)定。但是它提供了總線工作的清晰狀況，免了許多對硬件軟件底層工作狀況的猜測。

    過去，一些工作依賴ICE為主要調(diào)試工具，用于整個開發(fā)過程。但是，一旦初始化軟件對串口支持良好的話，多數(shù)的調(diào)試可以不用ICE而用其他方法進行。較新的嵌入式系統(tǒng)利用非常清晰的微處理器設(shè)計。有時，相應(yīng)工作初始碼已經(jīng)有了能夠快速獲得串口工作。這意味著沒有ICE人們也能夠方便地工作。省去ICE降低了開發(fā)的成本。一旦串口開始工作，它可以支持各種專業(yè)開發(fā)工具。

    Linux是基于GNU的C編譯器，作為GNU工具鏈的一部分，與gdb源調(diào)試器一起工作。它提供了開發(fā)嵌入式Linux系統(tǒng)的所有軟件工具。這有些典型的、用于在新硬件上開發(fā)嵌入式Linux系統(tǒng)的調(diào)試工具。{{分頁}}

1. 寫入或植入引導(dǎo)碼

2. 向串口打印字符串的編碼，如“Hello World”（事實上我更喜歡“Watson，Come hre I need you”，電話上常用的第一個詞。）

3. 將gdb目標碼植入工作串口，這可與另一臺運行g(shù)db程序的Linux主機系統(tǒng)對話。只要簡單地告訴gdb通過串口調(diào)試程序。它通過串口與測試機的gdb目標碼對話，你可以進行C源代碼調(diào)試，也可以用這個功能將更多的碼載入RAM或Flash Memory中。

4. 利用gdb讓硬件和軟件初始化碼在Linux內(nèi)核啟動時工作。

5. 一旦Linux內(nèi)核啟動，串口成為Linux控制口并可用于后續(xù)開發(fā)。利用kgdb，內(nèi)核調(diào)試版的gdb，這步常常不作要求，如果你與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，如10BaseT,下一步你可能要啟動它。

6. 如果在你的目標硬件上運行了完整的Linux內(nèi)核，你可以調(diào)試你的應(yīng)用進程。利用其他的gdb或覆蓋gdb的圖形如xgdb。

什么是實時系統(tǒng)？

    嵌入式系統(tǒng)常常被錯誤地分為實時系統(tǒng)，盡管多數(shù)系統(tǒng)一般并不要求實時功能。實時是一個相對的詞，純化論者常常嚴格地定義實時為對一事件以預(yù)定的方式在極短的時間如微秒作出響應(yīng)漸漸地，在如此短暫時間間隔內(nèi)的嚴格實時功能在專用DSP芯片或ASIC上實現(xiàn)了。只有在設(shè)計低層硬件FIFO、分散／聚集DMA引擎和定制硬件時才會有這樣的要求。

    許多設(shè)計人員因為對真實的要求設(shè)有清晰的理解而對實時的要求焦慮不安。對于大多數(shù)的系統(tǒng)，在一至五微秒的近似實時響應(yīng)已經(jīng)足夠。同樣軟需求也是可以接受的。如 Windows 98 已經(jīng)崩潰的中斷必須在4毫秒內(nèi)（