日志

32位嵌入式处理器与8位处理器应用开发的区别

已有 1047 次阅读| 2015-9-16 10:48 |个人分类:处理器

arm处理器在全球范围的流行，32位的RISC嵌入式处理器已经成为嵌入式应用和设计的主流。与国内大量应用的8位单片机相比，32位的嵌入式cpu有着非常大的优势，它为嵌入式设计带来丰富的硬件功能和额外的性能，使得整个嵌入式系统的升级只需通过软件的升级即可实现。而8位处理器通常受到的64K软件限制也不存在了，设计者几乎可以任意选择多任务操作系统，并将应用软件设计得复杂庞大，真正体现“硬件软件化”的设计思想。

　　什么发生了改变

　　目前，国内熟悉8位处理器开发的工程师非常多，开发工具和手段也很丰富，并且价格较低。而32位处理器的开发与8位处理器的开发则有着许多明显的不同。

　　第一，实时多任务操作系统（RTOS）引入32位嵌入式系统。

　　由于32位CPU的资源丰富，指令集相对庞大，而且，系统软件比较复杂，所以，通常在开发时要选用相应的RTOS来对应用软件中的各个任务进行调度。软件设计工程师需要学习全新的RTOS技术，掌握底层软件、系统软件和应用软件的设计和调试方法。这对于开发者来说是一个新的挑战。

　　当然，RTOS的引入，也将给嵌入式开发商带来软件的模块化和可移植化等好处，为软件的工程化管理做好准备。

　　第二，调试的硬件接口发生改变。

　　在开发8位处理器时，通常采用在线仿真器ICE（In-Circuit-Emulator），ICE通过插座或者相应的夹具替代CPU来进行仿真和开发工作。而对于32位嵌入式处理器来说，因其过高的时钟频率（50MHZ至400MHZ以上）和复杂的封装形式（如BGA）导致ICE很难胜任开发工具的工作。CPU厂商借助于边界扫描接口（JTAG口）来提供调试信息，供开发者进行开发。

　　JTAG口通常是一个14Pin或20Pin的插座，JTAG调试器（或称JTAG仿真器）因为可直接从CPU获取调试信息而使得该产品的设计简化，从而使得价格要低于ICE。

　　第三，系统的开发方式产生变化。

　　对于一个8位的系统开发来说，设计者只需按照硬件设计及调试、软件（汇编或C语言）编程、定位引导、软件调试、系统联调等过程来进行即可，应用软件的开发通常在硬件之后，且应用软件包是不能通用的。

　　对于一个32位的嵌入式系统则不同。在硬件设计开发的同时，需要有实时多任务操作系统环境，软件工程师可以同时进行应用软件包的开发和调试。在硬件调试结束时，应进行BSP（板级支持包）的设计和调试。在BSP调试通过后，方可进行系统软件和应用软件的联调。通常应用软件的开发可以单独进行。更换CPU或硬件平台后，应用软件包是通用的（要基于同样的RTOS）。

　　那么，开发一个32位的嵌入式系统需要哪些工具和环境呢？

　　首先需要选择一个合适的多任务操作系统。

　　目前，商用的RTOS比较多，如Linux、Nucleus、WinCE、VxWorkx等。用户可根据系统的技术要求和商业要求，选择合适的一种。

　　另外，要选择相应的编译工具和调试环境。

　　根据所选用的RTOS和编程语言（C或C++）来确定要使用的编译器。对于ARM系列CPU来说，比较常见的有ARM公司的SDT和ADS，以及免费的GNU等。

　　许多厂商将编译器（Compiler）、连接器（Linker）、定位器（Locater）、模拟器（Simulator）和监控调试器（Monitor Debugger）作为一个整体提供给用户。这通常称为集成开发环境IDE（Integrated Development Environment）。选用IDE将给调试带来许多方便。

再者，要选择合适的JTAG仿真器。JTAG仿真器的一端通过JTAG连接电缆与目标板相连，另一端则与主机的调试环境相连。与主机的连接方式通常有三种。一是并口方式，一是USB口方式，另一种是网口方式。这三种方式在代码下载速度、连接方便性、调试资源共享性等方面均有所不同，用户可以根据经费、技术方案要求、主机环境等实际情况来选择。另外，JTAG的主频也是影响JTAG仿真器速度的重要技术指标，越快速的JTAG仿真器，其JTAG主频也越高。

　　与ICE开发方式相似，JTAG仿真器也提供逻辑追踪功能，以确保硬件调试和软硬件联调的顺利进行。该功能需要增加额外的费用，因而建议只在进行复杂的系统级开发项目中选购。

　　好的JTAG仿真器还应该支持任务级调试。其调试环境除具有丰富的调试功能，良好的调试界面外，还应该能够“认识”各种不同类型的RTOS。这样，用户在进行基于RTOS的软件调试时，能够直接对各种任务进行操作。如果JTAG仿真器不能支持任务的调试，那么，将给软件开发工程师带来诸多不便，影响开发进度。

　　面对开发难点

　　32位嵌入式系统的开发过程中存在其特有的技术难点，因此开发者对其要有充分的心理准备并做出相应的对策。

　　BSP的开发和调试在硬件调试完成后，就需要进行实时操作系统（RTOS）的移植。其中最主要的就是BSP的开发和调试。在整个嵌入式系统中，应用软件通过对系统软件的调用来完成各种应用功能。而系统软件则是通过BSP来完成与硬件设备的握手连接。所以，BSP的性能将影响整个系统的可靠性。

　　由于操作系统（RTOS）厂商提供的开发环境的建立，是基于BSP的正常工作，只有在BSP工作正常后，用户才能“看到”整个系统硬件资源。因此，在此之前，用户对BSP的调试几乎是在“盲目”中进行的。BSP的开发调试有时要花费一至两个月甚至更长的时间。

　　解决的办法似乎不多。一是提高工程师的水平，在CPU的掌握、目标板硬件及周边驱动设备的熟悉、深入了解操作系统（RTOS）的工作机制、系统的资源配置等方面加强学习；另外，要选用好的JTAG仿真器或其它工具。

　　应用软件的并行开发由于越来越强烈的快速上市要求，嵌入式系统的开发周期越来越短。这就必然要求在硬件开发的同时，能够进行软件的开发。一方面，用户可以在一块标准的评估板上来开发一部分软件，待实际目标板硬件和BSP完成后，再进行系统级的调试和开发。另一方面，用户可以借助实时操作系统（RTOS）厂商提供的虚拟环境来进行软件开发调试，要开发和调试的软件几乎不受任何限制。待实际硬件平台完成后，只须重新编译连接，即可下载到目标上运行。注意在选用RTOS时，增加该工具环境。