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1 嵌入式系统与Linux 按照电气工程师协会的一个定义：嵌入式系统是用来控制或监视机器、装置或工厂等的大规模系统的设备。具体说来，它是电脑软件和硬件的综合体；是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。一般来说，嵌入式系统不能使用通用型计算机，而且运行的是固化的软件，终端用户很难或者不可能改变固件。而Linux也早已成为IT界家喻户晓的一个名字。概括说来，将Linux应用于嵌入式系统的开发有如下一些优点： ① Linux自身具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，并且可以跨越在嵌入式系统开发中仿真工具(ICE)的障碍。 ② 内核的完全开放，使得可以自己设计和开发出真正的硬实时系统；对于软实时系统，在Linux中也容易得到实现。 ③ 强大的网络支持，使得可以利用Linux的网络协议栈将其开发成为嵌入式的TCP/IP网络协议栈。 2 嵌入式系统设计的过程按照嵌入式系统的工程设计方法，嵌入式系统的设计可以分成三个阶段：分析、设计和实现。分析阶段是确定要解决的问题及需要完成的目标，也常常被称为"需求阶段"；设计阶段主要是解决如何在给定的约束条件下完成用户的要求；实现阶段主要是解决如何在所选择的硬件和软件的基础上进行整个软、硬件系统的协调实现。在分析阶段结束后，通常开发者面临的一个棘手的问题就是硬件平台和软件平台的选择，因为它的好坏直接影响着实现阶段的任务完成。通常硬件和软件的选择包括：处理器、硬件部件、操作系统、编程语言、软件开发工具、硬件调试工具、软件组件等。通常硬件和软件的选择包括：处理器、硬件部件、操作系统、编程语言、软件开发工具、硬件调试工具、软件组件等。在上述选择中，通常，处理器是最重要的，同时操作系统和编程语言也是非常关键的。处理器的选择往往同时会限制操作系统的选择，操作系统的选择又会限制开发工具的选择。 3 硬件平台的选择 3.1 处理器的选择嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有30几个系列。但与全球PC市场不同的是，没有一种微处理器和微处理器公司可以主导嵌入式系统，仅以32位的CPU而言，就有100种以上嵌入式微处理器。由于嵌入式系统设计的差异性极大，因此选择是多样化的。调查上市的CPU供应商，有些公司如Motorola、Intel、AMD很有名气，而有一些小的公司，如QED(Santa Clara.CA)虽然名气很小，但也生产很优秀的微处理器。另外，有一些公司，如ARM、MIPS等，只设计但并不生产CPU，他们把生产权授予世界各地的半导体制造商。ARM是近年来在嵌入式系统有影响力的微处理器制造商，ARM的设计非常适用于小的电源供电系统。Apple在Newton手持计算机中使用ARM，另外有几款数字无线电话也在使用ARM。设计者在选择处理器时要考虑的主要因素有： ① 处理性能。一个处理器的性能取决于多个方面的因素，如时钟频率，内部寄存器的大小，指令是否对等处理所有的寄存器等。对于许多需用处理器的嵌入式系统设计来说，目标不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选取能够完成作业的处理器和I/O子系统。如果是面向高性能的应用设计，那么建议考虑某些新的处理器，其价格相对低廉，如IBM和Motorola Power PC。 ② 技术指标。当前，许多嵌入式处理器都集成了外围设备的功能，减少了芯片的数量，降低了整个系统的开发费用。开发人员首先考虑的是，系统所要求的一些硬件能否无需过多的胶合逻辑(GL，Glue Logic)就可以连接到处理器上。其次是考虑该处理器的一些支持芯片，如DMA控制器，内存管理器，中断控制器，串行设备、时钟等的配套。 ③ 功耗。嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是手持设备、电子记事本、PDA、手机、GPS导航器、智能家电等消费类电子产品。这些产品中选购的微处理器，典型的特点是要求高性能、低功耗。许多CPU生产厂家已经进入了这个领域。今天，用户可以买到一颗嵌入式的微处理器，其速度像笔记本中的Pentium一样快；而它仅使用普通电池供电即可，并且价格很便宜。如果用于工业控制，则对这方面的考虑较弱。 ④ 软件支持工具。仅有一个处理器，没有较好的软件开发工具的支持也是不行的，因此选择合适的软件开发工具对系统的实现会起到很好的作用。 ⑤ 是否内置调试工具。处理器如果内置调试工具可以大大缩小调试周期，降低调试的难度。 ⑥ 供应商是否提供评估板。许多处理器供应商可以提供评估板来验证理论是否正确，决策是否得当。 3.2 硬件部件选择的其它因素 ① 生产规模。打算做1套?多套?还是规模生产?如果生产规模比较大，可以自己设计和制备硬件，这样可以降低成本。反之，最好从第三方购买主板和I/O板卡。 ② 开发的市场目标。如果想使产品尽快发售，以获得竞争力，此时要尽可能买成熟的硬件；反之，可以自己设计硬件，降低成本。 ③ 软件对硬件的依赖性。软件是否可以在硬件没有到位的时候并行设计或先行开发。 ④ 只要可能，尽量选择使用普通的硬件。在 CPU 及架构的选择上，一个原则是：只要有可替代的方案，尽量不要选择 Linux 尚不支持的硬件平台。 4 软件平台的选择 4.1 操作系统的选择 (1)操作系统选择应考虑的因素硬件方案确定之后，操作系统的选择就相对轻松了。硬件的不同，会影响操作系统的选择。低端无MMU(Memory Management Unit，存储器管理单元)的CPU，要使用uClinux 操作系统；而相对高端的硬件，则可以用普通的嵌入式 Linux 操作系统。uClinux 和普通的 Linux 有各自的优势和缺点。可用于嵌入式系统软件开发的操作系统很多，但关键是如何选择一个适合开发项目的操作系统。经过多年的开发实践，笔者认为应该从以下几点进行考虑： ① 操作系统提供的开发工具。有些实时操作系统(RTOS)只支持该系统供应商的开发工具，因此，还必须向操作系统供应商获取编译器、调试器等；而有些操作系统使用广泛，且有第三方工具可用，因此，选择的余地比较大。 ② 操作系统向硬件接口移植的难度。操作系统到硬件的移植是一个重要的问题，是关系到整个系统能否按期完工的一个关键因素。因此,要选择那些可移植性程度高的操作系统，避免操作系统难以向硬件移植而带来的种种困难，加速系统的开发进度。 ③ 操作系统的内存要求。均衡考虑是否需要额外花钱去购买RAM或EEPROM来迎合操作系统对内存的较大要求。 ④ 开发人员是否熟悉此操作系统及其提供的API。 ⑤ 操作系统是否提供硬件的驱动程序，如网卡等。 ⑥ 操作系统的可剪裁性。有些操作系统具有较强的可剪裁性，如嵌入式Linux、Tornado/VxWorks等等。 ⑦ 操作系统的实时性能。 (2)几类嵌入式Linux系统的比较嵌入式Linux系统方面的产品主要分为三类：第一类是专门为Linux的嵌入式应用而做的。如何让Linux更小、更容易嵌入到体积要求和功能、性能要求更高的硬件中去，是他们的产品开发方向，如MontaVista的MontaVista Linux等。第二类是专门为Linux的实时特性设计的产品。将Linux开发成实时系统尤其是硬实时系统，应用于一些关键的控制场合(不仅仅是信息电器)。如，Fsmlabs公司开发出来的RT-Linux产品已经用在工业控制的很多方面；葡萄牙的Coimbra大学已经利用RT-Linux实现了化工生产控制厂里用来控制反应和程序控制的系统。第三类的产品是将实时性和嵌入式方案结合起来的方案。很多公司都这么做，并且提供集成化的开发方案，如Lineo、TimeSys等等。因此选择操作系统时，要根据自己的嵌入式要求和实时性要求，选择适合自己的嵌入式Linux；同时，和选择硬件的原则一样，如果可能，尽量选择使用普通的嵌入式Linux 系统。 4.2 编程语言的选择编程语言的选择主要考虑以下因素： ① 通用性。不同种类的微处理器都有自己专用的汇编语言。这就为系统开发者设置了一个巨大的障碍，使得系统编程更加困难，软件重用无法实现。而高级语言一般和具体机器的硬件结构联系较少，多数微处理器都有良好的支持，通用性较好。 ② 可移植性程度。汇编语言和具体的微处理器密切相关，为某个微处理器设计的程序不能直接移植到另一个不同种类的微处理器上使用，移植性差；而高级语言对所有微处理器都是通用的，程序可以在不同的微处理器上运行，可移植性较好。 ③ 执行效率。一般来说，越是高级的语言，其编译器和开销就越大，应用程序也就越大、越慢；但单纯依靠低级语言，如汇编语言来进行应用程序的开发，带来的问题是编程复杂、开发周期长。因此，存在一个开发时间和运行性能间的权衡问题。 ④ 可维护性。低级语言如汇编语言，可维护性不高。高级语言程序往往是模块化设计，各个模块之间的接口是固定的。当系统出现问题时，可以很快地将问题定位到某个模块内，并尽快得到解决。另外，模块化设计也便于系统功能的扩充和升级。几种开发语言的比较：在嵌入式系统开发过程中使用的语言种类很多，比较广泛应用的高级语言有：Ada、C/C++、Modula-2和Java等。Ada语言定义严格，易读易懂，有较丰富的库程序支持，目前在国防、航空、航天等相关领域应用比较广泛，未来仍将在这些领域占有重要地位。C语言具有广泛的库程序支持，目前在嵌入式系统中是应用最广泛的编程语言，在将来很长一段时间内仍将在嵌入式系统应用领域占重要地位。C++是一种面向对象的编程语言，目前在嵌入式系统设计中也得到了广泛的应用，如GNU C++。Visual C++，是一种集成开发环境，支持可视化编程，广泛应用于GUI程序开发。但C与C++相比，C++的目标代码往往比较庞大和复杂，在嵌入式系统应用中应充分考虑这一因素。Modula-2定义清晰，支持丰富，具有较好的模块化结构，在教学科研方面有较广泛的应用。虽然该语言的开发应用一直比较平缓，但近两年在欧洲有所复苏。Java语言相对年轻，但有很强的跨平台特性，目前发展势头较为强劲。Java语言的"一次编程，到处可用"的特性，使得它在很多领域备受欢迎。随着网络技术和嵌入式技术的不断发展，Java及嵌入式Java的应用也将越来越广泛，但是Java消耗硬件资源较大。 4.3 集成开发环境考虑的因素集成开发环境IDE(Integrated Development Environment)应考虑以下因素： ① 系统调试器的功能。系统调试特别是远程调试是一个重要的功能。 ② 支持库函数。许多开发系统提供大量使用的库函数和模板代码，如大家比较熟悉的C++编译器就带有标准的模板库。它提供了一套用于定义各种有用的集装、存储、搜寻、排序对象。与选择硬件和操作系统的原则一样：除非必要，尽量采用标准的 glibc。 ③ 编译器开发商是否持续升级编译器。 ④ 连接程序是否支持所有的文件格式和符号格式。 4.4 硬件调试工具的选择好的软件调试程序可以有效地发现大多数的错误，但是如果再选择一个好的硬件调试就会达到事半功倍的效果。常用的硬件调试工具有以下几种： ① 实时在线仿真器(ICE，In-Circuit Emulator)。用户从仿真插头向ICE看，ICE应是一个可被控制的MCU。ICE是通过一根短电缆连接到目标系统上的。该电缆的一端有一个插件，插到处理器的插座上，而处理器则插到这个插件上。ICE支持常规的调试操作，如单步运行、断点、反汇编、内存检查、源程序级的调试等等。 ② 逻辑分析仪。逻辑分析仪最常用于硬件调试，但也可用于软件调试。它是一种无源器件，主要用于监视系统总线的事件. ③ ROM仿真器。ROM仿真器用于插入目标上的ROM插座中的器件，用于仿真ROM芯片。可以将程序下载到ROM仿真器中，然后调试目标上的程序，就好像程序烧结在PROM中一样，从而避免了每次修改程序后直接烧结的麻烦。 ④ 在线调试OCD或在线仿真(on-chip emulator)，特别的硅基材料以及定制和CPU引脚的串行连接，在这种特殊的CPU芯片上使用OCD (On-Chip Debugging)，才能发挥出OCD的特点。用低端适配器就可以把OCD端口和主工作站以及前端调试软件连接起来。从OCD的基本形式看来，它的特点和单一的ROM监测器是一致的，但是不像后者那样，需要专门的程序以及额外的通信端口。 4.5 软件组件的选择有些软件组件是免费的，有些软件组件是授权的。授权软件组件的费用一般都很高，但大都经过严格的测试，可靠性高，调试时间短。现在也有一些免费的自由软件组件，它们的性能、可靠性也很好。因此开发人员在选择的时候要加以权衡，确定哪种方案更好。 5 展望国外的开发已经如火如荼，国内的开发也不甘示弱。Linux在嵌入式系统中具有强大的生命力和利用价值，很多公司和大学都不同程度地表现出对这个方面的兴趣。有理由相信，嵌入式Linux的发展将带领我们进入嵌入式系统的新时代！学习嵌入式在这里我把它单独列出，文章有点紊乱，但是内容希望有益。 1、学习linux 根据我在论坛的了解，我选择学习嵌入式linux，刚好我们学校也重视嵌入式linux，从实验室到课程安排都是关于嵌入式linux方面，天时地利！这里我把学习linux的经验和教训说说。可以这样说，在论坛里说道学习linux差不多就学习linux内核。于是我电脑里安装了linux就开始看linux内核方面的书了。我记得来学校以前就买到一本陈莉君的讲linux内核的第一版，现在有第二版了。我就开始看那本说，大家说linux内核情景分析不错，我就买了上下册，后来又买了《深入理解linux内核》，最后也买了毛德操的《嵌入式系统》也是分析linux内核代码的，主要讲arm相关的。看内核期间是个非常痛苦的过程，看情景分析有种在森林中找出路，其间我组织了一些同学学习内核，几乎没有几个能坚持下来的。我认为我是坚持下来了。情景分析在看第一、第二遍是几乎没有摸到门道，我分析有三个方面的原因：1、自己的基础差，这是最关键的。2、内核本身很难。3、没有交流和高人指点。到了第三遍时我才摸到门，才差不多知道个linux的大概脉络，很多细节也是稀里糊涂。学习linux总结，这里声明一下，我指的嵌入式主要是偏向软件的嵌入式。学习嵌入式的重点和难点关键在操作系统，如果没有掌握操作系统，我认为很难把握一个嵌入式系统。即使在做嵌入式开发中，作应用层的开发几乎可以不知道操作系统也可以开发，我认为那是浮在表面的。很难深入和提高自己的层次。声明：一孔之见！不可深究！在学习linux内核过程中犯了一个极其严重路线错误：对linux几乎不懂就开始学习内核。我个人推荐一个学习路线是：使用linux-〉linxu系统编程开发---〉驱动开发和分析linux内核。而我差不多相反，实际上你不会使用linux也可以学习内核，但是如果你懂了这些东西学习更有效率。关于要不要学习内核的问题，我的回答如下：不一定。如果你是喜欢钻研的那你进入内核会满足你的欲望。同时对你以后的嵌入式系统的开发有很好的影响。如果你想从事嵌入式linux系统开发，最好对内核有所了解。如果仅仅是做应用开发没有必要。我打个比喻：c、c++、java等语言是武林中的某个武林派别的话，如什么拳法，什么刀法等，那么linux 内核应该是一个人的内功的反应。怎么开始学linux内核：最好有三件宝物：《深入理解linux内核》《情景分析》和源代码。先看《深入理解linux内核》，那主要讲原理，好像市场上有本讲原理性并且更浅，《linux内核设计与实现》听说不错。如果没有学习操作系统的，像我这样的，最好先看看操作系统原理的书。看了几遍后，就看情景分析，最好对着《深入理解linux内核》看。两本交叉看，《深入理解linux内核》是纲，《情景分析》是目。最后深入代码。 2、学习嵌入式linux 学习嵌入式，我认为两个重点，cpu和操作系统，目前市场是比较流行arm，所以推荐大家学习arm。操作系统很多，我个人对开始学习的人，特别不是计算机专业的，推荐学习ucos。那是开源的，同时很小。学习很好。为什么选linux，我不想讲太多，网上这方面的太多，但是我在工作中发现，做linux的技术路线很难，在windows几乎不会有的问题，在linux开发中几乎遍地陷阱。一掉进去划很长时间出来，一旦解决自己又长进了！相对来说开发周期长，难度大。现在资料也逐渐丰富起来，难度也降低了些！至于怎么学习，这是他的特色地方，必须有块开发板，我是同学里最早买学习板的，虽然花钱，我认为值。对我实习和工作产生了很大的影响。如果没有开发板，那是纸上谈兵。兄弟，看长远的，对您的职业和发展那点钱不算什么！有的人说我站着说话不腰痛，好吧，钱这东西对我影响很大，我在大学里扫厕所，扫的不错，奖50元/月。兄弟你有过吗？我认为教育投资是效益最有保障的！我实习拿3k，当然比我高的也有。虽然我现在没有毕业，但一家公司就签了。从事目前流行的高档的消费电子的研发。对于我两年前一无所知的我，应该有质的变化，我感谢学校收了我这个废品。当然我也非常的努力。说这么多并不是要炫耀我什么，实际上根本不值得炫耀，虽然现在工作环境和待遇比较满意，但是，我发现我很差，特别是代码能力，我希望平常大家少玩游戏，多编程。编程才是硬道理！ 3、学习板和培训你可以不接受培训，但是不能不买开发板。如果你想学习嵌入式一定要买块学习板，最好买块arm9的，贵些也值。可以跑高级操作系统。这个不要什么品牌公司的，一般不会出什么问题，市场上的板子一般是三星的2410，基本上是抄的。如果是做产品那要注意些。一般的公司一般要2000，加lcd要3000甚至更多。我接触到有的板只要1200，加lcd也就2000，差别比较大，我认为学习都够啦。对于培训，如果有条件最好参加，主要是嵌入式相对别的不同，自己摸索很费时，如果有高手指点非常的好，进步快。特别是认识做这些的朋友。我接受过培训，认识个朋友。在以后的工作中帮我很多，在这里谢谢他！我记得哈佛的一个读MBA的哥们这样说，大意是：在哈佛学到什么不重要，最重要的是这些未来各大公司的高级管理人员是我的同学！真是有远见！目前市场是培训比较贵，一个星期两三千，真正算起来也要，那些讲师待遇绝对不会低。但是有个致命的问题是连续上课，一连几天，效果不佳。我希望社会上多出些1000元左右，并且时间长些，如一个月，一周一到两次课。如果没人做，我来做，哈哈！没有想到，一下写了这么多，其实还想写的，比如在中科院的一位老兄是怎样学习linux内核和看书的，真的很感动。他的为人我很钦佩。也想介绍毛德操的《嵌入式系统》那本书，对学习arm linux的很好，也想介绍实习和工作的东西，太长了，耽误大家时间。我也不想检查里面的错别字了，很多！就写到这里吧。

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