《電子技術(shù)應(yīng)用》
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解密32位嵌入式處理器與8位處理器的應(yīng)用開(kāi)發(fā)

2015-12-07

  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。這通常稱為集成開(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 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,用戶才能“看到”整個(gè)系統(tǒng)硬件資源。因此,在此之前,用戶對(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 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,用戶可以借助實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS)廠商提供的虛擬環(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。


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