為嵌入式軟件建立統一軟件系統框架的方法
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關鍵詞： 嵌入式系統；嵌入式軟件；軟件系統框架；操作系統
嵌入式系統硬件與軟件發展的不平衡
嵌入式系統是整合了計算機硬件和軟件的集合體，它是通過可編程器件的計算和控制能力完成特定功能的系統。越來越多的嵌入式系統要求有連接網絡、多媒體信息處理和無線移動通信的能力。然而，飛速發展不斷有突破的嵌入式系統硬件技術與相對發展較慢的軟件技術形成明顯對比。
認為摩爾定律很快會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。隨著系統芯片(SoC)技術的發展和成熟，越來越多的嵌入式系統將采用硅知識產權(SIP)，利用ASIC或半定制器件(FPGA/CPLD)技術把CPU核和外圍器件整合到一個芯片中。這將極大的提升硬件系統設計的靈活性、可靠性，以及提高硬件開發的速度和降低系統的成本。
硬件技術的飛速發展和體系結構的不斷改進，在很長一段時間內對嵌入式系統軟件工程師而言,似乎并未產生很大影響，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絡連接、輕巧節電的無線移動和功能強大的多媒體信息處理等能力，使軟件開發工作量急劇增長，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，需要集合一個開發團隊協同工作才能完成。嵌入式系統軟件的開發，越來越成為制約嵌入式系統開發的瓶頸。
嵌入式系統軟件的特點
及其開發途徑
嵌入式系統軟件從簡單到復雜可以千差萬別，天地懸殊。雖然它們結構相對簡單，但是不同系統對不同的性能往往有特定的要求，有的要求非常苛刻和嚴格。對簡單系統可以用傳統方法，從底層用匯編語言編寫程序，利用在線仿真器(ICE)、在線調試器(ICD)等開發工具進行調試軟件。但是對那些復雜的嵌入式系統，特別是有多個控制環路、并需要在優化級可控的情況下能預測其運行狀態時，不利用實時操作系統和嵌入式系統開發平臺進行開發，是很難或者幾乎不可能達到預定要求的。
利用嵌入式系統開發平臺開發嵌入式系統軟件，往往需要針對不同的硬件編寫實時操作系統內核移植代碼。通過編譯、鏈接、定址將操作系統映像固化到(EP)ROM或者Flash(閃存)中。
對于大的開發項目，可以購買商業化的實時操作系統和嵌入式系統開發套件，甚至將軟件開發外包給一些專業的嵌入式軟件開發商，但是這需要投入少則幾萬，多則上百萬元人民幣購買軟件，有些還需要對開發出來的每一件產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是硬件技術的發展始終快于軟件發展的原因。在軟件技術方面，中間件和面向對象技術在一定程度上正是類比硬件而發展起來的，然而還遠未成熟，至今在嵌入式系統軟件的開發中還沒有能真正地使用起來。
在傳統單片機系統軟件開發時代，代碼的可重用性極差，系統的開發極大程度地依賴于軟件編程人員的編程技巧。這是因為軟件開發的靈活性造成的。只要正確的使用編程語言和軟件開發工具，不同的軟件設計人員對于同一種需求會開發出不同的軟件。正是這種靈活性，導致了很多的軟件不具有移植性。
軟件要具有優良的體系結構和良好的移植性，必須將開發的操作系統納入一個嚴格定義的框架。至少需要考慮以下幾個方面：
高級語言和將匯編語言模塊化—為了使系統具有高的可移植性，盡量使用C或者Embedded C++來開發系統軟件。
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，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。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自治的軟件環境，不依賴于任何其他的軟件模塊。內核通常提供進程調度(SCHED)、內存管理(MM)、文件系統(FS)、進程間調用(IPC)和網絡(NET)等功能模塊。這些模塊之間相互有不同程度的依賴關系。其中進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問接口實現對外部設備的訪問。進程間調用和網絡通常是可選模塊。
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現同一個功能可用不同的元器件。針對不同的芯片要編寫合適的驅動程序。這些驅動程序一般不具有可移植性，因為它們是同級，實現對不同器件的功能級接口。例如，NE2000成為以太網事實的接口標準，兼容NE2000的以太網控制器，可以使用NE2000驅動程序，而不一定要開發專門的驅動程序。如果是不兼容的以太網控制器，寄存器的布局和命令會有不同，并無法映射寄存器。折衷的辦法是梳理出功能級抽象層所必需的基本操作，建立功能級的實現框架。針對不同的硬件，使用同一種實現框架可以保證功能級抽象的質量，并且可以提高移植的效率。
結語
縱觀軟件的發展，從批處理到面向過程的編程，到面向對象的編程，再到面向框架的編程，體現了需求的拉動和技術的發展。嵌入式系統正經歷一個快速發展階段，嵌入式系統硬件技術的發展已超過了軟件技術。軟件技術的滯后，造成了軟件的高成本和低開發效率，這已成為制約嵌入式系統發展的瓶頸。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發效率。■
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. ’清華大學出版社.
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