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-- 發(fā)布時間：2010-12-1 11:06:08
-- 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)面臨的問題與集成開發(fā)環(huán)境的應(yīng)用
1. 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)所面臨的問題
嵌入式軟件開發(fā)有別于桌面軟件系統(tǒng)開發(fā)的一個顯著的特點(diǎn)，是它一般需要一個交叉編譯和調(diào)試環(huán)境，即編輯和編譯軟件在主機(jī)上進(jìn)行(如在PC機(jī)的Windows操作系統(tǒng)下)，編譯好的軟件需要下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行(如在一個PPC的目標(biāo)機(jī)上的VxWorks操作系統(tǒng)下)，主機(jī)和目標(biāo)機(jī)建立起通訊連接，并傳輸調(diào)試命令和數(shù)據(jù)。由于主機(jī)和目標(biāo)機(jī)往往運(yùn)行著不同的操作系統(tǒng)，而且處理器的體系結(jié)構(gòu)也彼此不同，這就提高了嵌入式開發(fā)的復(fù)雜性。
總的來說，嵌入式開發(fā)所面臨的問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
1.1涉及多種CPU及多種OS
嵌入式的CPU或處理器可謂多種多樣，這包括了Pentium、MIPS、PPC、ARM，XScale等，而且應(yīng)用都很廣，在其上運(yùn)行的操作系統(tǒng)也有不少，如VxWorks、Linux、 Nuclears、WinCE等等，即使在一個公司之內(nèi)，也會同時使用好幾種處理器，甚至幾種嵌入式操作系統(tǒng)。如果需要同時調(diào)試多種類型的板子，每個板子上又運(yùn)行著多個任務(wù)或進(jìn)程，那復(fù)雜性是可想而知的。
1.2 開發(fā)工具種類繁多
不僅各種操作系統(tǒng)有各自的開發(fā)工具，在同一系統(tǒng)下開發(fā)的不同階段也有不同的開發(fā)工具。如在用戶的目標(biāo)板開發(fā)初期，需要硬件仿真器來調(diào)試硬件系統(tǒng)和基本的驅(qū)動程序，在調(diào)試應(yīng)用程序階段可以使用交互式的開發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件調(diào)試，在測試階段需要一些專門的測試工具軟件進(jìn)行功能和性能的測試，在生產(chǎn)階段需要固化程序及出廠檢測等等。一般每一種工具都要從不同的供應(yīng)商處購買，都要單獨(dú)去學(xué)習(xí)和掌握，這無疑增加了整個公司的支出和管理的難度。
1.3 對目標(biāo)系統(tǒng)的觀察和控制
由于嵌入式硬件系統(tǒng)千差萬別，軟件模塊和系統(tǒng)資源也多種多樣，要使系統(tǒng)能正常工作，軟件開發(fā)者必須要對目標(biāo)系統(tǒng)具有完全的觀察和控制能力，例如硬件的各種寄存器、內(nèi)存空間，操作系統(tǒng)的信號量、消息隊(duì)列、任務(wù)、堆棧等。
此外，嵌入式系統(tǒng)變化更新比較快，對開發(fā)時間要求比較緊，尤其是消費(fèi)類產(chǎn)品更是如此，如果有一套功能強(qiáng)大的嵌入式軟件集成開發(fā)工具可以滿足嵌入式軟件開發(fā)各個階段的需求，同時又使用方便，界面友好，那是最理想不過了。美國風(fēng)河系統(tǒng)公司新近推出的“Workbench”嵌入式軟件開發(fā)平臺正是這樣一個“全能選手”。
2．Workbench嵌入式開發(fā)平臺的特點(diǎn)和優(yōu)勢
風(fēng)河公司一直致力于嵌入式軟件領(lǐng)域的研究，其Tornado開發(fā)環(huán)境和VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)產(chǎn)品在嵌入式領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛。風(fēng)河公司的新一代Workbench開發(fā)平臺繼承了其原有的Tornado集成開發(fā)平臺的一貫優(yōu)勢，并且功能更加強(qiáng)大，由于新采用了先進(jìn)的Eclipse軟件框架結(jié)構(gòu)，從而使整個系統(tǒng)更加開放和易于擴(kuò)展。
它的主要優(yōu)勢表現(xiàn)在：
2.1 以開放的Eclipse平臺為框架，調(diào)試環(huán)境可充分進(jìn)行客戶化定制
Eclipse軟件框架結(jié)構(gòu)是一個完整和開放的基礎(chǔ)平臺，它能夠?qū)D形工具以及任何必須的功能通過標(biāo)準(zhǔn)的接口集成到同一個開發(fā)環(huán)境中。目前IBM，HP及Borland等商業(yè)開發(fā)工具提供商均支持Eclipse開發(fā)平臺，網(wǎng)上也存在著大量的為Eclipse平臺開發(fā)插件的社區(qū)。由于Workbench符合Eclipse框架，所以這些商用的和免費(fèi)的符合Eclipse平臺接口的插件均可以集成到Workbench開發(fā)環(huán)境中，這極大擴(kuò)展了Workbench的功能。例如，如果用戶想使用自己熟悉的配置管理工具或者編輯器，就可以找到這樣一個插件并集成進(jìn)來，這樣用戶就會感到開發(fā)過程非常適合自己的需要。
不僅如此，風(fēng)河公司還對Eclipse做了多方面的增強(qiáng)，從而顯著提高了系統(tǒng)的性能。例如Workbench實(shí)現(xiàn)了異步接口功能，需要長時間運(yùn)行的任務(wù)可以在后臺運(yùn)行，與此同時還能繼續(xù)接收開發(fā)人員的調(diào)試請求，這樣不至于使開發(fā)人員做長時間的等待；另外，Workbench還優(yōu)化了對目標(biāo)機(jī)數(shù)據(jù)的請求機(jī)制，即系統(tǒng)只檢索在集成開發(fā)環(huán)境的當(dāng)前視圖中所需要的少量數(shù)據(jù)，看不見的數(shù)據(jù)則不向目標(biāo)機(jī)索取，這樣就大大提高了交叉調(diào)試時系統(tǒng)的響應(yīng)速度并減少了系統(tǒng)負(fù)荷。
2.2 單一的全功能平臺，涉及到產(chǎn)品的整個開發(fā)周期
一個嵌入式產(chǎn)品的軟件開發(fā)，其“實(shí)質(zhì)性”的過程包括了從開始的硬件啟動，BSP(板級支持包)及驅(qū)動的開發(fā)，到應(yīng)用程序的開發(fā)，再到后來的測試、驗(yàn)證，直至最后的生產(chǎn)階段。一般來說，每個階段都可以找到不同的工具來使用(實(shí)際情況也大都如此)。而風(fēng)河公司的Workbench開發(fā)平臺改變了這一現(xiàn)狀，它以一個單一的Workbench平臺，提供了上述開發(fā)階段所需要的幾乎所有功能。具體來說，這包括了硬件系統(tǒng)仿真功能(有配套的硬件仿真器)，工程管理和構(gòu)建系統(tǒng)，編輯器，版本管理，命令解釋器，調(diào)試工具，系統(tǒng)分析工具，系統(tǒng)觀察工具，F(xiàn)LASH編程工具等等，再加上風(fēng)河公司自己開發(fā)的和第三方廠家提供的各種軟件功能模塊和開發(fā)工具的插件，所有這一切，都集成在Workbench這個統(tǒng)一的平臺之下，這必將大大改善嵌入式軟件的開發(fā)環(huán)境。對一個企業(yè)來講，更可以提高效率，減少投資，簡化管理。嵌入式軟件開發(fā)的各個階段以及Workbench在各個階段提供的功能如圖2所示。
2.3 廣泛的適用性，特別適合復(fù)雜的目標(biāo)系統(tǒng)
Workbench平臺的廣泛適用性主要體現(xiàn)在七“多”上，即多任務(wù)、多目標(biāo)、多模式、多OS、多CPU、多連接形式、多主機(jī)環(huán)境。
多任務(wù)：在Workbench調(diào)試環(huán)境下，可以同時連接目標(biāo)系統(tǒng)上的多個不同的任務(wù)(或者進(jìn)程)，每個任務(wù)都可以單獨(dú)設(shè)置斷點(diǎn)，進(jìn)行單步調(diào)試。開發(fā)者再也不用象以前那樣，為了調(diào)試多個任務(wù)，先斷開一個任務(wù)的連接，再連接到另外一個任務(wù)上去。這就給具有多任務(wù)的目標(biāo)系統(tǒng)開發(fā)提供了便利，尤其是需要查看多個任務(wù)之間的配合關(guān)系時體現(xiàn)的優(yōu)勢更加明顯；
多CPU：我們知道，風(fēng)河公司的Tornado開發(fā)環(huán)境可以說已經(jīng)支持了全系列的主流CPU(或處理器)，而Workbench也將繼承這個傳統(tǒng)，目前推出的Workbench 2.2版本已經(jīng)可以支持PENTIUM、PPC、MIPS系列的所有主流CPU。對ARM、XSCALE、SH等系列的支持正在移植和測試中，不久即將發(fā)布正式版本(Workbench 2.3)。
多OS：目前的Workbench 2.2不僅支持VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)(6.0以上版本)，而且支持Linux操作系統(tǒng)，這確實(shí)給廣大的Linux嵌入式開發(fā)人員帶來了福音。大家知道，由于Linux操作系統(tǒng)的“免費(fèi)”性質(zhì)，使得其上的軟件開發(fā)系統(tǒng)一直比較分散和孤立，用起來不是特別方便，有了Workbench以后，嵌入式Linux的開發(fā)就同VxWorks的開發(fā)一樣方便和快捷了。并且以后，如果有必要的話，還可以增加對其它類型嵌入式操作系統(tǒng)的支持，因?yàn)閃orkbench本身是開放和可擴(kuò)展的。
多目標(biāo)：Workbench對復(fù)雜目標(biāo)系統(tǒng)的強(qiáng)有力的支持還表現(xiàn)在它可以支持同時連接多塊目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試開發(fā)，更為可貴的是這些目標(biāo)板上處理器可以各不相同，并且在目標(biāo)板上運(yùn)行的操作系統(tǒng)也可任意(既可以運(yùn)行VxWorks，也可以運(yùn)行Linux)，而調(diào)試工作都可以在同一個Workbench界面中同時進(jìn)行，這無疑給一些復(fù)雜系統(tǒng)的調(diào)試帶來了極大的便利。
多連接：所謂多連接，是指Workbench所在的主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間可以有多種連接方式進(jìn)行通訊，如果目標(biāo)系統(tǒng)中存在以太網(wǎng)接口，那就應(yīng)該首選以太網(wǎng)連接，因?yàn)檫@種方式速度比較快；如果目標(biāo)系統(tǒng)中不存在以太網(wǎng)接口，那也可以選用串行口進(jìn)行通訊連接，除了速度較慢以外，功能上與以太網(wǎng)連接沒有什么區(qū)別。另外，在目標(biāo)板初始調(diào)試階段，還可通過風(fēng)河的硬件仿真器(WindRiver ICE / WindRiver Probe)進(jìn)行連接，觀察硬件狀態(tài)，以迅速定位硬件問題。
多模式：在Workbench中調(diào)試程序，即可以采用任務(wù)模式，也可以采用系統(tǒng)模式。所謂任務(wù)模式，是指各個任務(wù)之間獨(dú)立運(yùn)行，暫停其中一個任務(wù)的運(yùn)行不影響其他任務(wù)的運(yùn)行(主要用于調(diào)試各個任務(wù))；而系統(tǒng)模式則是指只要暫停了系統(tǒng)的任何一處，整個系統(tǒng)都停止下來(主要用于調(diào)試中斷程序)。
多主機(jī)：這是指Workbench可以在Windows、Linux、Solaris這三大流行的主機(jī)操作系統(tǒng)下運(yùn)行，這不僅可以適合不同開發(fā)者的使用習(xí)慣，而且在一定程度上有利于某些目標(biāo)系統(tǒng)的開發(fā)，如使用Linux主機(jī)環(huán)境調(diào)試運(yùn)行Linux系統(tǒng)的目標(biāo)板(但這并不是必須的)。
2.4 豐富易用的調(diào)試手段，大大加快調(diào)試進(jìn)度
動態(tài)鏈接：用過Tornado開發(fā)環(huán)境的人都對其獨(dú)特的分模塊單獨(dú)下載、動態(tài)鏈接到目標(biāo)系統(tǒng)的功能深有體會，而Workbench也完全繼承了這個特性。有了這個功能，就使開發(fā)者不必將所有應(yīng)用模塊都編寫完成再進(jìn)行調(diào)試，也不用每次將應(yīng)用模塊和操作系統(tǒng)編譯到一起然后下載調(diào)試，而是編好一個小模塊，如果想進(jìn)行驗(yàn)證，只需將這個小模塊(哪怕只是一個函數(shù))編譯然后下載到目標(biāo)板中就行了，這大大加快了調(diào)試驗(yàn)證的速度，尤其是在目標(biāo)板和主機(jī)之間是低速連接的情況下更能體現(xiàn)出其優(yōu)勢所在。
目標(biāo)可視：對目標(biāo)系統(tǒng)的可視化是每一個嵌入式軟件開發(fā)人員都希望得到的功能，為達(dá)到這一目的，Workbench除了提供一般的查看內(nèi)存，積存器、變量、調(diào)用樹等的傳統(tǒng)視圖工具外，還提供了幾種增強(qiáng)的系統(tǒng)查看工具：目標(biāo)瀏覽器、系統(tǒng)觀察器和SCOPETOOLS工具集。目標(biāo)瀏覽器可以用來查看目標(biāo)系統(tǒng)每一個系統(tǒng)資源的使用情況和當(dāng)前狀態(tài)，包括系統(tǒng)各個模塊、任務(wù)、信號量、消息隊(duì)列、內(nèi)存、堆棧等。
系統(tǒng)觀察器可對系統(tǒng)事件提供詳細(xì)的分析和圖形化的可視效果，同時還可展示在目標(biāo)機(jī)上執(zhí)行的應(yīng)用程序的相關(guān)任務(wù)、中斷以及系統(tǒng)對象之間復(fù)雜的交互作用。它能夠清楚地顯示上下文變化以及信號量、消息隊(duì)列、信號、任務(wù)、用戶事件和記時器一類的系統(tǒng)事件，就象一個軟件的“示波器”。應(yīng)用這些系統(tǒng)查看工具，開發(fā)人員可以很容易地去診斷和解決嵌入式系統(tǒng)中存在的調(diào)度問題(如死鎖，饑餓和競爭)，性能問題(如優(yōu)先級設(shè)置，資源的競爭與互斥)，定時問題等。而RTI SCOPETOOLS則是專門為設(shè)備類軟件開發(fā)提供的一組強(qiáng)大的可視化工具集，用戶可以動態(tài)觀察整個系統(tǒng)平臺，包括應(yīng)用代碼、第三方的庫，甚至操作系統(tǒng)本身。Workbench 2.2中集成進(jìn)來了用于觀察函數(shù)執(zhí)行效率的ProfileScope工具，用于觀察內(nèi)存使用效率和檢測內(nèi)存泄露的MemScope工具，和用于檢測變量或指定內(nèi)存位置處數(shù)值的動態(tài)變化情況的StethoScope工具。另外，還有可選的用于實(shí)時跟蹤代碼執(zhí)行情況的TraceScope工具和用于檢測代碼執(zhí)行覆蓋率的CoverageScope工具。
仿真環(huán)境：在目標(biāo)系統(tǒng)的硬件開發(fā)完成之前，往往軟件系統(tǒng)的開發(fā)也要同步進(jìn)行，Workbench提供的模擬仿真環(huán)境(只適用于針對VxWorks操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件開發(fā))就提供了這種同步開發(fā)的途徑。VxWorks軟件仿真器運(yùn)行于主機(jī)操作系統(tǒng)環(huán)境中，是一種從VxWorks6.0操作系統(tǒng)移植過來的本地應(yīng)用程序，它能夠精確地實(shí)施VxWorks 6.0的高級復(fù)雜特性，包括實(shí)時進(jìn)程、內(nèi)存保護(hù)等，它還具有完整的文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)功能，并能調(diào)用主機(jī)系統(tǒng)API。這些特性使得在VxWorks軟件仿真器中開發(fā)復(fù)雜的系統(tǒng)成為可能。例如，在VxWorks軟件仿真器中可以組建多個網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)不但互相之間可以通訊，還可以通過主機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)口與外界相連，實(shí)現(xiàn)一個完全真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；再例如，可以利用主機(jī)系統(tǒng)的顯示屏幕來開發(fā)具有圖形用戶界面的應(yīng)用程序，這是通過調(diào)用主機(jī)系統(tǒng)與圖形相關(guān)的API來實(shí)現(xiàn)的。一般來說，用戶可以為主機(jī)系統(tǒng)的任何資源編寫API，而在VxWorks軟件仿真環(huán)境中進(jìn)行調(diào)用，這極大地?cái)U(kuò)展了VxWorks軟件仿真器的功能，也更便于應(yīng)用軟件的同步開發(fā)。
除了以上所提到的需要特別強(qiáng)調(diào)的功能外，Workbench的強(qiáng)大調(diào)試功能還表現(xiàn)在支持各種類型的斷點(diǎn)設(shè)置、方便靈活的操作系統(tǒng)內(nèi)核配置工具，具有主機(jī)Shell和目標(biāo)機(jī)Shell，具有4種命令解釋器，以及豐富的視圖界面等等，詳細(xì)情況請參考Workbench的說明及手冊，這里就不多做介紹。總之，使用Workbench給開發(fā)人員的感受就是方便靈活，功能強(qiáng)大，幾乎無所不能。
3．Workbench與Tornado的功能對比
Workbench平臺相對于Tornado平臺來說，各項(xiàng)功能均有所增強(qiáng)，也有不少新加入的功能，主要的功能對比如下表所列：
表1 Tornado與Workbench的功能對比
Workbench是對Tornado的一次脫胎換骨的升級，但目前并不能說Workbench就可以完全取代Tornado。這是因?yàn)閃orkbench只對VxWorks6.0以上的版本(具有“進(jìn)程”的概念)進(jìn)行支持，如果用戶想使用VxWorks6.0以下的版本(扁平地址空間，應(yīng)用程序均在內(nèi)核中運(yùn)行)，那只能用Tornado進(jìn)行開發(fā)。
4．Workbench的當(dāng)前應(yīng)用狀況
如上所述，Workbench無疑是當(dāng)前嵌入式軟件開發(fā)領(lǐng)域中功能非常強(qiáng)大的一個集成開發(fā)環(huán)境，它最適合應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)或多個開發(fā)團(tuán)隊(duì)的合作開發(fā)，比如一個復(fù)雜的系統(tǒng)需要用到多種CPU或多種目標(biāo)操作系統(tǒng)，或者應(yīng)用軟件本身非常復(fù)雜，具有多個任務(wù)，并且相互之間關(guān)聯(lián)緊密，或者多個項(xiàng)目組之間需要進(jìn)行協(xié)同開發(fā)和軟件模塊共享，或者企業(yè)涉及到了從硬件開發(fā)，到軟件開發(fā)，再到生產(chǎn)測試的全過程。在這些情況下，考慮使用Workbench平臺則非常合適，因?yàn)檫@樣不僅能快速有效地進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，并且能夠有效地進(jìn)行項(xiàng)目的組織和管理，最終從整體上降低企業(yè)的成本。
Workbench目前正式發(fā)布的版本是2.2版，即將推出的2.3版本則提供了對更多種類處理器和目標(biāo)操作系統(tǒng)的支持，其功能和適用范圍也將進(jìn)一步增強(qiáng)。在國內(nèi)，已經(jīng)有不少大型企業(yè)都正在積極地評估Workbench平臺的使用，并體驗(yàn)其強(qiáng)大的開發(fā)能力和方便靈活的操作過程。在國外，已經(jīng)有一些企業(yè)用Workbench開發(fā)出來了自己的產(chǎn)品。相信不久以后，風(fēng)河公司的Workbench開發(fā)平臺將會遍及到嵌入式軟件開發(fā)的各個領(lǐng)域，并使嵌入式軟件開發(fā)成為一個令人愉悅的過程。