??????? 如何開發自己的嵌入式系統

嵌入式系統的悠久歷史

電腦用于控制設備或嵌入系統的歷史幾乎電腦自身的歷史一樣長。在通訊領域，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。“電腦”這詞那時并不普遍，存儲程序指內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，在當時確實是突破性的。今天，我們認為它本來就應如此。　　

那時的電腦是為每一個應用而定制的，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設備集成在一部電腦中。

微處理器通過提供構建大系統模塊的小型、低成本、CPU引擎改變了這一切。它提出了外設通過總線聯接的固定硬件架構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試工具。軟件構建模塊和標準化庫只是到了七十年代才流行起來的概念。　　

嵌入式系統的商品化操作系統在1970年代后期才出現，許多是用匯編語言寫成的,并且只能用于特定的微處理器，當微處理器被淘汰時，它的操作系統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成了些模糊的記憶；還有誰記得MTOS嗎？當C語言出現時，操作系統編寫的效率、穩定性、可移植性都提高了很多。這一點在管理上立刻表現出來，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今天越來越普遍。一般來說，可重復使用的軟件已經占主導并越做越好。　　

在八十年代早期，我最喜歡的操作系統是Wendon操作系統，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，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存管理方案。 很多嵌入式系統的商品化操作系統是在八十年代出現的。這一熱潮持續到現在，今天，有很多可行的商品化操作系統可供選擇。一些大佬出現了，如VxWorks, pSOS, Neculeus和Windows CE。　　

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

漸漸地，更多嵌入式系統需要與各類網絡聯接，因此需要網絡功能。即便是酒店的門把手也嵌入了微處理器與網絡相聯。 對于僅僅是編碼控制循環的嵌入式系統，增加網絡功能將導致系統復雜程度提高以致要求操作系統。　　

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

Linux作為嵌入式系統是一個帶有很多優勢的新成員。它對許多CPU和硬件平臺都是可移植的、穩定、功能強大、易于開發。　　　　

工具包突破ICE的障礙　　

開發嵌入式系統的關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。開發的不同階段需要不同的工具。　　

傳統上，首先用于開發嵌入式系統工具是內部電路仿真器（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為主要調試工具，用于整個開發過程。但是，一旦初始化軟件對串口支持良好的話，多數的調試可以不用ICE而用其他方法進行。較新的嵌入式系統利用非常清晰的微處理器設計。有時，相應工作初始碼已經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降低了開發的成本。一旦串口開始工作，它可以支持各種專業開發工具。　　

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

1．寫入或植入引導碼　　

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gdb程序的Linux主機系統對話。只要簡單地告訴gdb通過串口調試程序。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內核啟動時工作。

5．一旦Linux內核啟動，串口成為Linux控制口并可用于后續開發。利用kgdb，內核調試版的gdb，這步常常不作要求，如果你與網絡聯接，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內核，你可以調試你的應用進程。利用其他的gdb或覆蓋gdb的圖形如xgdb。　　　　

什么是實時系統？　　

嵌入式系統常常被錯誤地分為實時系統，盡管多數系統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定的方式在極短的時間如微秒作出響應漸漸地，在如此短暫時間間隔內的嚴格實時功能在專用DSP芯片或ASIC上實現了。只有在設計低層硬件FIFO、分散/聚集DMA引擎和定制硬件時才會有這樣的要求。　　

許多設計人員因為對真實的要求設有清晰的理解而對實時的要求焦慮不安。對于大多數的系統，在一至五微秒的近似實時響應已經足夠。同樣軟需求也是可以接受的。如 Windows 98 已經崩潰的中斷必須在4毫秒內（±98％）內、或20毫秒（±0）內進行處理。　　

這種軟要求是比較容易滿足的，包括環境轉換時間、中斷等待時間、任務優先級和排序。環境轉換時間曾是操作系統的一個熱門話題。總之，多數CPU這些要求處理得很好，而且CPU的速度現在已經快了很多，這個問題也就不重要了。　　

嚴格的實時要求通常由中斷例程或其他內核環境驅動程序功能處理，以確保穩定的表現，等待時間，一旦請求出現要求服務的時間很大程度上取決于中斷的優先及其他能暫時掩蓋中斷的軟件。　　

中斷必須進行處理和管理以確保時間要求能符合，如同許多其他的操作系統。在IntelX86處理器中，這工作很容易由Linux實時擴展處理。這是提供了一個以后臺任務方式運行Linux的中斷處理調度。關鍵的中斷響應不必通知Linux。因此可以得到許多對于關鍵時鐘的控制。在實時控制級和時間限制寬松的基本Linux級之間提供接口，這提供了與其他嵌入式操作系統相似的實時框架。因此，實時關鍵代碼是隔開的、并“設計”成滿足要求的。代碼處理的結果是以更一般的方法也許只在應用任務級。　　　　

嵌入式系統定義　　

一個觀點是如果一個應用沒有用戶界面，它必須是嵌入式的，因為用戶不能直接與之交互。當然這是簡單化的。一個電梯控制的電腦被認為是嵌入式的：按鍵選擇樓層指示燈顯示電梯的停層。對于聯網的嵌入式系統，如果系統包含監視和控制的網絡瀏覽器，這種界限就更加模糊了。更好些的定義注重系統的集中的功能和主要的目的。　　

因為Linux提供了完成嵌入功能的基本的內核和你所需要的所有用戶界面，它是多面的。它能處理嵌入式任務和用戶界面。將Linux看作是連續的統一體，從一個具有內存管理、任務切換和時間服務及其他的分拆的、微內核到完整的服務器，支持所有的文件系統和網絡服務。　　

一個小型的嵌入式Linux系統只需要下面三個基本元素：　　

1．引導工具：Linux微內核，由內存管理、進程管理和事務處理構成　　

2．初始化進程：如果要讓它能干點什么且繼續保持小型化，還得加上：　　

3．硬件驅動程序：提供所需功能的一個或更多應用程序。　　

再增加功能，或許需要這些：一個文件系統（也許在ROM或RAM中）TCP/IP網絡堆棧存儲半過渡數據和交換用的磁盤。

硬件平臺　　

選擇最好的硬件是一個復雜的工作、充滿了公司其他項目的政治、偏見、傳統，缺乏完整或精確的信息。 成本經常是關鍵的議題。當考慮成本時、確信你在考慮產品的整個成本、不僅是CPU。有時快的、便宜的CPU一旦加上總線邏輯和時延使之與外設一起工作，能變成一個昂貴的狗的產品。如果你在尋找軟件，首先是硬件已經有產品了。如果你是系統設計者，由你決定制定實時的預算及硬件的工作是否滿意。　　

現實中需要多快的CPU來完成一項工作，然后放大三倍。奇怪，CPU理論上的速度竟與現實中一樣，別忘了應用程序將會充分利用cache。　　

想象總線的速度需要多快，如果有其他總線如PCI總線，包括進來。慢的總線或產生DMA阻塞的總線會降低CPU的速度造成擁擠。 有集成設備的CPU是好的，因為只須調試很少的設備，并且支持通用CPU的驅動程序通常都很容易獲得。在我的項目中，芯片與外設的聯接經常出問題或不滿足我們所需的兼容性。因為外設是集成的，不要認為這會便宜。　　

將10斤重的Linux塞入只能裝5斤的袋中。對于Linux一個共同的認識是它用于嵌入式系統簡直是神奇極了。這可能不大對，典型的PC上的Linux對PC用戶來說功能有多，對初學者而言，可以將內核與任務分開，標準的Linux內核通常駐留在內存中，每一個應用程序都是從磁盤運到內存上執行。當程序結束后，它所占用的內存就被釋放，程序就被下載了。

在一個嵌入式系統里，可能沒有磁盤。有兩種途徑可以消除對磁盤的依賴，這要看系統的復雜性和硬件的設計，在一個簡單的系統里，當系統啟動后，內核和所有的應用程序都在內存里。這就是大多數傳統的嵌入式系統工作模式，它同樣可以被Linux支持。　　

有了Linux，就有了第二種可能性。因為Linux已經有能力“加載”和“卸載”程序，一個嵌入式系統就可以利用它來節省內存。試想一個典型的包括一個大概8MB到16MB的Flash Memory和8MB內存的系統。Flash Memory可以作為一個文件系統。Flash Memory驅動程序用來連接Flash Memory和文件系統。作為替代，可使用Flash Disk。這Flash部件用軟件仿真磁盤。其中一個例是M-Systems的DiskOnChip，可以達到160MB。所有的程序都以文件形式存儲在Flash文件中，需要時可以裝入內存。這種動態的、“根據需要加載”的能力是支持其它一系列功能的重要特征：它使初始化代碼在系統引導后被釋放。Linux同樣有很多內核外運行的公用程序。這些通常程序在初始化時運行一次，以后就不再運行。而且，這些公用程序可以用它們相互共有的方式，一個接一個按順序運行。這樣，相同內存空間可以被反復使用以“召入”每一個程序，就象系統引導一樣。這的確可以節省內存，特別是那些配置一次以后就不再更改的網絡堆棧 如果Linux可加載模塊的功能包括在內核里，驅動程序和應用程序就都可以被加載。它可以檢查硬件環境并且為硬件裝上相應的軟件。這就消除了用一個程序占用許多Flash Memory來處理多種硬件的復雜性。　　

軟件的升級更模塊化。你可以在系統運行的時候在Flash上升級應用程序和可加載驅動程序，配置信息和運行時間參數可以作為數據文件儲存在Flash上。

非虛擬內存　　

標準Linux的另一個待征是虛擬內存的能力。正是這種神奇的特征使應用程序員可以狂熱的編寫代碼而不計后果，不管程序有多大。程序溢出到了磁盤交換區。在沒有磁盤的嵌入式系統里，通常不能這么做。　　

在嵌入式系統里不需要這種強大的功能。實際上，你可能不希望它在實時的關鍵系統里，因為它會帶來無法控制的時間因素。這個軟件必須設計得更加精悍，以適合市面上物理內存，就象其它嵌入式系統一樣。　　

注意由于CPU的原因，通常在Linux中保存虛擬內存代碼是明智的，因為將它清除很費事。而且還有另外一個原因是它支持共享文本，這樣就可以使許多程序共享一個軟件。沒有這個，每一個程序都要有它自己的庫，就象printf一樣。　　

虛擬內存的調入功能可以被關掉，只要將交換空間的大小設置為零。然后，如果你寫的程序比實際的內存大，系統就會當作你的運行用盡了交換空間來處理；這個程序將不會運行，或者malloc將會失靈。　　

在許多CPU上，虛擬內存提供的內存管理可以將不同程序分開，防止它們寫到其它地址的空間上。這在嵌入式系統上通常不可能，因為它只支持一個簡單、扁平的地址空間。Linux的這種功能有助于其發展。它減少了胡亂的編寫程序造成系統崩潰的可能性。許多嵌入式系統基于效率方面的原因有意識使用程序間可以共享的“全局”數據。這也可以通過Linux共享內存功能來支持，共享的只是指定的內存部分。 　　　

文件系統　　

許多嵌入式系統沒有磁盤或者文件系統。Linux不需要它們也能運行。如前所述，應用程序任務可以和內核一起編寫，并且在引導時作為一個影像加載。對于簡單的系統來說，這就夠了。然而，它缺乏前面所說的靈活性。　　

實際上，許多商業性嵌入式系統，提供文件系統作為選項。許多或者是專用的文件系統或者是MS-DOS-Compatible文件系統。Linux提供MS-DOS-Compatible文件系統，同時還有其它多種選擇。之所以提供其它選擇是因為它們更加強大而且具有容錯功能。Linux還具有檢查和維護的功能，商業性供應商往往不提供這些。這對于Flash系統來說尤其重要，因為它是通過網絡更新的。如果系統在升級過程中失去了能力，那它就沒有用了。維護的功能通常可以解決這類問題。　　

文件系統可以被放在傳統的磁盤驅動器、Flash Memory或其它這類的介質上。而且，用于暫時保存文件，一個小RAM盤就足夠了。Flash Memories被分割成塊。這些塊中也許包括一個含有當CPU啟動時運行的最初的軟件的引導塊。這可能包括Linux 引導代碼。剩余的Flash可以用作文件系統。Linux的內核可以通過引導代碼從Flash復制到RAM，或者還有一個選擇，內核可以被存儲在Flash的一個獨立部分，并且直接從那里執行。　　

另外對于一些系統來說還有一個有趣的選擇，那就是將一個便宜的CD-ROM包含在內。這比Flash Memory 便宜，而且通過交換CD-ROM支持簡單的升級。有了這個，Linux 只要從 CD-ROM上引導，并且象從硬盤上一樣從CD-ROM上獲得所有的程序。　　

最后，對于聯網的嵌入式系統來說，Linux 支持NFS（Network File System）。這為實現聯網系統的許多增值功能打開了大門。第一，它允許通過網絡上加載應用程序。這是控制軟件修改的基礎，因為每一個嵌入式系統的軟件都可以在一個普通的服務器上加載。它在運行的時候也可以用來輸入或輸出大量的數據、配置和狀態信息。這對用戶監督和控制來說是一個非常強大的功能。舉例來說，嵌入式系統可以建立一個小的RAM磁盤，包含的文件中有與當前狀態信息同步的內容。其它系統可以簡單的把這個RAM磁盤設置為基于網絡的遠程磁盤，并且空中存取狀態文件。這就允許另一個機器上的Web服務器通過簡單的CGI Script存取狀態信息。在其它電腦上運行的其它應用程序包可以很容易的存取數據。對更復雜的監控，應用程序包如Matlab可以用來在操作員的PC或工作站的提供系統運行的圖形展示。　　

引導LILO和BIOS在哪里　　

當一個微處理器第一次啟動的時候，它開始在預先設置的地址上執行指令。通常在那里有一些只讀內存，包括初始化或引導代碼。在PC上，這是BIOS。它執行了一些低水平的CPU初始化和其它硬件的配置。BIOS繼續辨認哪個磁盤里有操作系統，把操作系統復制到RAM并且轉向它。實際上，這非常復雜，但對我們的目標來說也非常重要。在PC上運行的Linux依靠PC的BIOS來提供這些配置和OS加載功能。　　

在一個嵌入式系統里經常沒有這種BIOS。這樣你就要提供同等的啟動代碼。幸運的是，嵌入式系統并不需要PC BIOS引導程序那樣的靈活性，因為它通常只需要處理一個硬件的配置。這個代碼更簡單也更枯燥。它只是一指令清單，將固定的數字塞到硬件寄存器中去。然而，這是關鍵的代碼，因為這些數值要與你的硬件相符而且要按照特定的順序進行。所以在大多數情況下，一個最小的通電自檢模塊，可以檢查內存的正常運行、讓LED閃爍，并且驅動其它必須的硬件以使主Linux OS啟動和運行。這些啟動代碼完全根據硬件決定，不可隨意移動。　　

幸運的是，許多系統都有為核心微處理器和內存所定制的菜單式硬件設計。典型的是，芯片制造商有一個樣本主板，可以用來作為設計的參考或多或少與新設計相同。通常這些菜單式設計的啟動代碼是可以獲得的，它可以根據你的需要輕易的修改。在少數情況下，啟動代碼需要重新編寫。 為了測試這些代碼，你可以使用一個包含‘模擬內存’的電路內置模擬器，它可以代替目標內存。你把代碼裝到模擬器上并通過模擬器調試。如果這樣不行，你可以跳過這一步，但這樣就要一個更長的調試周期。　　

這個代碼最終要在較為穩定的內存上運行，通常是Flash或EPROM芯片。你需要使用一些方法將代碼放在芯片上。怎么做，要根據“目標”硬件和工具來定。　　

一種流行的方法是把Flash或EPROM芯片插入EPROM或Flash燒制器。這將把你的程序“燒”（存）入芯片。然后，把芯片插入你的目標板的插座，打開電源。這個方法需要板上配有插座，但有些設備是不能配插座的。 另一個方法是通過一個JTAG界面。一些芯片有JTAG界面可以用來對芯片進行編程。這是最方便的方法。芯片可以永遠被焊在主板上，一個小電纜從板上的JTAG連接器，通常是一個PC卡，聯到JTAG界面。下面是PC運行JTAG界面所需的一些慣用程序。這個設備還可以用來小量生產。　　　　

穩定性是最可靠的

在PC硬件上運行時，Linux是非常可靠和穩定的，特別是和現在流行的一些操作系統相比。嵌入式內核本身有多穩定呢？對大多數微處理器來說，Linux非常好。移植到新微處理器家族的Linux內核運行起來與本微處理器一樣穩定。它經常被移植到一個或多個特定的主板上。這些板包括特定的外圍設備和CPU。　　

幸運的是，許多代碼是與處理器的，所以移植集中在差異上。其中大多數是在內存管理和中斷控制領域。一旦成功移植，它們就非常穩定。前面我們討論過，引導策略廣泛依賴于硬件要求，而且你必須有計劃地做一些定制的工作。　　

設備驅動程序更加混亂：有些穩定有些不穩定。而且選擇很有限；一旦你離開了通用的PC平臺，你需要自己編寫。幸運的是，周圍有許多驅動程序，你可能可以找到一個與你的需求相近的修改一下。這種驅動程序界面已定義好。許多類的驅動程序都非常相近，所以把磁盤、網絡或一系列的端口驅動程序從一個設備移植到另一個設備上通常并不難。我發現許多驅動程序都寫得很好，很容易理解，但你還是要準備一本關于內核結構的書在手頭。 依我的經驗，Linux至少和我用過的著名的商業性操作系統一樣穩定。總之，這些操作系統和Linux的問題在于對工作過程微秒之處的誤解，而不在于代碼的難度或基本的設計錯誤。任何操作系統都有很多爭論不休的故事，這里不需要重復。Linux的優勢在于源代碼是公開、注釋清晰和文檔齊全的。這樣，你就可以控制和處理所出現的任何問題。　　

伴隨著基本內核和驅動程序，還有其它問題。如果系統有一個硬盤，那么文件系統的可靠性就成問題。我們有用磁盤進行Linux系統設計超過兩年的經驗。這些系統幾乎從未正常關閉過。電源隨時都可能被中斷。感覺非常好，使用的是標準（EXT2）文件系統。標準Linux初始化腳本運行fsck程序，它在檢查和清除不穩定的inodes方面非常有效。將默認的每隔30秒運行更新程序改為每隔5或10秒運行是比較明智的。這樣縮短了數據在進入磁盤之前，待在高速緩沖存儲器內的時間，降低了丟失數據的可能性。　　　　

未來的發展　　

嵌入式Linux的確有它的缺陷。比如，雖然它并不比某些商業競爭對手差多少，但它的確是個貪婪的存儲器。這可以通過減少一些不必要的功能來彌補，但這可能會花很長的時間，而且如果不仔細的話，還可能帶來很大的困擾。　　

許多Linux的應用程序都要用到虛擬內存，在許多嵌入式系統中，是沒有價值的，所以不要以為一個沒有磁盤的嵌入式系統可以運行任何Linux應用程序。　　

內核調試工具都不怎么好，特別是在較底層的。kgdb可以使錯誤定位非常容易，你只要重新啟動。不幸的是，打印語句更麻煩。

然而，對我來說最糟糕的是心理上的問題。Linux非常的靈活。嵌入式系統總的來說卻不靈活；而且它們完全是為最有效實現預定功能而嚴格設計的。現在的趨勢是保持靈活性、保持總體目標功能、盡量少做修改。這個目標是崇高的，但是，所付出的代價將是針對具體的工作做出巨大的調整。保持靈活性將導致額外的工作，帶著額外的軟件包，而且有時還要降低性能。一個反復出現的例子就是配置。考慮在一個網絡界面配置IP地址，這通常是通過從啟動script上運行ifconfig程序來完成的。這是一個28K的程序，從配置文件上調用數據，可以用幾行代碼代替，初始化合適的結構。然而，即使這非常合理，但它仍然有害，因為它用一種從未使用過的方法扭曲了軟件。

Linux在嵌入式系統中的應用是可行的。它有用、可靠。它的發展成本和替代者一致。