[讨论] 嵌入式系统开发要点全面剖析

daicheng 2008-9-13 08:32 楼主

无疑嵌入式系统开发是目前相当热门的领域，因为它涉及到的范围实在是太广了，从消费电子到工业应用，从8位的单片机到32位处理器，嵌入式系统俨然成为不可缺少的一环，且有愈演愈热之势。那么该如何学习和开发嵌入式系统呢？需要具备哪些知识和技能？需要怎么去提高？
首先声明，我并非嵌入式方面的高手，远远不是，只是接触过一些嵌入式系统的开发，参加过一点培训，并跟高手有过一些交流，在此把我所知道的东西呈现给大家，不求深，但求全而系统，力求给开发者和学习者一些方向性的建议和指导，如果能给广大热爱嵌入式开发的朋友一些启发和帮助，我愿足矣！

8位的单片机大家都比较熟悉，在此不再赘述，下面主要谈一下32位机的开发，而且我会主要以linux操作系统为主来阐述。广大初学者最常问的一个问题可能就是：该如何学好嵌入式系统呢？这就跟过去大学里面过英语四六级时问到的一样：该如何学好英语呢？其实同英语一样，嵌入式系统一定要去在实战中演练，要去用，在实践的过程中解决问题，获得经验，慢慢才能成为一个高手，如果只是学而没有练，永远都只能是纸上谈兵，一遇到实际问题便束手无策。

嵌入式系统开发包括这几个方面：硬件，底层软件，应用软件。在这几个方面里，硬件和底层软件结合比较紧密，底层软件和应用软件又交互影响，所以嵌入式系统的硬件和软件结合比较紧密。公司一般也不会硬件人员、底层软件人员和应用软件人员三拨人分的很清楚，常常是有些人硬件加底层一块做，应用有人单独做，或者应用加底层一块做，这个可以灵活调配，当然你如果能力强，也可以整个硬件加底层加应用都拿下，但在公司里，就算你都能做，时间上也来不及，产品开发周期都比较短。一般比较好的模式是有人负责硬件和底层软件，有人负责应用软件。负责硬件和底层的人员以电子方面的硬件类专业毕业的人为多，而应用软件人员以计算机等偏软的专业为多。当然专业不是问题，我只是陈述一下大概的现实情况，主要还是看你自己的兴趣、能力、经验积累和机会，

下面我分开叙述一下这几方面的开发要点。

嵌入式系统的硬件比较简单，通常是你选定一款处理器之后，要找到这款处理器的DEMO板（即开发板）的电路图。比如你选的三星的S3C2410，那么三星公司自己会做一款S3C2410的开发板，当然你不必向三星买这块开发板，因为芯片原厂的开发板价格都比较昂贵，如果你选定了这颗芯片，可以向三星索取它的开发板的资料，包括硬件和底层软件资料。当然为了加快开发速度，你可以购买一个国内的厂商做的开发板，因为国内会有很多开发板厂商依据三星官方的这款S3C2410的开发板的资料，经过修改和增减，做成比较实用一些的板子，而且价格会低很多。当然你也可以不买开发板，直接去网上搜索一些资料，对于做的越成熟用的越多的处理器，网上的资料就越多，你如果选的比较冷门的处理器，网上的资料就会很少甚至没有，这时你就只能去购买开发板或者向原厂索取一些资料了。对于象S3C2410这样的处理器，网上你可以找到它的开发板的原理图、PCB图以及底层软件，总之应有尽有，因为这款处理器已经做滥了，传到网上的资料也相当多。

刚才说到的是硬件开发方法的问题，到底具体的嵌入式硬件包含哪些东西呢？说穿了就是最小系统+外围接口。最小系统也就是必不可少的部分，小到不能再小了，再少东西就不能工作了。具体包含以下元件：处理器，晶振，电源，程序存储器（ROM或者FLASH），数据存储器（RAM）。外围接口非常丰富，多种多样，要视具体应用增加或者删减。

对于最小系统很好解释，晶振你可以用无源晶振或者有源晶振都可以，一般处理器的电源至少有两种，一个是外围接口电压，或者叫I/O电压，一个是核心电压，也叫core电压。外围接口电压可能有多种，一般是3.3V、2.5V等，核心电压一般会低一些，比如1.8V、1.5V、1.3V等等，不同的处理器的核心电压也会不同。一般的嵌入式处理器都会集成有RAM和ROM的接口，RAM一般是SDRAM，ROM一般是FLASH。你SDRAM和FLASH的型号选定之后，和处理器的提供的接口相连就可以了。

外围接口丰富多样，每一个嵌入式平台需要的接口也不尽相同。主要包括：串口（RS232，RS485），USB口，网口，I2C接口，SPI接口，AUDIO接口，LCD接口等。这些是比较常用的，很多平台基本上都会包括这些接口。其他一些诸如蓝牙，WIFI，PCI等等，在一些平台上也会提供。一般是处理器里面集成了这些总线接口的控制器（controller），你直接把你的接口设备连到处理器上即可。比如对于串口，几乎所有的嵌入式处理器里面都会集成有几个UART（通用异步收发器），你只需要接一个TTL--RS232的电平转换芯片即可完成串口的设计，当然对于USB口，处理器里面会集成USB Controller，你可以直接把USB接口引出。

对于嵌入式系统来说，核心在软件部分，硬件难度并不大，一般出问题也相对比较少。你只要在官方的DEMO板（或者国内某些开发板厂商提供）的原理图的基础上修改一下，然后布成你自己的板子就可以了。当然布线也有些地方要注意一下，对于SDRAM，其地址线和控制线要尽量等长，其数据线也要尽量等长，当然对于低速的SDR SDRAM来说，频率一般为100/133MHz，这个等长可以做的不严格，但是也不要相差太多。但对于高速的DDR SDRAM来说，布线要注意的就更多了，等长要做的非常严格。一般对于ARM平台，多数支持的是SDR SDRAM，很多POWPC和coldfire平台会支持DDR SDRAM。
只要你完整调试一块板子，基本就掌握了硬件方面的问题，其他的嵌入式平台在硬件方面都很类似。嵌入式系统设计的精华还在于它的软件方面，接下来我会尝试作一下叙述。
对于底层软件，说它是底层主要是因为跟硬件关系密切，而与其相对的应用软件就可以不关心硬件的细节。它主要包括bootloader和内核，有人说了，还有设备的驱动程序呀。是的，驱动程序也是底层软件，但它是内核的一部分，也就是驱动程序最终是要和内核编译在一起的，之所以有时候把内核和驱动程序分开来说，是因为驱动程序这一块比较大，相对内核其他部分比较独立。
技能准备方面主要设计到C语言，当然bootloader和内核里面会有些汇编，但多数的开发工作并不需要去动这些汇编代码。如果要做底层软件，C语言一定要过关。然而内核代码里面的C语言又跟标准C不同，在语法等方面存在一些差异，而且C语言标准库在内核里面是不能用的，内核有它自己的库函数。比如在应用层中，打印函数是printf，而在内核里面，相应的打印函数是printk，这是内核自己的库中的函数。另外，在内核代码中经常会看到一种以“_t”结尾的数据类型，比如dev_t，这也是内核特有的数据类型，表示这种类型是内核对用户隐藏的类型，不希望用户进行修改，以免造成一些麻烦。但差异归差异，内核源代码毕竟是C语言的骨架，所以你如果有良好的C语言基础，学习内核会更得心应手一些。
先说说bootloader，它的功能类似于个人电脑的bios，主要是完成硬件自检和初始化，并加载操作系统。也就是说，它的生存期只是从系统上电到操作系统运行之间的这段时间。
它包含哪些东西呢？bootloader里面一般同时有汇编代码和C代码，如果你要详细了解它的运行机制，可以去找些相关的资料和源代码来看，在此不再赘述。它里面主要是硬件初始化和检测的一些代码，并包含一些硬件的基本驱动程序，比如串口、网口等。为什么说是基本驱动程序呢？比如某个bootloader支持用网口下载内核，那么它必须要能驱动网卡以使其完成下载功能，但也仅仅是驱动网卡下载内核这个简单的任务而已，对于网卡的其他一些复杂的功能并不支持也不需要支持，真正能实现网卡全部功能的驱动程序包含在内核里面。
Bootloader可以分为专用的和通用的两类。专用的即只能用于某一种或某一类平台，比如vivi这种bootloader只支持三星的s3c2410/2440等几款处理器，是专门为三星的ARM开发的一款bootloader。通用的bootloader主要有UBOOT、Redboot等，其中UBOOT用的最多的一种，其通用是因为它支持各种各样的平台，比如ARM、Powerpc、Xscale、Mips等，很多款处理器都支持。其版本有1.1.1、1.1.2、1.1.4、1.1.6、1.2.0等，其中1.1.1是比较老的版本，但现在仍有不少产品在用，1.1.6是比较常用的一个版本，1.2.0是比较新的版本。是选择新版本还是老点的版本要根据你的需求来，并不是越新越好，当然新版本支持的平台会多一点，会修改一些以前版本的bug，但同时也会带来一些新的bug。如果新版本中新增的特性对你来说毫无用处，那么选择老点的版本反而是个好的选择，
因为比较成熟，出了问题可以找到的解决办法也比较多。
有人会混淆bootloader和BSP（board support package）的概念，比较这两个概念有点关公战秦琼的味道了，因为这两个东西其实是运行在不同阶段的，前面说过，bootloader是在操作系统启动之前运行的，而BSP是嵌入式linux系统的一部分，是和操作系统同时运行的，它是硬件和操作系统内核之间的接口，使内核跟具体的硬件平台关联起来，或者说使内核可以运行在某种硬件平台上。很多情况并不需要开发linux下的BSP的，因为有些内核已经包含了很多平台的BSP在里面，你只需要直接编译该内核并根据你的硬件做些修改就可以了。
嵌入式系统开发比较重要的一块就是嵌入式操作系统的开发，下面我会做大概的探讨。