解密32位嵌入式處理器與8位處理器的應(yīng)用開(kāi)發(fā)

ARM處理器在全球范圍的流行，32位的RISC嵌入式處理器已經(jīng)成為嵌入式應(yīng)用和設(shè)計(jì)的主流。與國(guó)內(nèi)大量應(yīng)用的8位單片機(jī)相比，32位的嵌入式 CPU有著非常大的優(yōu)勢(shì)，它為嵌入式設(shè)計(jì)帶來(lái)豐富的硬件功能和額外的性能，使得整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的升級(jí)只需通過(guò)軟件的升級(jí)即可實(shí)現(xiàn)。而8位處理器通常受到的 64K軟件限制也不存在了，設(shè)計(jì)者幾乎可以任意選擇多任務(wù)操作系統(tǒng)，并將應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)得復(fù)雜龐大，真正體現(xiàn)“硬件軟件化”的設(shè)計(jì)思想。

什么發(fā)生了改變

目前，國(guó)內(nèi)熟悉8位處理器開(kāi)發(fā)的工程師非常多，開(kāi)發(fā)工具和手段也很豐富，并且價(jià)格較低。而32位處理器的開(kāi)發(fā)與8位處理器的開(kāi)發(fā)則有著許多明顯的不同。

第一，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS)引入32位嵌入式系統(tǒng)。

由于32位CPU的資源豐富，指令集相對(duì)龐大，而且，系統(tǒng)軟件比較復(fù)雜，所以，通常在開(kāi)發(fā)時(shí)要選用相應(yīng)的RTOS來(lái)對(duì)應(yīng)用軟件中的各個(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。軟件設(shè)計(jì)工程師需要學(xué)習(xí)全新的RTOS技術(shù)，掌握底層軟件、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試方法。這對(duì)于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。

當(dāng)然，RTOS的引入，也將給嵌入式開(kāi)發(fā)商帶來(lái)軟件的模塊化和可移植化等好處，為軟件的工程化管理做好準(zhǔn)備。

第二，調(diào)試的硬件接口發(fā)生改變。

在開(kāi)發(fā)8位處理器時(shí)，通常采用在線(xiàn)仿真器ICE(In-Circuit-Emulator)，ICE通過(guò)插座或者相應(yīng)的夾具替代CPU來(lái)進(jìn)行仿真和開(kāi)發(fā) 工作。而對(duì)于32位嵌入式處理器來(lái)說(shuō)，因其過(guò)高的時(shí)鐘頻率(50MHZ 至400MHZ以上)和復(fù)雜的封裝形式(如BGA)導(dǎo)致ICE很難勝任開(kāi)發(fā)工具的 工作。CPU廠(chǎng)商借助于邊界掃描接口(JTAG口)來(lái)提供調(diào)試信息，供開(kāi)發(fā)者進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

JTAG口通常是一個(gè)14Pin或20Pin的插座，JTAG調(diào)試器(或稱(chēng)JTAG仿真器)因?yàn)榭芍苯訌腃PU獲取調(diào)試信息而使得該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，從而使得價(jià)格要低于ICE。

第三，系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方式產(chǎn)生變化。

對(duì)于一個(gè)8位的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)者只需按照硬件設(shè)計(jì)及調(diào)試、軟件(匯編或C語(yǔ)言)編程、定位引導(dǎo)、軟件調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等過(guò)程來(lái)進(jìn)行即可，應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)通常在硬件之后，且應(yīng)用軟件包是不能通用的。

對(duì)于一個(gè)32位的嵌入式系統(tǒng)則不同。在硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的同時(shí)，需要有實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境，軟件工程師可以同時(shí)進(jìn)行應(yīng)用軟件包的開(kāi)發(fā)和調(diào)試。在硬件調(diào)試 結(jié)束時(shí)，應(yīng)進(jìn)行BSP(板級(jí)支持包)的設(shè)計(jì)和調(diào)試。在BSP調(diào)試通過(guò)后，方可進(jìn)行系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的聯(lián)調(diào)。通常應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)可以單獨(dú)進(jìn)行。更換 CPU 或硬件平臺(tái)后，應(yīng)用軟件包是通用的(要基于同樣的RTOS)。

那么，開(kāi)發(fā)一個(gè)32位的嵌入式系統(tǒng)需要哪些工具和環(huán)境呢?

首先需要選擇一個(gè)合適的多任務(wù)操作系統(tǒng)。

目前，商用的RTOS比較多，如Linux、Nucleus、WinCE、VxWorkx等。用戶(hù)可根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求和商業(yè)要求，選擇合適的一種。

另外，要選擇相應(yīng)的編譯工具和調(diào)試環(huán)境。

根據(jù)所選用的RTOS和編程語(yǔ)言(C或C++)來(lái)確定要使用的編譯器。對(duì)于ARM系列CPU來(lái)說(shuō)，比較常見(jiàn)的有arm公司的SDT和ADS，以及免費(fèi)的GNU等。

許多廠(chǎng)商將編譯器(Compiler)、連接器(Linker)、定位器(Locater)、模擬器(Simulator)和監(jiān)控調(diào)試器 (Monitor Debugger)作為一個(gè)整體提供給用戶(hù)。這通常稱(chēng)為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 IDE(Integrated Development Environment)。選用IDE將給調(diào)試帶來(lái)許多方便。

再者，要選擇合適的JTAG仿真器。JTAG仿真器的一端通過(guò)JTAG連接電纜與目標(biāo)板相連，另一端則與主機(jī)的調(diào)試環(huán)境相連。與主機(jī)的連接方式通常有三種。一是并口方 式，一是USB口方式，另一種是網(wǎng)口方式。這三種方式在代碼下載速度、連接方便性、調(diào)試資源共享性等方面均有所不同，用戶(hù)可以根據(jù)經(jīng)費(fèi)、技術(shù)方案要求、主 機(jī)環(huán)境等實(shí)際情況來(lái)選擇。另外，JTAG的主頻也是影響 JTAG仿真器速度的重要技術(shù)指標(biāo)，越快速的JTAG仿真器，其JTAG主頻也越高。

與ICE開(kāi)發(fā)方式相似，JTAG仿真器也提供邏輯追蹤功能，以確保硬件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)的順利進(jìn)行。該功能需要增加額外的費(fèi)用，因而建議只在進(jìn)行復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中選購(gòu)。

好的JTAG仿真器還應(yīng)該支持任務(wù)級(jí)調(diào)試。其調(diào)試環(huán)境除具有豐富的調(diào)試功能，良好的調(diào)試界面外，還應(yīng)該能夠“認(rèn)識(shí)”各種不同類(lèi)型的RTOS。這樣，用戶(hù) 在進(jìn)行基于RTOS的軟件調(diào)試時(shí)，能夠直接對(duì)各種任務(wù)進(jìn)行操作。如果JTAG仿真器不能支持任務(wù)的調(diào)試，那么，將給軟件開(kāi)發(fā)工程師帶來(lái)諸多不便，影響開(kāi)發(fā) 進(jìn)度。

32位嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在其特有的技術(shù)難點(diǎn)，因此開(kāi)發(fā)者對(duì)其要有充分的心理準(zhǔn)備并做出相應(yīng)的對(duì)策。

BSP的開(kāi)發(fā)和調(diào)試 在硬件調(diào)試完成后，就需要進(jìn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)的移植。其中最主要的就是BSP的開(kāi)發(fā)和調(diào)試。在整個(gè)嵌入式系統(tǒng)中，應(yīng)用軟 件通過(guò)對(duì)系統(tǒng)軟件的調(diào)用來(lái)完成各種應(yīng)用功能。而系統(tǒng)軟件則是通過(guò)BSP來(lái)完成與硬件設(shè)備的握手連接。所以，BSP的性能將影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

由于操作系統(tǒng)(RTOS)廠(chǎng)商提供的開(kāi)發(fā)環(huán)境的建立，是基于BSP的正常工作，只有在BSP工作正常后，用戶(hù)才能“看到”整個(gè)系統(tǒng)硬件資源。因此，在此之前，用戶(hù)對(duì)BSP的調(diào)試幾乎是在“盲目”中進(jìn)行的。BSP的開(kāi)發(fā)調(diào)試有時(shí)要花費(fèi)一至兩個(gè)月甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。

解決的辦法似乎不多。一是提高工程師的水平，在CPU的掌握、目標(biāo)板硬件及周邊驅(qū)動(dòng)設(shè)備的熟悉、深入了解操作系統(tǒng)(RTOS)的工作機(jī)制、系統(tǒng)的資源配置等方面加強(qiáng)學(xué)習(xí);另外，要選用好的JTAG仿真器或其它工具。

應(yīng)用軟件的并行開(kāi)發(fā) 由于越來(lái)越強(qiáng)烈的快速上市要求，嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短。這就必然要求在硬件開(kāi)發(fā)的同時(shí)，能夠進(jìn)行軟件的開(kāi)發(fā)。一方面，用戶(hù) 可以在一塊標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估板上來(lái)開(kāi)發(fā)一部分軟件，待實(shí)際目標(biāo)板硬件和BSP完成后，再進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的調(diào)試和開(kāi)發(fā)。另一方面，用戶(hù)可以借助實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS)廠(chǎng)商提供的虛擬環(huán)境來(lái)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)調(diào)試，要開(kāi)發(fā)和調(diào)試的軟件幾乎不受任何限制。待實(shí)際硬件平臺(tái)完成后，只須重新編譯連接，即可下載到目標(biāo)上運(yùn) 行。注意在選用RTOS時(shí)，增加該工具環(huán)境。