什么是嵌入式，如何學(xué)習(xí)嵌入式？

信盈達(dá)1

IEEE(國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì))對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義：“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”。原文為：Devices Used to Control，Monitor or Assist the Operation of Equipment，Machinery or Plants)。

嵌入式系統(tǒng)(Embedded System)--“嵌入到特定設(shè)備中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

一、定義：

嵌入式系統(tǒng)是一種“完全嵌入到受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。

二、說(shuō)明：

受控器件：

1.消費(fèi)電子：mp3、手機(jī)、電梯、汽車(chē)...

2.智能家電：數(shù)字電視、微波爐、數(shù)碼相機(jī)、空調(diào)...

3.網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：交換機(jī)、路由器...

4.醫(yī)療儀器：..各種醫(yī)療器械...

5.航天設(shè)備：衛(wèi)星、航天飛機(jī)、月球探測(cè)儀...

6.工業(yè)控制：智能監(jiān)控...

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：包括硬件和軟件系統(tǒng)、且軟、硬件均可裁剪,但必須有最小系統(tǒng)要求。

嵌入式就業(yè)前景

嵌入式就業(yè)發(fā)展空間相對(duì)較大。嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)前最熱門(mén)、最具發(fā)展前途的IT應(yīng)用領(lǐng)域之一。包括手機(jī)、電子字典、可視電話(huà)、數(shù)字相機(jī)(DC)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)(DV)、U-Disk、機(jī)頂盒(Set Top Box)、高清電視(HDTV)、游戲機(jī)、智能玩具、交換機(jī)、路由器、數(shù)控設(shè)備或儀表、汽車(chē)電子、家電控制系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、航天航空設(shè)備等都是典型的嵌入式系統(tǒng)。因此，通過(guò)嵌入式培訓(xùn)成為專(zhuān)業(yè)的嵌入式技術(shù)人才，其職業(yè)發(fā)展空間較大

嵌入式人才的發(fā)展方向

嵌入式系統(tǒng)無(wú)疑是當(dāng)前最熱門(mén)最有發(fā)展前途的IT應(yīng)用領(lǐng)域之一。嵌入式系統(tǒng)用在一些特定專(zhuān)用設(shè)備上，通常這些設(shè)備的硬件資源(如處理器、存儲(chǔ)器等)非常有限，并且對(duì)成本很敏感，有時(shí)對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)要求很高等。特別是隨著消費(fèi)家電的智能化，嵌入式更顯重要。像我們平常常見(jiàn)到的手機(jī)、PDA、電子字典、可視電話(huà)、 VCD/DVD/MP3 Player、數(shù)字相機(jī)(DC)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)(DV)、U-Disk、機(jī)頂盒(Set Top Box)、高清電視(HDTV)、游戲機(jī)、智能玩具、交換機(jī)、路由器、數(shù)控設(shè)備或儀表、汽車(chē)電子、家電控制系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、航天航空設(shè)備等等都是典型的嵌入式系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)是軟硬結(jié)合的東西，搞嵌入式開(kāi)發(fā)的人有兩類(lèi)。

一類(lèi)是學(xué)電子工程、通信工程等偏硬件專(zhuān)業(yè)出身的人，他們主要是搞硬件設(shè)計(jì)，有時(shí)要開(kāi)發(fā)一些與硬件關(guān)系最密切的最底層軟件，如BootLoader、 Board Support Package(像PC的BIOS一樣，往下驅(qū)動(dòng)硬件，往上支持操作系統(tǒng))，最初級(jí)的硬件驅(qū)動(dòng)程序等。他們的優(yōu)勢(shì)是對(duì)硬件原理非常清楚，不足是他們更擅長(zhǎng)定義各種硬件接口，但對(duì)復(fù)雜軟件系統(tǒng)往往力不從心(例如嵌入式操作系統(tǒng)原理和復(fù)雜應(yīng)用軟件等)。

另一類(lèi)是學(xué)軟件、計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)出身的人，主要從事嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。如果我們學(xué)軟件的人對(duì)硬件原理和接口有較好的掌握，我們完全也可寫(xiě)B(tài)SP和硬件驅(qū)動(dòng)程序。嵌入式硬件設(shè)計(jì)完后，各種功能就全靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)了，嵌入式設(shè)備的增值很大程度上取決于嵌入式軟件，這占了嵌入式系統(tǒng)的最主要工作(目前有很多公司將硬件設(shè)計(jì)包給了專(zhuān)門(mén)的硬件公司，稍復(fù)雜的硬件都交給臺(tái)灣或國(guó)外公司設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)的硬件設(shè)計(jì)力量很弱，很多嵌入式公司自己只負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)軟件，因?yàn)楣�司都知道，嵌入式產(chǎn)品的差異很大程度在軟件上，在軟件方面是最有“花頭 “可做的)，所以我們搞軟件的人完全不用擔(dān)心我們?cè)谇度胧绞袌?chǎng)上的用武之地，越是智能設(shè)備越是復(fù)雜系統(tǒng)，軟件越起關(guān)鍵作用，而且這是目前的趨勢(shì)。

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2015給自己一個(gè)決心，只為自己！高薪就業(yè)不是夢(mèng)，有想法你就來(lái) IT達(dá)人等著你�。�！

向陽(yáng)葵

盡管許多嵌入式工程師充滿(mǎn)了希望和夢(mèng)想，但高可靠性的代碼不是一蹴而就的。它是一個(gè)艱苦的過(guò)程，需要開(kāi)發(fā)人員維護(hù)和管理系統(tǒng)的每個(gè)比特和字節(jié)。當(dāng)一個(gè)應(yīng)用程序被確認(rèn)為“成功”的那一刻，通常會(huì)有一種如釋重負(fù)的感覺(jué)，但僅僅因?yàn)檐浖�在受控條件下的那一刻運(yùn)行正常并不意味著明天或一年后還會(huì)運(yùn)行正常。

從規(guī)范完善的開(kāi)發(fā)周期到嚴(yán)格執(zhí)行和系統(tǒng)檢查，開(kāi)發(fā)高可靠性嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)有許多種。本文介紹了7個(gè)易操作且可以長(zhǎng)久使用的技巧，它們對(duì)于確保系統(tǒng)更加可靠地運(yùn)行并捕獲異常行為大有幫助。

技巧1——用已知值填充ROM

軟件開(kāi)發(fā)人員往往都是非常樂(lè)觀的一群人，只要讓他們的代碼忠實(shí)地長(zhǎng)時(shí)間地運(yùn)行就可以了，僅此而已。微控制器跳出應(yīng)用程序空間并在非預(yù)想的代碼空間中執(zhí)行這種情況似乎是相當(dāng)少有的。然而，這種情況發(fā)生的機(jī)會(huì)并不比緩存溢出或錯(cuò)誤指針失去引用少。它確實(shí)會(huì)發(fā)生!發(fā)生這種情況后的系統(tǒng)行為將是不確定的，因?yàn)槟�認(rèn)情況下內(nèi)存空間都是0xFF，或者由于內(nèi)存區(qū)通常沒(méi)有寫(xiě)過(guò)，其中的值可能只有上帝才知道。

開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)的7個(gè)技巧

不過(guò)有相當(dāng)完備的linker或IDE技巧可以用來(lái)幫助識(shí)別這樣的事件并從中恢復(fù)系統(tǒng)。技巧就是使用FILL命令對(duì)未用ROM填充已知的位模式。要填充未使用的內(nèi)存，有很多不同的可能組合可以使用，但如果是想建立更加可靠的系統(tǒng)，最明顯的選擇是在這些位置放置ISR fault handler。如果系統(tǒng)出了某些差錯(cuò)，處理器開(kāi)始執(zhí)行程序空間以外的代碼，就會(huì)觸發(fā)ISR，并在決定校正行動(dòng)之前提供儲(chǔ)存處理器、寄存器和系統(tǒng)狀態(tài)的機(jī)會(huì)。

技巧2——檢查應(yīng)用程序的CRC

對(duì)嵌入式工程師來(lái)說(shuō)一個(gè)很大的好處是，我們的IDE和工具鏈可以自動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)用程序或內(nèi)存空間校驗(yàn)和(Checksum)，從而根據(jù)這個(gè)校驗(yàn)和驗(yàn)證應(yīng)用程序是否完好。有趣的是，在許多這些案例中，只有在將程序代碼加載到設(shè)備時(shí)，才會(huì)用到校驗(yàn)和。

然而，如果CRC或校驗(yàn)和保持在內(nèi)存中，那么驗(yàn)證應(yīng)用程序在啟動(dòng)時(shí)(或甚至對(duì)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的系統(tǒng)定期驗(yàn)證)是否仍然完好是確保意外之事不會(huì)發(fā)生的極好途徑�，F(xiàn)在一個(gè)編程過(guò)的應(yīng)用程序發(fā)生改變的概率是很小的，但考慮每年交付的數(shù)十億個(gè)微控制器以及可能惡劣的工作環(huán)境，應(yīng)用程序崩潰的機(jī)會(huì)并不是零。更有可能的是，系統(tǒng)中的一個(gè)缺陷可能導(dǎo)致某一扇區(qū)發(fā)生閃存寫(xiě)入或閃存擦除，從而破壞應(yīng)用程序的完整性。

技巧3——在啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行RAM檢查

為了建立一個(gè)更加可靠和扎實(shí)的系統(tǒng)，確保系統(tǒng)硬件正常工作非常重要。畢竟硬件會(huì)發(fā)生故障。(幸運(yùn)的是軟件永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生故障，軟件只會(huì)做代碼要它做的事，不管是正確的還是錯(cuò)誤的)。在啟動(dòng)時(shí)驗(yàn)證RAM的內(nèi)部或外部沒(méi)有問(wèn)題，是確保硬件可以如預(yù)期般運(yùn)作的一個(gè)好方法。

有許多不同的方法可用于執(zhí)行RAM檢查，但常用的方法是寫(xiě)入一個(gè)已知的模式，然后等上一小段時(shí)間再回讀。結(jié)果應(yīng)該是所讀就是所寫(xiě)。真相是，在大多數(shù)情況下 RAM檢查是通過(guò)的，這也是我們想要的結(jié)果。但也有極小的可能性檢查不通過(guò)，這時(shí)就為系統(tǒng)標(biāo)示出硬件問(wèn)題提供了極好的機(jī)會(huì)。

技巧4——使用堆棧監(jiān)視器

對(duì)許多的嵌入式開(kāi)發(fā)者而言，堆棧似乎是一股相當(dāng)神秘的力量。當(dāng)奇怪的事情開(kāi)始發(fā)生，工程師終于被難倒了，他們開(kāi)始思考，也許堆棧中發(fā)生了什么事。結(jié)果是盲目地調(diào)整堆棧的大小和位置等等。但該錯(cuò)誤往往是與堆棧無(wú)關(guān)的，但怎能如此確定?畢竟，有多少工程師真的實(shí)際執(zhí)行過(guò)最壞情況下的堆棧大小分析?

堆棧大小是在編譯時(shí)就靜態(tài)分配好的，但堆棧是以動(dòng)態(tài)的方式使用的。隨著代碼的執(zhí)行，應(yīng)用程序需要的變量、返回的地址和其它信息被不斷存儲(chǔ)在堆棧中。這種機(jī)制導(dǎo)致堆棧在其分配的內(nèi)存中不斷增長(zhǎng)。然而，這種增長(zhǎng)有時(shí)會(huì)超出編譯時(shí)確定的容量極限，導(dǎo)致堆棧破壞相鄰內(nèi)存區(qū)域的數(shù)據(jù)。

絕對(duì)確保堆棧正常工作的一種方法是實(shí)現(xiàn)堆棧監(jiān)視器，將它作為系統(tǒng)“保健”代碼的一部分(有多少工程師會(huì)這樣做?)。堆棧監(jiān)視器會(huì)在堆棧和“其它”內(nèi)存區(qū)域之間創(chuàng)建一個(gè)緩沖區(qū)域，并填充已知的位模式。然后監(jiān)視器會(huì)不斷的監(jiān)視圖案是否有任何變化。如果該位模式發(fā)生了改變，那就意味著堆棧增長(zhǎng)得太大了，即將要把系統(tǒng)推向黑暗地獄!此時(shí)監(jiān)視器可以記錄事件的發(fā)生、系統(tǒng)狀態(tài)以及任何其它有用的數(shù)據(jù)，供日后用于問(wèn)題的診斷。

大多數(shù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)或?qū)崿F(xiàn)了內(nèi)存保護(hù)單元(MPU)的微控制器系統(tǒng)中都提供有堆棧監(jiān)視器�？膳碌氖�，這些功能默認(rèn)都是關(guān)閉狀態(tài)，或者經(jīng)常被開(kāi)發(fā)人員有意關(guān)閉。在網(wǎng)絡(luò)上快速搜尋一下可以發(fā)現(xiàn)，很多人建議關(guān)閉實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的堆棧監(jiān)視器以節(jié)省56字節(jié)的閃存空間。等等，這可是得不償失的做法!技巧5 - 使用MPU
在過(guò)去，是很難在一個(gè)小而廉價(jià)的微控制器中找到內(nèi)存保護(hù)單元(MPU)的，但這種情況已經(jīng)開(kāi)始改變�，F(xiàn)在從高端到低端的微控制器都已經(jīng)有MPU，而這些 MPU為嵌入式軟件開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)可以大幅提高其固件(firmware)魯棒性(robustness)的機(jī)會(huì)。

MPU 已逐漸與操作系統(tǒng)耦合，以便建立內(nèi)存空間，其中的處理都分開(kāi)，或任務(wù)可執(zhí)行其代碼，而不用擔(dān)心被stomped on。倘若真有事情發(fā)生，不受控制的處理會(huì)被取消，也會(huì)執(zhí)行其他的保護(hù)措施。請(qǐng)留意帶有這種組件的微控制器，如果有，請(qǐng)多加利用它的這種特性。

技巧6 - 建立一個(gè)強(qiáng)大的看門(mén)狗系統(tǒng)

你經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)的一種總是最受喜愛(ài)的看門(mén)狗(watchdog)實(shí)現(xiàn)是，在看門(mén)狗被啟用之處(這是一個(gè)很好的開(kāi)始)，但也是可以用周期性定時(shí)器將該看門(mén)狗清零之處;定時(shí)器的啟用是完全與程序中出現(xiàn)的任何情況隔離的。使用看門(mén)狗的目的是協(xié)助確保如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，看門(mén)狗不會(huì)被清零，即當(dāng)工作暫停，系統(tǒng)會(huì)被迫去執(zhí)行硬件重設(shè)定(hardware reset)，以便恢復(fù)。使用與系統(tǒng)活動(dòng)獨(dú)立的定時(shí)器可以讓看門(mén)狗保持清零，即使系統(tǒng)已失效。

對(duì)應(yīng)用任務(wù)如何整合到看門(mén)狗系統(tǒng)中，嵌入式開(kāi)發(fā)人員需要仔細(xì)考慮和設(shè)計(jì)。例如，有種技術(shù)可能可以讓每個(gè)在一定時(shí)期內(nèi)運(yùn)行的任務(wù)標(biāo)示它們可以成功地完成其任 務(wù)。在此事件中，看門(mén)狗不被清零，強(qiáng)制被復(fù)位。還有一些比較先進(jìn)的技術(shù)，像是使用外部看門(mén)狗處理器，它可用來(lái)監(jiān)視主處理器如何表現(xiàn)，反之亦然。

對(duì)一個(gè)可靠的系統(tǒng)而言，建立一個(gè)強(qiáng)大的看門(mén)狗系統(tǒng)是很重要的。由于有太多的技術(shù)，難以在這幾個(gè)段落中完全涵蓋，但針對(duì)此一議題，筆者未來(lái)還會(huì)發(fā)表相關(guān)的文章。

技巧7 - 避免易失存儲(chǔ)器分配

不習(xí)慣在資源有限環(huán)境下工作的工程師，可能會(huì)試圖使用其編程語(yǔ)言的特性，這種語(yǔ)言讓他們可以使用易失存儲(chǔ)器分配。畢竟，這是一種常在計(jì)算器系統(tǒng)中使用的技術(shù)，在計(jì)算器系統(tǒng)中，只有在有必要時(shí)，內(nèi)存才會(huì)被分配。例如，以C開(kāi)發(fā)時(shí)，工程師可能傾向于使用malloc來(lái)分配在堆(heap)上的空間。有一個(gè)操 作會(huì)執(zhí)行，一旦完成，可以使用free將被分配的內(nèi)存返回，以便堆的使用。

在資源受限的系統(tǒng)，這可 能是一場(chǎng)災(zāi)難!使用易失存儲(chǔ)器分配的其中一個(gè)問(wèn)題是，錯(cuò)誤或不當(dāng)?shù)募夹g(shù)可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏或內(nèi)存碎片。如果出現(xiàn)這些問(wèn)題時(shí)，大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)并沒(méi)有 資源或知識(shí)來(lái)監(jiān)視堆或妥善地處理它。而當(dāng)它們發(fā)生時(shí)，如果應(yīng)用程序提出對(duì)空間的要求，但卻沒(méi)有所請(qǐng)求的空間可以使用，會(huì)發(fā)生什么事呢?

使用易失存儲(chǔ)器分配所產(chǎn)生的問(wèn)題是很復(fù)雜的，要妥善處理這些問(wèn)題，可以說(shuō)是一個(gè)噩夢(mèng)!一種替代的方法是，直接以靜態(tài)的方式，簡(jiǎn)化內(nèi)存的分配。例如，只要在 程序中簡(jiǎn)單地建立一個(gè)大小為256字節(jié)長(zhǎng)的緩沖區(qū)，而不是經(jīng)由malloc請(qǐng)求這樣大小的內(nèi)存緩沖區(qū)。此一分配的內(nèi)存可在整個(gè)應(yīng)用程序的生命周期期 間保持，且不會(huì)有堆或內(nèi)存碎片問(wèn)題方面的顧慮。

結(jié)論

這些都只是一些可以讓開(kāi)發(fā)人員開(kāi)始建立更可靠嵌入式系統(tǒng)的方法。另外還有很多其他技術(shù)，例如利用良好的編碼標(biāo)準(zhǔn)、位翻轉(zhuǎn)的監(jiān)測(cè)、執(zhí)行數(shù)組和指針邊界檢查，及使用斷言等。所有這些技術(shù)都是讓設(shè)計(jì)者可以開(kāi)發(fā)出可靠性更高嵌入式系統(tǒng)的秘訣。

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向陽(yáng)葵

chunfen26341612

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