為嵌入式軟件建立統(tǒng)一軟件系統(tǒng)框架的方法

摘  要： 本文分析了嵌入式系統(tǒng)軟件的特點(diǎn)和開發(fā)設(shè)計(jì)的瓶頸，提出建立統(tǒng)一的嵌入式軟件系統(tǒng)框架來解決嵌入式系統(tǒng)軟件的開發(fā)。
關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)；嵌入式軟件；軟件系統(tǒng)框架；操作系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)硬件與軟件發(fā)展的不平衡
嵌入式系統(tǒng)是整合了計(jì)算機(jī)硬件和軟件的集合體，它是通過可編程器件的計(jì)算和控制能力完成特定功能的系統(tǒng)。越來越多的嵌入式系統(tǒng)要求有連接網(wǎng)絡(luò)、多媒體信息處理和無線移動(dòng)通信的能力。然而，飛速發(fā)展不斷有突破的嵌入式系統(tǒng)硬件技術(shù)與相對(duì)發(fā)展較慢的軟件技術(shù)形成明顯對(duì)比。
認(rèn)為摩爾定律很快會(huì)遭遇物理極限的預(yù)測(cè)不斷被突破，半導(dǎo)體工藝正在向納米級(jí)進(jìn)軍，使計(jì)算器件集成度更高、速度更快、體積更小、功耗更低。隨著系統(tǒng)芯片(SoC)技術(shù)的發(fā)展和成熟，越來越多的嵌入式系統(tǒng)將采用硅知識(shí)產(chǎn)權(quán)(SIP)，利用ASIC或半定制器件(FPGA/CPLD)技術(shù)把CPU核和外圍器件整合到一個(gè)芯片中。這將極大的提升硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性、可靠性，以及提高硬件開發(fā)的速度和降低系統(tǒng)的成本。
硬件技術(shù)的飛速發(fā)展和體系結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)對(duì)嵌入式系統(tǒng)軟件工程師而言,似乎并未產(chǎn)生很大影響，他們?nèi)匀谎赜脗鹘y(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法和調(diào)試方法。近幾年，隨著硬件復(fù)雜性的增加和對(duì)系統(tǒng)功能和性能需求的大幅度提高，特別是要求系統(tǒng)具有靈活方便的網(wǎng)絡(luò)連接、輕巧節(jié)電的無線移動(dòng)和功能強(qiáng)大的多媒體信息處理等能力，使軟件開發(fā)工作量急劇增長(zhǎng)，甚至可以占到全部工作的70~80%以上。這樣的系統(tǒng)不再是單槍匹馬可以完成的，需要集合一個(gè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)協(xié)同工作才能完成。嵌入式系統(tǒng)軟件的開發(fā)，越來越成為制約嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的瓶頸。

嵌入式系統(tǒng)軟件的特點(diǎn)
及其開發(fā)途徑
嵌入式系統(tǒng)軟件從簡(jiǎn)單到復(fù)雜可以千差萬別，天地懸殊。雖然它們結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是不同系統(tǒng)對(duì)不同的性能往往有特定的要求，有的要求非常苛刻和嚴(yán)格。對(duì)簡(jiǎn)單系統(tǒng)可以用傳統(tǒng)方法，從底層用匯編語言編寫程序，利用在線仿真器(ICE)、在線調(diào)試器(ICD)等開發(fā)工具進(jìn)行調(diào)試軟件。但是對(duì)那些復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，特別是有多個(gè)控制環(huán)路、并需要在優(yōu)化級(jí)可控的情況下能預(yù)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，不利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，是很難或者幾乎不可能達(dá)到預(yù)定要求的。
利用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)開發(fā)嵌入式系統(tǒng)軟件，往往需要針對(duì)不同的硬件編寫實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核移植代碼。通過編譯、鏈接、定址將操作系統(tǒng)映像固化到(EP)ROM或者Flash(閃存)中。
對(duì)于大的開發(fā)項(xiàng)目，可以購(gòu)買商業(yè)化的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)套件，甚至將軟件開發(fā)外包給一些專業(yè)的嵌入式軟件開發(fā)商，但是這需要投入少則幾萬，多則上百萬元人民幣購(gòu)買軟件，有些還需要對(duì)開發(fā)出來的每一件產(chǎn)品再繳納相應(yīng)的授權(quán)使用費(fèi)。對(duì)于更多大量的小項(xiàng)目而言，顯然不能走這條路，使用源代碼開放的嵌入式操作系統(tǒng)才是合適的選擇。

軟件編程接口規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化
硬件器件與軟件模塊相比，具有很高的可置換性，這是因?yàn)橛布骷墓δ芴匦?、電氣特性、機(jī)械特性等都有明確的定義，這種組件單元標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)是硬件技術(shù)的發(fā)展始終快于軟件發(fā)展的原因。在軟件技術(shù)方面，中間件和面向?qū)ο蠹夹g(shù)在一定程度上正是類比硬件而發(fā)展起來的，然而還遠(yuǎn)未成熟，至今在嵌入式系統(tǒng)軟件的開發(fā)中還沒有能真正地使用起來。
在傳統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件開發(fā)時(shí)代，代碼的可重用性極差，系統(tǒng)的開發(fā)極大程度地依賴于軟件編程人員的編程技巧。這是因?yàn)檐浖_發(fā)的靈活性造成的。只要正確的使用編程語言和軟件開發(fā)工具，不同的軟件設(shè)計(jì)人員對(duì)于同一種需求會(huì)開發(fā)出不同的軟件。正是這種靈活性，導(dǎo)致了很多的軟件不具有移植性。
軟件要具有優(yōu)良的體系結(jié)構(gòu)和良好的移植性，必須將開發(fā)的操作系統(tǒng)納入一個(gè)嚴(yán)格定義的框架。至少需要考慮以下幾個(gè)方面：
高級(jí)語言和將匯編語言模塊化—為了使系統(tǒng)具有高的可移植性，盡量使用C或者Embedded C++來開發(fā)系統(tǒng)軟件。
模塊化——將系統(tǒng)功能分成模塊。模塊設(shè)定的合理方法是：根據(jù)硬件能力，自下而上的綜合。
提供標(biāo)準(zhǔn)接口—提供了POSIX 1003.1規(guī)范的操作系統(tǒng)就具有了UNIX系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)接口。Linux和QNX就是實(shí)現(xiàn)了POSIX規(guī)范的操作系統(tǒng)。符合軟件應(yīng)用編程接口(API)規(guī)范，就可以比較容易地移植UNIX系統(tǒng)的應(yīng)用軟件。
嚴(yán)格的體系結(jié)構(gòu)層次——按層次劃分，依次是應(yīng)用軟件→操作系統(tǒng)→功能級(jí)抽象→寄存器級(jí)抽象→硬件。其中，寄存器級(jí)抽象層(rHAL)直接與硬件相關(guān)，它封裝微控制器和外圍設(shè)備的寄存器接口及其行為。一般而言，它需要定義完整的寄存器序列名稱。功能抽象層(fHAL)封裝硬件的功能行為，通常把其定義成若干可以執(zhí)行命令的函數(shù)。

軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
運(yùn)行于特定硬件平臺(tái)的操作系統(tǒng)是系統(tǒng)資源的管理者，作為軟件的操作系統(tǒng)也是系統(tǒng)資源的使用者。操作系統(tǒng)內(nèi)核是一個(gè)自治的軟件環(huán)境，不依賴于任何其他的軟件模塊。內(nèi)核通常提供進(jìn)程調(diào)度(SCHED)、內(nèi)存管理(MM)、文件系統(tǒng)(FS)、進(jìn)程間調(diào)用(IPC)和網(wǎng)絡(luò)(NET)等功能模塊。這些模塊之間相互有不同程度的依賴關(guān)系。其中進(jìn)程調(diào)度和內(nèi)存管理處于核心地位，反映了操作系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)主機(jī)資源的管理。另外，文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的信息中心，反映了操作系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)的管理。操作系統(tǒng)往往把計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備映射到文件系統(tǒng)，利用統(tǒng)一的文件系統(tǒng)訪問接口實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的訪問。進(jìn)程間調(diào)用和網(wǎng)絡(luò)通常是可選模塊。
體系結(jié)構(gòu)的各層之間有不同的功能和責(zé)任。寄存器級(jí)封裝反映了實(shí)現(xiàn)同一個(gè)功能可用不同的元器件。針對(duì)不同的芯片要編寫合適的驅(qū)動(dòng)程序。這些驅(qū)動(dòng)程序一般不具有可移植性，因?yàn)樗鼈兪峭?jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同器件的功能級(jí)接口。例如，NE2000成為以太網(wǎng)事實(shí)的接口標(biāo)準(zhǔn)，兼容NE2000的以太網(wǎng)控制器，可以使用NE2000驅(qū)動(dòng)程序，而不一定要開發(fā)專門的驅(qū)動(dòng)程序。如果是不兼容的以太網(wǎng)控制器，寄存器的布局和命令會(huì)有不同，并無法映射寄存器。折衷的辦法是梳理出功能級(jí)抽象層所必需的基本操作，建立功能級(jí)的實(shí)現(xiàn)框架。針對(duì)不同的硬件，使用同一種實(shí)現(xiàn)框架可以保證功能級(jí)抽象的質(zhì)量，并且可以提高移植的效率。

結(jié)語
縱觀軟件的發(fā)展，從批處理到面向過程的編程，到面向?qū)ο蟮木幊蹋俚矫嫦蚩蚣艿木幊?，體現(xiàn)了需求的拉動(dòng)和技術(shù)的發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)正經(jīng)歷一個(gè)快速發(fā)展階段，嵌入式系統(tǒng)硬件技術(shù)的發(fā)展已超過了軟件技術(shù)。軟件技術(shù)的滯后，造成了軟件的高成本和低開發(fā)效率，這已成為制約嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。只有建立統(tǒng)一的清晰的操作系統(tǒng)層次的標(biāo)準(zhǔn)接口，實(shí)現(xiàn)軟件構(gòu)件的可重用性，才能夠大幅度提高嵌入式系統(tǒng)的軟件的開發(fā)效率?！?

參考文獻(xiàn)
1  Red Hat Inc. ‘eCos Reference Manual.’ www.redhat.com.
2  ARM Limited. ‘ARM Firmware Suite Version 1.3 Reference Guide.’ www.arm.com.
3  Labrosse. J. J., 邵貝貝譯.‘ mC/OS-II, The Real-Time Kernel. ’清華大學(xué)出版社.
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