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(jī)，稱為"存儲程序控制"系統(tǒng)。"電腦"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(shí)是突破性的。今天，我們認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)，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(xiàng)目實(shí)際運(yùn)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?yàn)榫幾g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(biāo)準(zhǔn)化庫只是到了七十年代才流行起來的概念。

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(diǎn)在管理上立刻表現(xiàn)出來，它為微處理器被淘汰時保護(hù)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(diǎn)菜。例如，你可以在庫清單上點(diǎn)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?yàn)樵O(shè)計(jì)者堅(jiān)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?yàn)樗型暾木W(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(qiáng)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(jìn)出。這有點(diǎn)難做，因?yàn)樗钱愺w，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(jìn)行。較新的嵌入式系統(tǒng)利用非常清晰的微處理器設(shè)計(jì)。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。

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(shí)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(biāo)碼植入工作串口，這可與另一臺運(yùn)行g(shù)db程序的Linux主機(jī)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(jī)的gdb目標(biāo)碼對話，你可以進(jìn)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(biāo)硬件上運(yùn)行了完整的Linux內(nèi)核，你可以調(diào)試你的應(yīng)用進(jìn)程。利用其他的gdb或覆蓋gdb的圖形如xgdb。

什么是實(shí)時系統(tǒng)？

嵌入式系統(tǒng)常常被錯誤地分為實(shí)時系統(tǒng)，盡管多數(shù)系統(tǒng)一般并不要求實(shí)時功能。實(shí)時是一個相對的詞，純化論者常常嚴(yán)格地定義實(shí)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(yán)格實(shí)時功能在專用DSP芯片或ASIC上實(shí)現(xiàn)了。只有在設(shè)計(jì)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(jì)人員因?yàn)閷φ鎸?shí)的要求設(shè)有清晰的理解而對實(shí)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(shí)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)（±98％）內(nèi)、或20毫秒（±0）內(nèi)進(jìn)行處理。

這種軟要求是比較容易滿足的，包括環(huán)境轉(zhuǎn)換時間、中斷等待時間、任務(wù)優(yōu)先級和排序。環(huán)境轉(zhuǎn)換時間曾是操作系統(tǒng)的一個熱門話題。總之，多數(shù)CPU這些要求處理得很好，而且CPU的速度現(xiàn)在已經(jīng)快了很多，這個問題也就不重要了。

嚴(yán)格的實(shí)時要求通常由中斷例程或其他內(nèi)核環(huán)境驅(qū)動程序功能處理，以確保穩(wěn)定的表現(xiàn)，等待時間，一旦請求出現(xiàn)要求服務(wù)的時間很大程度上取決于中斷的優(yōu)先及其他能暫時掩蓋中斷的軟件。

中斷必須進(jìn)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(tǒng)。在IntelX86處理器中，這工作很容易由Linux實(shí)時擴(kuò)展處理。這是提供了一個以后臺任務(wù)方式運(yùn)行Linux的中斷處理調(diào)度。關(guān)鍵的中斷響應(yīng)不必通知Linux。因此可以得到許多對于關(guān)鍵時鐘的控制。在實(shí)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(tǒng)相似的實(shí)時框架。因此，實(shí)時關(guān)鍵代碼是隔開的、并"設(shè)計(jì)"成滿足要求的。代碼處理的結(jié)果是以更一般的方法也許只在應(yīng)用任務(wù)級。