為嵌入式軟件建立統一軟件系統框架的方法詳介

嵌入式系統硬件與軟件發(fā)展的不平衡

　　嵌入式系統是整合了計算機硬件和軟件的集合體，它是通過(guò)可編程器件的計算和控制能力完成特定功能的系統。越來(lái)越多的嵌入式系統要求有連接網(wǎng)絡(luò )、多媒體信息處理和無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信的能力。然而，飛速發(fā)展不斷有突破的嵌入式系統硬件技術(shù)與相對發(fā)展較慢的軟件技術(shù)形成明顯對比。

　　認為摩爾定律很快會(huì )遭遇物理極限的預測不斷被突破，半導體工藝正在向納米級進(jìn)軍，使計算器件集成度更高、速度更快、體積更小、功耗更低。隨著(zhù)系統芯片(SoC)技術(shù)的發(fā)展和成熟，越來(lái)越多的嵌入式系統將采用硅知識產(chǎn)權(SIP)，利用ASIC或半定制器件(FPGA/CPLD)技術(shù)把CPU核和外圍器件整合到一個(gè)芯片中。這將極大的提升硬件系統設計的靈活性、可靠性，以及提高硬件開(kāi)發(fā)的速度和降低系統的成本。

硬件技術(shù)的飛速發(fā)展和體系
　　結構的不斷改進(jìn)，在很長(cháng)一段時(shí)間內對嵌入式系統軟件工程師而言,似乎并未產(chǎn)生很大影響，他們仍然沿用傳統的軟件設計方法和調試方法。近幾年，隨著(zhù)硬件復雜性的增加和對系統功能和性能需求的大幅度提高，特別是要求系統具有靈活方便的網(wǎng)絡(luò )連接、輕巧節電的無(wú)線(xiàn)移動(dòng)和功能強大的多媒體信息處理等能力，使軟件開(kāi)發(fā)工作量急劇增長(cháng)，甚至可以占到全部工作的70~80%以上。這樣的系統不再是單槍匹馬可以完成的，需要集合一個(gè)開(kāi)發(fā)團隊協(xié)同工作才能完成。嵌入式系統軟件的開(kāi)發(fā)，越來(lái)越成為制約嵌入式系統開(kāi)發(fā)的瓶頸。

嵌入式系統軟件的特點(diǎn)及其開(kāi)發(fā)途徑

　　嵌入式系統軟件從簡(jiǎn)單到復雜可以千差萬(wàn)別，天地懸殊。雖然它們結構相對簡(jiǎn)單，但是不同系統對不同的性能往往有特定的要求，有的要求非?？量毯蛧栏?。對簡(jiǎn)單系統可以用傳統方法，從底層用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)程序，利用在線(xiàn)仿真器(ICE)、在線(xiàn)調試器(ICD)等開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行調試軟件。但是對那些復雜的嵌入式系統，特別是有多個(gè)控制環(huán)路、并需要在優(yōu)化級可控的情況下能預測其運行狀態(tài)時(shí)，不利用實(shí)時(shí)操作系統和嵌入式系統開(kāi)發(fā)平臺進(jìn)行開(kāi)發(fā)，是很難或者幾乎不可能達到預定要求的。

　　利用嵌入式系統開(kāi)發(fā)平臺開(kāi)發(fā)嵌入式系統軟件，往往需要針對不同的硬件編寫(xiě)實(shí)時(shí)操作系統內核移植代碼。通過(guò)編譯、鏈接、定址將操作系統映像固化到(EP)ROM或者Flash(閃存)中。

　　對于大的開(kāi)發(fā)項目，可以購買(mǎi)商業(yè)化的實(shí)時(shí)操作系統和嵌入式系統開(kāi)發(fā)套件，甚至將軟件開(kāi)發(fā)外包給一些專(zhuān)業(yè)的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)商，但是這需要投入少則幾萬(wàn)，多則上百萬(wàn)元人民幣購買(mǎi)軟件，有些還需要對開(kāi)發(fā)出來(lái)的每一件產(chǎn)品再繳納相應的授權使用費。對于更多大量的小項目而言，顯然不能走這條路，使用源代碼開(kāi)放的嵌入式操作系統才是合適的選擇。

軟件編程接口規范和標準化

　　硬件器件與軟件模塊相比，具有很高的可置換性，這是因為硬件器件的功能特性、電氣特性、機械特性等都有明確的定義，這種組件單元標準化的特點(diǎn)是硬件技術(shù)的發(fā)展始終快于軟件發(fā)展的原因。在軟件技術(shù)方面，中間件和面向對象技術(shù)在一定程度上正是類(lèi)比硬件而發(fā)展起來(lái)的，然而還遠未成熟，至今在嵌入式系統軟件的開(kāi)發(fā)中還沒(méi)有能真正地使用起來(lái)。

　　在傳統單片機系統軟件開(kāi)發(fā)時(shí)代，代碼的可重用性極差，系統的開(kāi)發(fā)極大程度地依賴(lài)于軟件編程人員的編程技巧。這是因為軟件開(kāi)發(fā)的靈活性造成的。只要正確的使用編程語(yǔ)言和軟件開(kāi)發(fā)工具，不同的軟件設計人員對于同一種需求會(huì )開(kāi)發(fā)出不同的軟件。正是這種靈活性，導致了很多的軟件不具有移植性。

　　軟件要具有優(yōu)良的體系結構和良好的移植性，必須將開(kāi)發(fā)的操作系統納入一個(gè)嚴格定義的框架。至少需要考慮以下幾個(gè)方面： 高級語(yǔ)言和將匯編語(yǔ)言模塊化—為了使系統具有高的可移植性，盡量使用C或者Embedded C++來(lái)開(kāi)發(fā)系統軟件。

　　模塊化——將系統功能分成模塊。模塊設定的合理方法是：根據硬件能力，自下而上的綜合。

　　提供標準接口—提供了POSIX 1003.1規范的操作系統就具有了UNIX系統的標準接口。Linux和QNX就是實(shí)現了POSIX規范的操作系統。符合軟件應用編程接口(API)規范，就可以比較容易地移植UNIX系統的應用軟件。

　　嚴格的體系結構層次——按層次劃分，依次是應用軟件→操作系統→功能級抽象→寄存器級抽象→硬件。其中，寄存器級抽象層(rHAL)直接與硬件相關(guān)，它封裝微控制器和外圍設備的寄存器接口及其行為。一般而言，它需要定義完整的寄存器序列名稱(chēng)。功能抽象層(fHAL)封裝硬件的功能行為，通常把其定義成若干可以執行命令的函數。

軟件系統體系結構

　　運行于特定硬件平臺的操作系統是系統資源的管理者，作為軟件的操作系統也是系統資源的使用者。操作系統內核是一個(gè)自治的軟件環(huán)境，不依賴(lài)于任何其他的軟件模塊。內核通常提供進(jìn)程調度(SCHED)、內存管理(MM)、文件系統(FS)、進(jìn)程間調用(IPC)和網(wǎng)絡(luò )(NET)等功能模塊。這些模塊之間相互有不同程度的依賴(lài)關(guān)系。其中進(jìn)程調度和內存管理處于核心地位，反映了操作系統對計算機主機資源的管理。另外，文件系統是操作系統的信息中心，反映了操作系統對計算機存儲介質(zhì)的管理。操作系統往往把計算機的外部設備映射到文件系統，利用統一的文件系統訪(fǎng)問(wèn)接口實(shí)現對外部設備的訪(fǎng)問(wèn)。進(jìn)程間調用和網(wǎng)絡(luò )通常是可選模塊。

　　體系結構的各層之間有不同的功能和責任。寄存器級封裝反映了實(shí)現同一個(gè)功能可用不同的元器件。針對不同的芯片要編寫(xiě)合適的驅動(dòng)程序。這些驅動(dòng)程序一般不具有可移植性，因為它們是同級，實(shí)現對不同器件的功能級接口。例如，NE2000成為以太網(wǎng)事實(shí)的接口標準，兼容NE2000的以太網(wǎng)控制器，可以使用NE2000驅動(dòng)程序，而不一定要開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的驅動(dòng)程序。如果是不兼容的以太網(wǎng)控制器，寄存器的布局和命令會(huì )有不同，并無(wú)法映射寄存器。折衷的辦法是梳理出功能級抽象層所必需的基本操作，建立功能級的實(shí)現框架。針對不同的硬件，使用同一種實(shí)現框架可以保證功能級抽象的質(zhì)量，并且可以提高移植的效率。

結語(yǔ)

　　縱觀(guān)軟件的發(fā)展，從批處理到面向過(guò)程的編程，到面向對象的編程，再到面向框架的編程，體現了需求的拉動(dòng)和技術(shù)的發(fā)展。嵌入式系統正經(jīng)歷一個(gè)快速發(fā)展階段，嵌入式系統硬件技術(shù)的發(fā)展已超過(guò)了軟件技術(shù)。軟件技術(shù)的滯后，造成了軟件的高成本和低開(kāi)發(fā)效率，這已成為制約嵌入式系統發(fā)展的瓶頸。只有建立統一的清晰的操作系統層次的標準接口，實(shí)現軟件構件的可重用性，才能夠大幅度提高嵌入式系統的軟件的開(kāi)發(fā)效率。


參考文獻：
1 Red Hat Inc. ‘eCos Reference Manual.’ www.redhat.com.
2 ARM Limited. ‘ARM Firmware Suite Version 1.3 Reference Guide.’ www.arm.com.
3 Labrosse. J. J., 邵貝貝譯.‘ mC/OS-II, The Real-Time Kernel. ’清華大學(xué)出版社.