嵌入式軟件開(kāi)發(fā)

2021-05-17

嵌入式軟件開(kāi)發(fā)

什么是嵌入式軟件開(kāi)發(fā)？

“嵌入式軟件”是一種程序，用于控制與通用計算機不同的各種設備和機器。非計算機設備和工程技術(shù)的結合形成了嵌入式系統。如今，嵌入式系統在制造設備，音頻/視頻設備，電信設備，汽車(chē)工業(yè)，航空，消費類(lèi)電子產(chǎn)品，游戲機，運動(dòng)傳感器和醫學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域都非常流行（如圖1所示）。 

要設計嵌入式系統，需要具有操作系統，微控制器/微處理器和良好的編程工具。要為嵌入式系統編寫(xiě)程序，可以使用多種語(yǔ)言，包括Python，QT，C ++，C等。嵌入式軟件開(kāi)發(fā)可以定義為創(chuàng )建機器可理解的代碼（使用任何可用的語(yǔ)言）來(lái)運行設備上的特定用途。 

圖1：嵌入式系統的應用

嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的歷

微控制器和微處理器的興起在嵌入式系統的開(kāi)發(fā)中起著(zhù)至關(guān)重要的作用。在過(guò)去的幾年中，嵌入式軟件的發(fā)展經(jīng)歷了許多變化。 

在早期，仿真器和匯編器，軟件開(kāi)發(fā)工具僅由生產(chǎn)芯片（微控制器）的制造商提供。后來(lái)，許多不同的公司開(kāi)始為開(kāi)發(fā)工具提供完整的解決方案。一些公司只專(zhuān)注于微控制器之類(lèi)的硬件，而另一些公司則將重心轉移到了諸如匯編器，仿真器和模擬器之類(lèi)的軟件上。然后，一些公司介入并增加了對高級語(yǔ)言的支持。 

隨著(zhù)時(shí)間的流逝，出現了對實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）的需求，并且公司將重點(diǎn)轉移到了這種系統上。Ready Systems在1990年代初開(kāi)發(fā)了第一個(gè)RTOS。導致RTOS發(fā)展的另一個(gè)主要因素是微芯片的發(fā)展，芯片的功能變得比以前更強大。隨著(zhù)微芯片的發(fā)展，工程師可以為特定應用編寫(xiě)單個(gè)程序?？梢詫⒊绦蚣虞d到設備中，并且設備可以根據輸入來(lái)處理實(shí)時(shí)數據并做出輸出控制決策。 

隨著(zhù)更多的進(jìn)步，微芯片的成本也降低了幾美分?，F在，我們每天都可以找到嵌入式系統，甚至無(wú)法想象它們對于我們日?；顒?dòng)的重要性。我們可以在兒童玩具，電風(fēng)扇，烤面包機，微波爐，空調等中找到嵌入式系統。 

嵌入式軟件開(kāi)發(fā)工具 

嵌入式軟件開(kāi)發(fā)工具對于開(kāi)發(fā)嵌入式設備的高效軟件非常重要?？梢允褂枚喾N工具來(lái)實(shí)現此目的。這些工具的詳細信息在此處列出。 

編輯

編輯器是軟件開(kāi)發(fā)中最重要的工具之一。該工具可用于以不同的編程語(yǔ)言（包括C，C ++，Python和Java）編寫(xiě)和編輯代碼?？梢允褂貌煌木庉嬈?，這些編輯器是免費軟件，并且附帶價(jià)格。選擇編輯器時(shí)可能要考慮的另一件事是它的環(huán)境，輕量級是更好的選擇。一些編輯器包括Notepad ++，Atom，Visual Studio，NetBeans，Kite和Geany。良好的編輯器必須具備以下功能。 

突出顯示語(yǔ)法

代碼導航

自動(dòng)縮進(jìn)代碼

自動(dòng)完成代碼

行號

定期自動(dòng)保存

注釋多行

概述代碼（包括功能，庫）

突出顯示警告和錯誤 

編譯器 

在最近的發(fā)展之后，源代碼是用高級語(yǔ)言編寫(xiě)的。編譯器用于將高級代碼轉換為機器可以理解的低級代碼。然后，機器可以使用翻譯后的代碼執行所需的任務(wù)。有各種可用的編譯器，其中一些是Visual Studio，Eclipse，NetBeans，MATLAB，Arduino和Keil。 

組裝工 

匯編程序幾乎達到了與編譯器相同的目的，但是還有一段距離。匯編程序將高級代碼轉換為目標代碼，同時(shí)將高級代碼轉換為操作碼并解析內存位置。然后，它將目標代碼或匯編代碼轉換為通常稱(chēng)為機器語(yǔ)言代碼的位級指令。GNU是用于此目的的常見(jiàn)匯編程序之一。 

調試器 

就錯誤跟蹤而言，它是最關(guān)鍵的工具。它通過(guò)指示和突出顯示錯誤和警告（在發(fā)生的地方）來(lái)幫助開(kāi)發(fā)人員跟蹤錯誤。調試器提供的另一個(gè)功能是逐步調試。這樣，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)執行代碼的每一行并監視其執行狀態(tài)來(lái)跟蹤錯誤。上面列出的大多數編譯器都包含調試器，但最常見(jiàn)的調試器是IDA Pro。該工具在Linux和Windows上均可用。 

連結器 

在嵌入式系統中，程序通常以小塊或模塊的形式編寫(xiě)。要將所有模塊鏈接在一起，請使用鏈接器工具。這將所有模塊作為輸入，將它們組合在一起，并制作一個(gè)信號可執行程序。它還可以組合使用不同編程語(yǔ)言創(chuàng )建的目標文件，并將它們合并為一個(gè)可執行文件（如圖2所示）。GNU鏈接器是最常見(jiàn)的鏈接器之一。 

圖2：鏈接來(lái)自不同編程語(yǔ)言的不同對象 

仿真器 

在使用實(shí)際設備之前，在復制目標設備的工具上測試程序很重要。為此，使用了仿真器。仿真器提供目標設備的組件和功能的副本。這樣，開(kāi)發(fā)人員可以輕松識別在實(shí)際設備上執行代碼時(shí)可能發(fā)生的任何問(wèn)題。通過(guò)使用仿真器，開(kāi)發(fā)人員可以調整代碼參數以實(shí)現目標設備的最佳性能。優(yōu)化代碼性能后，可以將其部署在實(shí)際設備上。

開(kāi)發(fā)人員很難為項目使用所有不同的工具。因此，為此目的，重要的是要在一個(gè)通常稱(chēng)為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）的單一環(huán)境中獲得所有工具。IDE是一種工具，為嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)提供了所有必要的工具。 

嵌入式軟件語(yǔ)言

在嵌入式系統中，使用實(shí)時(shí)操作系統，以便可以同時(shí)執行多個(gè)任務(wù)。嵌入式軟件使用不同的語(yǔ)言進(jìn)行編程，這些語(yǔ)言通常包括Java腳本，Python和C / C ++。所有語(yǔ)言都可以使用不同的操作系統進(jìn)行處理，這些操作系統可能包括Windows，Linux，micro C / OS，Nucleus RTOS等。但是，編程語(yǔ)言的選擇是嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵步驟，這取決于不同的因素。這里列出了一些關(guān)鍵參數： 

內存大?。呵度胧皆O備的內存非常有限，用于存儲數據和代碼。因此，擁有可以有效利用內存的代碼很重要。

速度：希望程序能夠快速執行。因此，需要為特定的應用選擇正確的編程語(yǔ)言。

可移植性：我們在不同的工作地點(diǎn)沒(méi)有相同的編譯器。因此，編程語(yǔ)言必須能夠在不同的處理器上執行。

實(shí)現：編程語(yǔ)言必須具有更簡(jiǎn)單的語(yǔ)法，并且出錯的可能性很小。

維護：語(yǔ)言的維護應該很容易，因為調試舊代碼可能是一項繁瑣的任務(wù)。 

嵌入式軟件開(kāi)發(fā)流程 

嵌入式系統開(kāi)發(fā)需要注意兩件事：（i）軟件開(kāi)發(fā)，（ii）硬件開(kāi)發(fā)。Embedder軟件的開(kāi)發(fā)經(jīng)歷了一個(gè)艱難的過(guò)程，因此它可能會(huì )為我們提供完美的軟件。為了實(shí)現此任務(wù)，使用了不同的過(guò)程，其中之一就是敏捷開(kāi)發(fā)方法（如圖3所示）。 

圖3：嵌入式軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程 

第一步是集思廣益，其中的想法需要進(jìn)行討論和完善，然后才能進(jìn)入開(kāi)發(fā)階段。在第二和第三階段中，將設計和開(kāi)發(fā)該系統。第四階段是關(guān)鍵階段，在此階段檢查開(kāi)發(fā)系統的質(zhì)量。一旦系統清除了質(zhì)量檢查，便將其部署。 

使用圖4所示的流程圖可以更詳細地描述“開(kāi)發(fā)階段”。在圖4中，我們可以看到，開(kāi)發(fā)階段可以分為兩個(gè)部分，即硬件和軟件，這兩個(gè)部分是相互關(guān)聯(lián)的。在硬件部分，為目標系統完成組裝，然后執行硬件測試，其中也包括軟件部分。在硬件鏈的末端，執行最終測試以檢查是否達到了所需的結果。如果未達到結果，則將硬件組裝進(jìn)行更新（在大多數情況下是不需要的），并且軟件也將進(jìn)行更新以獲得所需的結果。 

圖4：嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的開(kāi)發(fā)階段

對于軟件開(kāi)發(fā)，使用了“編輯-測試-調試”方法。在這種方法中，使用了許多工具來(lái)獲得期望的結果。在軟件開(kāi)發(fā)階段，使用了第3節中列出的所有工具。編輯-測試-調試周期所需的工具也可以使用下面的圖5進(jìn)行說(shuō)明。

圖5：嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的“編輯-測試-調試”階段