Linux嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺選型探討
關鍵詞：嵌入式系統(tǒng) Linux開發(fā)平臺 選型
??1 嵌入式系統(tǒng)與Linux
按照電氣工程師協(xié)會的一個定義：嵌入式系統(tǒng)是用來控制或監(jiān)視機器、裝置或工廠等的大規(guī)模系統(tǒng)的設備。具體說來，它是電腦軟件和硬件的綜合體；是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，軟硬件可裁減，從而能夠適應實際應用中對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。一般來說，嵌入式系統(tǒng)不能使用通用型計算機，而且運行的是固化的軟件，終端用戶很難或者不可能改變固件。而Linux也早已成為IT界家喻戶曉的一個名字。概括說來，將Linux應用于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)有如下一些優(yōu)點：
① Linux自身具備一整套工具鏈，容易自行建立嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境和交叉運行環(huán)境，并且可以跨越在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中仿真工具(ICE)的障礙。
② 內(nèi)核的完全開放，使得可以自己設計和開發(fā)出真正的硬實時系統(tǒng)；對于軟實時系統(tǒng)，在Linux中也容易得到實現(xiàn)。
③ 強大的網(wǎng)絡支持，使得可以利用Linux的網(wǎng)絡協(xié)議棧將其開發(fā)成為嵌入式的TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議棧。
2 嵌入式系統(tǒng)設計的過程
按照嵌入式系統(tǒng)的工程設計方法，嵌入式系統(tǒng)的設計可以分成三個階段：分析、設計和實現(xiàn)。分析階段是確定要解決的問題及需要完成的目標，也常常被稱為“需求階段”；設計階段主要是解決如何在給定的約束條件下完成用戶的要求；實現(xiàn)階段主要是解決如何在所選擇的硬件和軟件的基礎上進行整個軟、硬件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)實現(xiàn)。在分析階段結(jié)束后，通常開發(fā)者面臨的一個棘手的問題就是硬件平臺和軟件平臺的選擇，因為它的好壞直接影響著實現(xiàn)階段的任務完成。
通常硬件和軟件的選擇包括：處理器、硬件部件、操作系統(tǒng)、編程語言、軟件開發(fā)工具、硬件調(diào)試工具、軟件組件等。
在上述選擇中，通常，處理器是最重要的，同時操作系統(tǒng)和編程語言也是非常關鍵的。處理器的選擇往往同時會限制操作系統(tǒng)的選擇，操作系統(tǒng)的選擇又會限制開發(fā)工具的選擇。
3 硬件平臺的選擇
3.1 處理器的選擇
嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個系列。但與全球PC市場不同的是，沒有一種微處理器和微處理器公司可以主導嵌入式系統(tǒng)，僅以32位的CPU而言，就有100種以上嵌入式微處理器。由于嵌入式系統(tǒng)設計的差異性極大，因此選擇是多樣化的。
調(diào)查上市的CPU供應商，有些公司如Motorola、Intel、AMD很有名氣，而有一些小的公司，如QED(Santa Clara.CA)雖然名氣很小，但也生產(chǎn)很優(yōu)秀的微處理器。另外，有一些公司，如ARM、MIPS等，只設計但并不生產(chǎn)CPU，他們把生產(chǎn)權(quán)授予世界各地的半導體制造商。ARM是近年來在嵌入式系統(tǒng)有影響力的微處理器制造商，ARM的設計非常適用于小的電源供電系統(tǒng)。Apple在Newton手持計算機中使用ARM，另外有幾款數(shù)字無線電話也在使用ARM。
設計者在選擇處理器時要考慮的主要因素有：
① 處理性能。一個處理器的性能取決于多個方面的因素，如時鐘頻率，內(nèi)部寄存器的大小，指令是否對等處理所有的寄存器等。對于許多需用處理器的嵌入式系統(tǒng)設計來說，目標不是在于挑選速度最快的處理器，而是在于選取能夠完成作業(yè)的處理器和I/O子系統(tǒng)。如果是面向高性能的應用設計，那么建議考慮某些新的處理器，其價格相對低廉，如IBM和Motorola Power PC。
② 技術(shù)指標。當前，許多嵌入式處理器都集成了外圍設備的功能，減少了芯片的數(shù)量，降低了整個系統(tǒng)的開發(fā)費用。開發(fā)人員首先考慮的是，系統(tǒng)所要求的一些硬件能否無需過多的膠合邏輯(GL，Glue Logic)就可以連接到處理器上。其次是考慮該處理器的一些支持芯片，如DMA控制器，內(nèi)存管理器，中斷控制器，串行設備、時鐘等的配套。
③ 功耗。嵌入式微處理器最大并且增長最快的市場是手持設備、電子記事本、PDA、手機、GPS導航器、智能家電等消費類電子產(chǎn)品。這些產(chǎn)品中選購的微處理器，典型的特點是要求高性能、低功耗。許多CPU生產(chǎn)廠家已經(jīng)進入了這個領域。今天，用戶可以買到一顆嵌入式的微處理器，其速度像筆記本中的Pentium一樣快；而它僅使用普通電池供電即可，并且價格很便宜。如果用于工業(yè)控制，則對這方面的考慮較弱。
④ 軟件支持工具。僅有一個處理器，沒有較好的軟件開發(fā)工具的支持也是不行的，因此選擇合適的軟件開發(fā)工具對系統(tǒng)的實現(xiàn)會起到很好的作用。
⑤ 是否內(nèi)置調(diào)試工具。處理器如果內(nèi)置調(diào)試工具可以大大縮小調(diào)試周期，降低調(diào)試的難度。
⑥ 供應商是否提供評估板。許多處理器供應商可以提供評估板來驗證理論是否正確，決策是否得當。
3.2 硬件部件選擇的其它因素
① 生產(chǎn)規(guī)模。打算做1套?多套?還是規(guī)模生產(chǎn)?如果生產(chǎn)規(guī)模比較大，可以自己設計和制備硬件，這樣可以降低成本。反之，最好從第三方購買主板和I/O板卡。
② 開發(fā)的市場目標。如果想使產(chǎn)品盡快發(fā)售，以獲得競爭力，此時要盡可能買成熟的硬件；反之，可以自己設計硬件，降低成本。
③ 軟件對硬件的依賴性。軟件是否可以在硬件沒有到位的時候并行設計或先行開發(fā)。
④ 只要可能，盡量選擇使用普通的硬件。在 CPU 及架構(gòu)的選擇上，一個原則是：只要有可替代的方案，盡量不要選擇 Linux 尚不支持的硬件平臺。
4 軟件平臺的選擇
圖1所示的嵌入式軟件的開發(fā)流程，主要涉及到代碼編程、交叉編譯、交叉連接、下載到目標板和調(diào)試等幾個步驟，因此軟件平臺的選擇也涉及到以下幾個方面。
4.1 操作系統(tǒng)的選擇
(1)操作系統(tǒng)選擇應考慮的因素
硬件方案確定之后，操作系統(tǒng)的選擇就相對輕松了。硬件的不同，會影響操作系統(tǒng)的選擇。低端無MMU(Memory Management Unit，存儲器管理單元)的CPU，要使用uClinux 操作系統(tǒng)；而相對高端的硬件，則可以用普通的嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)。uClinux 和普通的 Linux 有各自的優(yōu)勢和缺點?？捎糜谇度胧较到y(tǒng)軟件開發(fā)的操作系統(tǒng)很多，但關鍵是如何選擇一個適合開發(fā)項目的操作系統(tǒng)。經(jīng)過多年的開發(fā)實踐，筆者認為應該從以下幾點進行考慮：
① 操作系統(tǒng)提供的開發(fā)工具。有些實時操作系統(tǒng)(RTOS)只支持該系統(tǒng)供應商的開發(fā)工具，因此，還必須向操作系統(tǒng)供應商獲取編譯器、調(diào)試器等；而有些操作系統(tǒng)使用廣泛，且有第三方工具可用，因此，選擇的余地比較大。
② 操作系統(tǒng)向硬件接口移植的難度。操作系統(tǒng)到硬件的移植是一個重要的問題，是關系到整個系統(tǒng)能否按期完工的一個關鍵因素。因此,要選擇那些可移植性程度高的操作系統(tǒng)，避免操作系統(tǒng)難以向硬件移植而帶來的種種困難，加速系統(tǒng)的開發(fā)進度。
③ 操作系統(tǒng)的內(nèi)存要求。均衡考慮是否需要額外花錢去購買RAM或EEPROM來迎合操作系統(tǒng)對內(nèi)存的較大要求。
④ 開發(fā)人員是否熟悉此操作系統(tǒng)及其提供的API。
⑤ 操作系統(tǒng)是否提供硬件的驅(qū)動程序，如網(wǎng)卡等。
⑥ 操作系統(tǒng)的可剪裁性。有些操作系統(tǒng)具有較強的可剪裁性，如嵌入式Linux、Tornado/VxWorks等等。
⑦ 操作系統(tǒng)的實時性能。
(2)幾類嵌入式Linux系統(tǒng)的比較
嵌入式Linux系統(tǒng)方面的產(chǎn)品主要分為三類：
第一類是專門為Linux的嵌入式應用而做的。如何讓Linux更小、更容易嵌入到體積要求和功能、性能要求更高的硬件中去，是他們的產(chǎn)品開發(fā)方向，如MontaVista的MontaVista Linux等。第二類是專門為Linux的實時特性設計的產(chǎn)品。將Linux開發(fā)成實時系統(tǒng)尤其是硬實時系統(tǒng)，應用于一些關鍵的控制場合(不僅僅是信息電器)。如，F(xiàn)smlabs公司開發(fā)出來的RT-Linux產(chǎn)品已經(jīng)用在工業(yè)控制的很多方面；葡萄牙的Coimbra大學已經(jīng)利用RT-Linux實現(xiàn)了化工生產(chǎn)控制廠里用來控制反應和程序控制的系統(tǒng)。第三類的產(chǎn)品是將實時性和嵌入式方案結(jié)合起來的方案。很多公司都這么做，并且提供集成化的開發(fā)方案，如Lineo、TimeSys等等。
因此選擇操作系統(tǒng)時，要根據(jù)自己的嵌入式要求和實時性要求，選擇適合自己的嵌入式Linux；同時，和選擇硬件的原則一樣，如果可能，盡量選擇使用普通的嵌入式 Linux 系統(tǒng)。
4.2 編程語言的選擇
編程語言的選擇主要考慮以下因素：
① 通用性。不同種類的微處理器都有自己專用的匯編語言。這就為系統(tǒng)開發(fā)者設置了一個巨大的障礙，使得系統(tǒng)編程更加困難，軟件重用無法實現(xiàn)。而高級語言一般和具體機器的硬件結(jié)構(gòu)聯(lián)系較少，多數(shù)微處理器都有良好的支持，通用性較好。
② 可移植性程度。匯編語言和具體的微處理器密切相關，為某個微處理器設計的程序不能直接移植到另一個不同種類的微處理器上使用，移植性差；而高級語言對所有微處理器都是通用的，程序可以在不同的微處理器上運行，可移植性較好。
③ 執(zhí)行效率。一般來說，越是高級的語言，其編譯器和開銷就越大，應用程序也就越大、越慢；但單純依靠低級語言，如匯編語言來進行應用程序的開發(fā)，帶來的問題是編程復雜、開發(fā)周期長。因此，存在一個開發(fā)時間和運行性能間的權(quán)衡問題。
④ 可維護性。低級語言如匯編語言，可維護性不高。高級語言程序往往是模塊化設計，各個模塊之間的接口是固定的。當系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，可以很快地將問題定位到某個模塊內(nèi)，并盡快得到解決。另外，模塊化設計也便于系統(tǒng)功能的擴充和升級。
幾種開發(fā)語言的比較：
在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中使用的語言種類很多，比較廣泛應用的高級語言有：Ada、C/C++、Modula-2和Java等。Ada語言定義嚴格，易讀易懂，有較豐富的庫程序支持，目前在國防、航空、航天等相關領域應用比較廣泛，未來仍將在這些領域占有重要地位。C語言具有廣泛的庫程序支持，目前在嵌入式系統(tǒng)中是應用最廣泛的編程語言，在將來很長一段時間內(nèi)仍將在嵌入式系統(tǒng)應用領域占重要地位。C++是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，目前在嵌入式系統(tǒng)設計中也得到了廣泛的應用，如GNU C++。Visual C++，是一種集成開發(fā)環(huán)境，支持可視化編程，廣泛應用于GUI程序開發(fā)。但C與C++相比，C++的目標代碼往往比較龐大和復雜，在嵌入式系統(tǒng)應用中應充分考慮這一因素。Modula-2定義清晰，支持豐富，具有較好的模塊化結(jié)構(gòu)，在教學科研方面有較廣泛的應用。雖然該語言的開發(fā)應用一直比較平緩，但近兩年在歐洲有所復蘇。Java語言相對年輕，但有很強的跨平臺特性，目前發(fā)展勢頭較為強勁。Java語言的“一次編程，到處可用”的特性，使得它在很多領域備受歡迎。隨著網(wǎng)絡技術(shù)和嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，Java及嵌入式Java的應用也將越來越廣泛，但是Java消耗硬件資源較大。
4.3 集成開發(fā)環(huán)境考慮的因素
集成開發(fā)環(huán)境IDE(Integrated Development Environment)應考慮以下因素：
① 系統(tǒng)調(diào)試器的功能。系統(tǒng)調(diào)試特別是遠程調(diào)試是一個重要的功能。
② 支持庫函數(shù)。許多開發(fā)系統(tǒng)提供大量使用的庫函數(shù)和模板代碼，如大家比較熟悉的C++編譯器就帶有標準的模板庫。它提供了一套用于定義各種有用的集裝、存儲、搜尋、排序?qū)ο蟆Ｅc選擇硬件和操作系統(tǒng)的原則一樣：除非必要，盡量采用標準的 glibc。
③ 編譯器開發(fā)商是否持續(xù)升級編譯器。
④ 連接程序是否支持所有的文件格式和符號格式。
4.4 硬件調(diào)試工具的選擇
好的軟件調(diào)試程序可以有效地發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的錯誤，但是如果再選擇一個好的硬件調(diào)試就會達到事半功倍的效果。常用的硬件調(diào)試工具有以下幾種：
① 實時在線仿真器(ICE，In-Circuit Emulator)。用戶從仿真插頭向ICE看，ICE應是一個可被控制的MCU。ICE是通過一根短電纜連接到目標系統(tǒng)上的。該電纜的一端有一個插件，插到處理器的插座上，而處理器則插到這個插件上。ICE支持常規(guī)的調(diào)試操作，如單步運行、斷點、反匯編、內(nèi)存檢查、源程序級的調(diào)試等等。
② 邏輯分析儀。邏輯分析儀最常用于硬件調(diào)試，但也可用于軟件調(diào)試。它是一種無源器件，主要用于監(jiān)視系統(tǒng)總線的事件.
③ ROM仿真器。ROM仿真器用于插入目標上的ROM插座中的器件，用于仿真ROM芯片?？梢詫⒊绦蛳螺d到ROM仿真器中，然后調(diào)試目標上的程序，就好像程序燒結(jié)在PROM中一樣，從而避免了每次修改程序后直接燒結(jié)的麻煩。
④ 在線調(diào)試OCD或在線仿真(on-chip emulator)
特別的硅基材料以及定制和CPU引腳的串行連接，在這種特殊的CPU芯片上使用OCD (On-Chip Debugging)，才能發(fā)揮出OCD的特點。用低端適配器就可以把OCD端口和主工作站以及前端調(diào)試軟件連接起來。從OCD的基本形式看來，它的特點和單一的ROM監(jiān)測器是一致的，但是不像后者那樣，需要專門的程序以及額外的通信端口。
4.5 軟件組件的選擇
有些軟件組件是免費的，有些軟件組件是授權(quán)的。授權(quán)軟件組件的費用一般都很高，但大都經(jīng)過嚴格的測試，可靠性高，調(diào)試時間短?，F(xiàn)在也有一些免費的自由軟件組件，它們的性能、可靠性也很好。因此開發(fā)人員在選擇的時候要加以權(quán)衡，確定哪種方案更好。
5 展 望
國外的開發(fā)已經(jīng)如火如荼，國內(nèi)的開發(fā)也不甘示弱。Linux在嵌入式系統(tǒng)中具有強大的生命力和利用價值，很多公司和大學都不同程度地表現(xiàn)出對這個方面的興趣。有理由相信，嵌入式Linux的發(fā)展將帶領我們進入嵌入式系統(tǒng)的新時代！
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