什么是嵌入式教學(xué)法_嵌入式軟件開發(fā)流程

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什么是嵌入式教學(xué)法_嵌入式軟件開發(fā)流程,   



4.3嵌入式軟件開發(fā)流程4.3.1嵌入式系統(tǒng)開發(fā)概述

由嵌入式系統(tǒng)本身的特性所影響，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與通用系統(tǒng)的開發(fā)有很大的區(qū)別。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)主要分為系統(tǒng)總體開發(fā)、嵌入式硬件開發(fā)和嵌入式軟件開發(fā)3大部分，其總體流程圖如圖4.15所示。



在系統(tǒng)總體開發(fā)中，由于嵌入式系統(tǒng)與硬件依賴非常緊密，往往某些需求只能通過特定的硬件才能實(shí)現(xiàn)，因此需要進(jìn)行處理器選型，以更好地滿足產(chǎn)品的需求。另外，對(duì)于有些硬件和軟件都可以實(shí)現(xiàn)的功能，就需要在成本和性能上做出抉擇。往往通過硬件實(shí)現(xiàn)會(huì)增加產(chǎn)品的成品，但能大大提高產(chǎn)品的性能和可靠性。



再次，開發(fā)環(huán)境的選擇對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)也有很大的影響。這里的開發(fā)環(huán)境包括嵌入式操作系統(tǒng)的選擇以及開發(fā)工具的選擇等。本書在4.1.5節(jié)對(duì)各種不同的嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行了比較，讀者可以以此為依據(jù)進(jìn)行相關(guān)的選擇。比如，對(duì)開發(fā)成本和進(jìn)度限制較大的產(chǎn)品可以選擇嵌入式Linux，對(duì)實(shí)時(shí)性要求非常高的產(chǎn)品可以選擇Vxworks等。



由于本書主要討論嵌入式軟件的應(yīng)用開發(fā)，因此對(duì)硬件開發(fā)不做詳細(xì)講解，而主要討論嵌入式軟件開發(fā)的流程。

4.3.2嵌入式軟件開發(fā)概述

嵌入式軟件開發(fā)總體流程為圖4.15中“軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)”部分所示，它同通用計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)一樣，分為需求分析、軟件概要設(shè)計(jì)、軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)和軟件測(cè)試。其中嵌入式軟件需求分析與硬件的需求分析合二為一，故沒有分開畫出。



由于在嵌入式軟件開發(fā)的工具非常多，為了更好地幫助讀者選擇開發(fā)工具，下面首先對(duì)嵌入式軟件開發(fā)過程中所使用的工具做一簡(jiǎn)單歸納。



嵌入式軟件的開發(fā)工具根據(jù)不同的開發(fā)過程而劃分，比如在需求分析階段，可以選擇IBM的RationalRose等軟件，而在程序開發(fā)階段可以采用CodeWarrior（下面要介紹的ADS的一個(gè)工具）等，在調(diào)試階段所用的Multi-ICE等。同時(shí)，不同的嵌入式操作系統(tǒng)往往會(huì)有配套的開發(fā)工具，比如Vxworks有集成開發(fā)環(huán)境Tornado，WindowsCE的集成開發(fā)環(huán)境WindowsCEPlatform等。此外，不同的處理器可能還有對(duì)應(yīng)的開發(fā)工具，比如ARM的常用集成開發(fā)工具ADS、IAR和RealView等。在這里，大多數(shù)軟件都有比較高的使用費(fèi)用，但也可以大大加快產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)度，用戶可以根據(jù)需求自行選擇。圖4.16是嵌入式開發(fā)的不同階段的常用軟件。



  

圖4.15嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程圖

  

圖4.16嵌入式開發(fā)不同階段的常用軟件



嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)與通常軟件開發(fā)的區(qū)別主要在于軟件實(shí)現(xiàn)部分，其中又可以分為編譯和調(diào)試兩部分，下面分別對(duì)這兩部分進(jìn)行講解。

1．交叉編譯

嵌入式軟件開發(fā)所采用的編譯為交叉編譯。所謂交叉編譯就是在一個(gè)平臺(tái)上生成可以在另一個(gè)平臺(tái)上執(zhí)行的代碼。在第3章中已經(jīng)提到，編譯的最主要的工作就在將程序轉(zhuǎn)化成運(yùn)行該程序的CPU所能識(shí)別的機(jī)器代碼，由于不同的體系結(jié)構(gòu)有不同的指令系統(tǒng)。因此，不同的CPU需要有相應(yīng)的編譯器，而交叉編譯就如同翻譯一樣，把相同的程序代碼翻譯成不同CPU的對(duì)應(yīng)可執(zhí)行二進(jìn)制文件。要注意的是，編譯器本身也是程序，也要在與之對(duì)應(yīng)的某一個(gè)CPU平臺(tái)上運(yùn)行。嵌入式系統(tǒng)交叉編譯環(huán)境如圖4.17所示。



小知識(shí)

與交叉編譯相對(duì)應(yīng)，平時(shí)常用的編譯稱為本地編譯。



這里一般將進(jìn)行交叉編譯的主機(jī)稱為宿主機(jī)，也就是普通的通用PC，而將程序?qū)嶋H的運(yùn)行環(huán)境稱為目標(biāo)機(jī)，也就是嵌入式系統(tǒng)環(huán)境。由于一般通用計(jì)算機(jī)擁有非常豐富的系統(tǒng)資源、使用方便的集成開發(fā)環(huán)境和調(diào)試工具等，而嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)資源非常緊缺，無法在其上運(yùn)行相關(guān)的編譯工具，因此，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)需要借助宿主機(jī)（通用計(jì)算機(jī)）來編譯出目標(biāo)機(jī)的可執(zhí)行代碼。

  



由于編譯的過程包括編譯、鏈接等幾個(gè)階段，因此，嵌入式的交叉編譯也包括交叉編譯、交叉鏈接等過程，通常ARM的交叉編譯器為arm-elf-gcc、arm-linux-gcc等，交叉鏈接器為arm-elf-ld、arm-linux-ld等，交叉編譯過程如圖4.18所示。

  

2．交叉調(diào)試

嵌入式軟件經(jīng)過編譯和鏈接后即進(jìn)入調(diào)試階段，調(diào)試是軟件開發(fā)過程中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，嵌入式軟件開發(fā)過程中的交叉調(diào)試與通用軟件開發(fā)過程中的調(diào)試方式有很大的差別。在常見軟件開發(fā)中，調(diào)試器與被調(diào)試的程序往往運(yùn)行在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，調(diào)試器是一個(gè)單獨(dú)運(yùn)行著的進(jìn)程，它通過操作系統(tǒng)提供的調(diào)試接口來控制被調(diào)試的進(jìn)程。而在嵌入式軟件開發(fā)中，調(diào)試時(shí)采用的是在宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間進(jìn)行的交叉調(diào)試，調(diào)試器仍然運(yùn)行在宿主機(jī)的通用操作系統(tǒng)之上，但被調(diào)試的進(jìn)程卻是運(yùn)行在基于特定硬件平臺(tái)的嵌入式操作系統(tǒng)中，調(diào)試器和被調(diào)試進(jìn)程通過串口或者網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，調(diào)試器可以控制、訪問被調(diào)試進(jìn)程，讀取被調(diào)試進(jìn)程的當(dāng)前狀態(tài)，并能夠改變被調(diào)試進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)。



嵌入式系統(tǒng)的交叉調(diào)試有多種方法，主要可分為軟件方式和硬件方式兩種。它們一般都具有如下一些典型特點(diǎn)。



n 調(diào)試器和被調(diào)試進(jìn)程運(yùn)行在不同的機(jī)器上，調(diào)試器運(yùn)行在PC機(jī)（宿主機(jī)），而被調(diào)試的進(jìn)程則運(yùn)行在各種專業(yè)調(diào)試板上（目標(biāo)板）。

n 調(diào)試器通過某種通信方式（串口、并口、網(wǎng)絡(luò)、JTAG等）控制被調(diào)試進(jìn)程。

n 在目標(biāo)機(jī)上一般會(huì)具備某種形式的調(diào)試代理，它負(fù)責(zé)與調(diào)試器共同配合完成對(duì)目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行著的進(jìn)程的調(diào)試。這種調(diào)試代理可能是某些支持調(diào)試功能的硬件設(shè)備，也可能是某些專門的調(diào)試軟件（如gdbserver）。

n 目標(biāo)機(jī)可能是某種形式的系統(tǒng)仿真器，通過在宿主機(jī)上運(yùn)行目標(biāo)機(jī)的仿真軟件，整個(gè)調(diào)試過程可以在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。此時(shí)物理上雖然只有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，但邏輯上仍然存在著宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的區(qū)別。



下面分別就軟件調(diào)試樁方式和硬件片上調(diào)試兩種方式進(jìn)行詳細(xì)介紹。

（1）軟件方式。

軟件調(diào)試主要是通過插入調(diào)試樁的方式來進(jìn)行的。調(diào)試樁方式進(jìn)行調(diào)試是通過目標(biāo)操作系統(tǒng)和調(diào)試器內(nèi)分別加入某些功能模塊，二者互通信息來進(jìn)行調(diào)試。該方式的典型調(diào)試器有g(shù)db調(diào)試器。



gdb的交叉調(diào)試器分為GdbServer和GdbClient，其中的GdbServer就作為調(diào)試樁在安裝在目標(biāo)板上，GdbClient就是駐于本地的gdb調(diào)試器。它們的調(diào)試原理圖如圖4.19所示。

  



gdb調(diào)試的工作流程。

n 首先，建立調(diào)試器（本地gdb）與目標(biāo)操作系統(tǒng)的通信連接，可通過串口、網(wǎng)卡、并口等多種方式。

n 然后，在目標(biāo)機(jī)上開啟GdbServer進(jìn)程，并監(jiān)聽對(duì)應(yīng)端口。

n 在宿主機(jī)上運(yùn)行調(diào)試器gdb，這時(shí)，gdb就會(huì)自動(dòng)尋找遠(yuǎn)端的通信進(jìn)程，也就是GdbServer的所在進(jìn)程。

n 在宿主機(jī)上的gdb通過GdbServer請(qǐng)求對(duì)目標(biāo)機(jī)上的程序發(fā)出控制命令。這時(shí)，GdbServer將請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為程序的地址空間或目標(biāo)平臺(tái)的某些寄存器的訪問，這對(duì)于沒有虛擬存儲(chǔ)器的簡(jiǎn)單的嵌入式操作系統(tǒng)而言，是十分容易的。

n GdbServer把目標(biāo)操作系統(tǒng)的所有異常處理轉(zhuǎn)向通信模塊，并告知宿主機(jī)上gdb當(dāng)前有異常。

n 宿主機(jī)上的gdb向用戶顯示被調(diào)試程序產(chǎn)生了哪一類異常。



這樣就完成了調(diào)試的整個(gè)過程。這個(gè)方案的實(shí)質(zhì)是用軟件接管目標(biāo)機(jī)的全部異常處理及部分中斷處理，并在其中插入調(diào)試端口通信模塊，與主機(jī)的調(diào)試器進(jìn)行交互。但是它只能在目標(biāo)機(jī)系統(tǒng)初始化完畢、調(diào)試通信端口初始化完成后才能起作用，因此，一般只能用于調(diào)試運(yùn)行于目標(biāo)操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序，而不宜用來調(diào)試目標(biāo)操作系統(tǒng)的內(nèi)核代碼及啟動(dòng)代碼。而且，它必須改變目標(biāo)操作系統(tǒng)，因此，也就多了一個(gè)不用于正式發(fā)布的調(diào)試版。



（2）硬件調(diào)試。

相對(duì)于軟件調(diào)試而言，使用硬件調(diào)試器可以獲得更強(qiáng)大的調(diào)試功能和更優(yōu)秀的調(diào)試性能。硬件調(diào)試器的基本原理是通過仿真硬件的執(zhí)行過程，讓開發(fā)者在調(diào)試時(shí)可以隨時(shí)了解到系統(tǒng)的當(dāng)前執(zhí)行情況。目前嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中最常用到的硬件調(diào)試器是ROMMonitor、ROMEmulator、In-CircuitEmulator和In-CircuitDebugger。



n 采用ROMMonitor方式進(jìn)行交叉調(diào)試需要在宿主機(jī)上運(yùn)行調(diào)試器，在宿主機(jī)上運(yùn)行ROM監(jiān)視器（ROMMonitor）和被調(diào)試程序，宿主機(jī)通過調(diào)試器與目標(biāo)機(jī)上的ROM監(jiān)視器遵循遠(yuǎn)程調(diào)試協(xié)議建立通信連接。ROM監(jiān)視器可以是一段運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)ROM上的可執(zhí)行程序，也可以是一個(gè)專門的硬件調(diào)試設(shè)備，它負(fù)責(zé)監(jiān)控目標(biāo)機(jī)上被調(diào)試程序的運(yùn)行情況，能夠與宿主機(jī)端的調(diào)試器一同完成對(duì)應(yīng)用程序的調(diào)試。



在使用這種調(diào)試方式時(shí)，被調(diào)試程序首先通過ROM監(jiān)視器下載到目標(biāo)機(jī)，然后在ROM監(jiān)視器的監(jiān)控下完成調(diào)試。

優(yōu)點(diǎn)：ROM監(jiān)視器功能強(qiáng)大，能夠完成設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行、查看寄存器、修改內(nèi)存空間等各項(xiàng)調(diào)試功能。

確定：同軟件調(diào)試一樣，使用ROM監(jiān)視器目標(biāo)機(jī)和宿主機(jī)必須建立通信連接。

其原理圖如圖4.20所示。

  



n 采用ROMEmulator方式進(jìn)行交叉調(diào)試時(shí)需要使用ROM仿真器，并且它通常被插入到目標(biāo)機(jī)上的ROM插槽中，專門用于仿真目標(biāo)機(jī)上的ROM芯片。

在使用這種調(diào)試方式時(shí)，被調(diào)試程序首先下載到ROM仿真器中，因此等效于下載到目標(biāo)機(jī)的ROM芯片上，然后在ROM仿真器中完成對(duì)目標(biāo)程序的調(diào)試。



優(yōu)點(diǎn)：避免了每次修改程序后都必須重新燒寫到目標(biāo)機(jī)的ROM中。

缺點(diǎn)：ROM仿真器本身比較昂貴，功能相對(duì)來講又比較單一，只適應(yīng)于某些特定場(chǎng)合。



其原理如圖4.21所示。

n 采用In-CircuitEmulator（ICE）方式進(jìn)行交叉調(diào)試時(shí)需要使用在線仿真器，它是目前最為有效的嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試手段。它是仿照目標(biāo)機(jī)上的CPU而專門設(shè)計(jì)的硬件，可以完全仿真處理器芯片的行為。仿真器與目標(biāo)板可以通過仿真頭連接，與宿主機(jī)可以通過串口、并口、網(wǎng)線或USB口等連接方式。由于仿真器自成體系，所以調(diào)試時(shí)既可以連接目標(biāo)板，也可以不連接目標(biāo)板。



  



在線仿真器提供了非常豐富的調(diào)試功能。在使用在線仿真器進(jìn)行調(diào)試的過程中，可以按順序單步執(zhí)行，也可以倒退執(zhí)行，還可以實(shí)時(shí)查看所有需要的數(shù)據(jù)，從而給調(diào)試過程帶來了很多的便利。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)顯著特點(diǎn)是與現(xiàn)實(shí)世界中的硬件直接相關(guān)，并存在各種異變和事先未知的變化，從而給微處理器的指令執(zhí)行帶來各種不確定因素，這種不確定性在目前情況下只有通過在線仿真器才有可能發(fā)現(xiàn)。



優(yōu)點(diǎn)：功能強(qiáng)大，軟硬件都可做到完全實(shí)時(shí)在線調(diào)試。

缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴。

其原理如圖4.22所示。

  



n 采用In-CircuitDebugger（ICD）方式進(jìn)

行交叉調(diào)試時(shí)需要使用在線調(diào)試器。由于ICE的價(jià)格非常昂貴，并且每種CPU都需要一種與之對(duì)應(yīng)的ICE，使得開發(fā)成本非常高。一個(gè)比較好的解決辦法是讓CPU直接在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)調(diào)試功能，并通過在開發(fā)板上引出的調(diào)試端口發(fā)送調(diào)試命令和接收調(diào)試信息，完成調(diào)試過程。如使用非常廣泛的ARM處理器的JTAG端口技術(shù)就是由此而誕生的。



JTAG是1985年指定的檢測(cè)PCB和IC芯片的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。1990年被修改成為IEEE的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE1149.1。JTAG標(biāo)準(zhǔn)所采用的主要技術(shù)為邊界掃描技術(shù)，它的基本思想就是在靠近芯片的輸入輸出管腳上增加一個(gè)移位寄存器單元。因?yàn)檫@些移位寄存器單元都分布在芯片的邊界上（周圍），所以被稱為邊界掃描寄存器（Boundary-ScanRegisterCell）。



當(dāng)芯片處于調(diào)試狀態(tài)時(shí)候，這些邊界掃描寄存器可以將芯片和外圍的輸入輸出隔離開來。通過這些邊界掃描寄存器單元，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片輸入輸出信號(hào)的觀察和控制。對(duì)于芯片的輸入管腳，可通過與之相連的邊界掃描寄存器單元把信號(hào)（數(shù)據(jù)）加載到該管腳中去；對(duì)于芯片的輸出管腳，可以通過與之相連的邊界掃描寄存器單元“捕獲”（CAPTURE）該管腳的輸出信號(hào)。這樣，邊界掃描寄存器提供了一個(gè)便捷的方式用于觀測(cè)和控制所需要調(diào)試的芯片。



現(xiàn)在較為高檔的微處理器都帶有JTAG接口，包括ARM7、ARM9、StrongARM、DSP等，通過JTAG接口可以方便地對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)Flash編程，這是非常受歡迎的。



優(yōu)點(diǎn)：連接簡(jiǎn)單，成本低。

缺點(diǎn)：特性受制于芯片廠商。

其原理如圖4.23所示。