分析ARM嵌入式系統應用中的問(wèn)題總結

如果選擇了帶存儲器管理單元(MMU)的ARM處理器(如ARM920T、CortexA8等)，這種應用系統根據應用、實(shí)時(shí)性、開(kāi)發(fā)環(huán)境等因素，移植一個(gè)功能較強的操作系統一般情況下會(huì )比較合適，如Linux、WinCE，甚至新的Android等。這種系統的開(kāi)發(fā)難度主要是在OS的移植以及硬件驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)上。當這二步工作完成后，主要的軟件開(kāi)發(fā)工作已和在PC機上開(kāi)發(fā)沒(méi)有多大區別，可以按照一般的軟件工程方法來(lái)進(jìn)行，要注意的只是與 ARM硬件平臺相關(guān)的軟件優(yōu)化問(wèn)題。

由于嵌入式系統硬件資源的有限性，嵌入式軟件與其他應用軟件的主要區別，在于嵌入式軟件要有較高的效率，包括執行速度和存儲空間，盡管這二者經(jīng)常是相互矛盾的。目前一般要求更多的是速度優(yōu)化。要編寫(xiě)出高效的ARM程序，需要開(kāi)發(fā)人員熟悉ARM的體系結構，包括內核結構、指令系統、Cache與存儲器結構等，還要有好的程序設計思想，以及對一些常用函數、算法的深刻理解。這個(gè)過(guò)程也是ARM系統開(kāi)發(fā)從低級到高級的進(jìn)階之路。

目前，由于應用系統越來(lái)越復雜，嵌入式軟件的移植性和重用性也得到了人們的高度重視，因為它直接影響到嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)效率和質(zhì)量。選擇一種通用的開(kāi)發(fā)環(huán)境和高級編程語(yǔ)言，使開(kāi)發(fā)的嵌入式軟件可以方便地移植到不同的硬件平臺，是實(shí)現軟件重用的基礎。目前在A(yíng)RM嵌入式系統開(kāi)發(fā)中，ARM RealView、Keil以及IAR的EWARM是較好的開(kāi)發(fā)平臺，C/C++語(yǔ)言是應用最廣泛的編程語(yǔ)言，并具有廣泛的庫函數、程序支持，在今后很長(cháng)一段時(shí)間內，仍將在嵌入式系統應用領(lǐng)域中占重要地位。

4 嵌入式系統的教學(xué)

如今，嵌入式系統作為一個(gè)熱門(mén)領(lǐng)域，其教學(xué)問(wèn)題也頗受高校的關(guān)注。教學(xué)的主要目的是培養社會(huì )需要的人，由于嵌入式系統的廣泛性、差異性，社會(huì )對從事嵌入系統開(kāi)發(fā)人員的要求也有很大的不同，既需要從事簡(jiǎn)單8/16位單片機開(kāi)發(fā)的人員，也需要從事 ARM、DSP開(kāi)發(fā)的人員;既要有從事硬件、底層軟件開(kāi)發(fā)的人員，也要有從事OS移植、應用軟件開(kāi)發(fā)的人員。由于整個(gè)大學(xué)學(xué)習時(shí)間和課程教學(xué)時(shí)數的限制，一個(gè)人顯然不可能學(xué)習、掌握嵌入系統開(kāi)發(fā)的各個(gè)層面。所以，各個(gè)學(xué)校首先應根據自身情況，明確定位，確定自己培養學(xué)生的社會(huì )適應面，然后再制定教學(xué)大綱，確定課程內容和實(shí)驗平臺。對于高職、普通高校的電類(lèi)與非電類(lèi)專(zhuān)業(yè)、軟件學(xué)院等，都應該有不同的選擇，而不是人云亦云，一哄而上。

就目前的發(fā)展看，由于A(yíng)RM等32位處理器應用漸成主流，開(kāi)發(fā)工具已較完善、成熟，對于普通高校計算機學(xué)科的嵌入式系統教學(xué)，筆者認為可以定位在以32位嵌入式系統開(kāi)發(fā)為主，重點(diǎn)是嵌入式系統的軟硬件結構、嵌入式OS的知識，以及嵌入式軟件設計(包括優(yōu)化)。課程主體內容基本與硬件平臺(處理器型號)無(wú)關(guān)，實(shí)驗可以采用基于A(yíng)RM核的不同廠(chǎng)家處理器的實(shí)驗平臺。主要考慮以下幾點(diǎn)：

①在32位嵌入式系統開(kāi)發(fā)上，軟件開(kāi)發(fā)人員的需求比硬件開(kāi)發(fā)人員要多得多(盡管目前硬件開(kāi)發(fā)人員較難找，但這應該是電子等專(zhuān)業(yè)培養的)。一般在一個(gè)從事嵌入式應用系統開(kāi)發(fā)的公司中，軟硬件人員的比例不會(huì )小于10：1。由于學(xué)習時(shí)間有限，教學(xué)重點(diǎn)應該偏軟件。

②現代社會(huì )強調分工、合作，以求得整體利益的最大化。對個(gè)人的要求首先是專(zhuān)才，能把局部工作做精、做好。通才是需要的，但數量會(huì )比專(zhuān)才少得多，而且通才是練出來(lái)的，不是教出來(lái)的。今后的大學(xué)是大眾教育，教學(xué)只能面向大眾需求。在相關(guān)專(zhuān)業(yè)的研究生階段，對一些有基礎、有興趣的學(xué)生，可以進(jìn)行一些系統級硬件、底層軟件的開(kāi)發(fā)實(shí)踐，同時(shí)也可滿(mǎn)足社會(huì )對高層次嵌入式人才的需要。

③以此為主，可以再開(kāi)設2門(mén)選修課。向下為“單片機原理與應用”，此課程以實(shí)踐為主，讓有興趣的學(xué)生可以自己設計、制作一些單片機應用系統，同時(shí)也鍛煉了硬件動(dòng)手能力。向上為“數字信號處理(DSP)”，讓那些數學(xué)基礎較好、對實(shí)時(shí)信號處理有興趣的學(xué)生有用武之地(現在這樣的學(xué)生很難得)。

另外，由于應用日趨復雜，而教學(xué)時(shí)間有限，一個(gè)本科生在校期間不可能深入學(xué)習嵌入式系統的很多細節，嵌入式教學(xué)應采用自上而下的教學(xué)方法。一開(kāi)始不必花很多時(shí)間講解處理器內核架構/指令系統，只要知道各種內核的基本特點(diǎn)即可，重點(diǎn)學(xué)習、掌握處理器、外設的編程結構(即編程者角度看到的編程模型結構，非具體物理實(shí)現結構)。真實(shí)的應用、研究設計都是從粗粒度向細粒度進(jìn)階的，是一個(gè)自頂向下的過(guò)程，首先要重視的是系統架構和各個(gè)抽象層。1000行的C程序，編譯后生成的目標代碼只有10 KB左右，試想現在的MCU Flash動(dòng)輒幾百KB，為什么?一個(gè)目標代碼幾百KB的C程序，一般不是完全由個(gè)人寫(xiě)出來(lái)的，而都會(huì )使用一些第三方的庫函數、中間件等。硬件也一樣，現在很多硬件系統都會(huì )使用一些模塊(Module)，盡管這些模塊看上去還是一個(gè)芯片，但實(shí)際上已經(jīng)是一個(gè)SiP模塊，如WiFi模塊。所以，在了解基本嵌入式系統結構的基礎上，本科階段要更多地學(xué)習各種系統、模塊、外設、協(xié)議、庫函數的“邊界(InteRFace)”，能夠搭建一個(gè)簡(jiǎn)單系統(How to do)，今后在工作、或研究生階段進(jìn)一步去做好一個(gè)系統(How to do better)。

5結語(yǔ)

嵌入式系統作為一種特殊的計算機應用系統，在任何時(shí)期都有相對的高、中、低端應用，即使在今后，沒(méi)有OS支持的4位或8位單片機的嵌入式應用仍有大量需求，但趨勢是系統化、復雜化。這既是嵌入式系統的特點(diǎn)--廣泛性、差異性和不可壟斷性，也是廣大嵌入系統研發(fā)人員的生存與發(fā)展空間。ARM處理器在便攜、手持式設備以及工業(yè)控制等應用領(lǐng)域，在今后相當長(cháng)的時(shí)間內是一個(gè)很好的選擇。當然，沒(méi)有一種型號的處理器是可以覆蓋所有應用的，也不是搬上一個(gè)嵌入式OS，就可以很好地解決軟件問(wèn)題的。深入了解各種器件特性，選擇最合適的處理器、外圍器件、操作系統和軟件庫，盡可能地優(yōu)化軟件設計，最貼切地滿(mǎn)足應用需求，以獲得最好的系統性?xún)r(jià)比，是嵌入式系統設計開(kāi)發(fā)的精髓。