嵌入式开发总结

嵌入式开发知识总结

文/zollty

序：

读大学时学过计算机组成原理、操作系统、计算机网络等等课程，但是大学生都知道，上完那些课只是懂一点皮毛而已，打打酱油就过去了。虽然拿着奖学金，但那都是浮云。特别是对于软件工程师，一定要多实践、多思考才行。理论知识显得并没有搞硬件或者偏硬件开发的那么重要，因为软件的重点在于逻辑和算法。

我认为，在中、高级阶段，偏硬莫非就是一种知识活儿，而偏软莫非就是一种体力活儿……只有到达专家阶段才能够有所突破。对比一下培训机构的软件开发和硬件开发的培训费用就知道了，一般的软件培训（JAVA/C++/PHP/C#），收费大概是一个月3000，而嵌入式的培训费则是按天计算，1天大概500，由此可见，嵌入式的课程含金量很高。

如果你两者皆不了解，那么我推荐你选择偏硬件的方向，实惠很多。综合其他前辈的经验，我再次强调，嵌入式开发是个不错的工作，应该比公务员都还好，而且非常适合女生，但要学好大学里面的课程，比如数字逻辑、电路分析、微机原理、单片机等等，理论很重要。

而软件工程师就业也很容易，这些天很火爆的消息就是“CSDN等网站被黑”，接踵而至的就是“传智播客创始人、中关村黑马程序员总负责人张孝祥老师急病突发意外逝世，终年38岁”，张孝祥何许人也？你可能不知道，但是对我来说却是如雷贯耳。就我知道的情况，目前黑马程序员训练营3个多月培训出来的学生，平均薪资大概8000，这里面有高中生，有大学生，也有研究生，具体薪酬在4500~15000之间，而且千真万确。类似的培训机构还很多，尚观、达内、软通、安博、国信蓝点…………这个省略号还很长。软件开发的培训周期都在1~4个月之间，就业薪资至少都承诺3000以上，一般都在4000左右。

他们就业很容易，我理解。但是他们起薪就六、七千的，我就有些羡慕了。毕竟自己这么多个Offer，开价都没超过4500的。同学的5K就已经让人羡慕得要死……但是要淡定，一定要淡定，不要把工资看得那么重要。据我所知，传智播客的老师月薪2.5W以上，国信蓝点的老师也有1.2W，是否说明工资越多人就越幸福健康？作为传智播客的老板，张孝祥有钱吧，但是他却非常朴素、非常忙，曾经还跑去发传单……

境界。我静下心来看书、做项目，我发现有些东西确实可以在短短两、三个月内学通，即使说今年做Linux C/C++开发，明年做JavaEE、Android开发，后年去做硬件开发、驱动开发，那都是没问题的。问题是，你喜欢做什么？你想要达到哪种境界？

其实我也不知道我最喜欢什么——我喜欢软件开发（这个范围很大…）也喜欢组织策划、创意设计，我也很适合当老师或者医学家。

我想要达到哪种境界？——这还用说吗，肯定是专家境界；

但是专哪一行呢？——肯定是软件开发。

软件开发的哪一个领域呢？——软件客户端和服务器端开发。

基于哪个平台？——手机平台、平板电脑、嵌入式平台。

基于什么系统？——Windows、Linux、Android等

基于什么语言？——C语言，C++语言，Java语言等

技术范畴有哪些？——网络编程、数据库编程、图形界面编程等。

涉及哪些东西？——这个确实很多，比如Socket、MySQL、GTK+、Qt、Swing、Struts、Hebernate等。

有哪些实际的例子？——Linux下的媒体播放器、嵌入式系统中的人脸识别系统；Android手机上的赶集网客户端、连连看游戏；iPone上的阅读器，iPad上的3D网络游戏的服务器端程序等。

OK，跑题了，回到嵌入式开发的知识上来。下面是我做的笔记，把它整理出来了。

一、基础知识

目前流行的嵌入式操作系统有：Linux、uC/OS、WindowsCE、VxWorks、PalmOS和QNX。其中VxWorks实时性很强，最稳定、可靠，但价格昂贵，而其他的都有各自的优点。

ARM公司（原名Advanced RISC Machine），主要是研发ARM系列微处理器（出售IP，即知识产权），目前全世界有几十家著名的半导体公司都使用ARM公司的授权，包括Motorola、IBM、Intel、SONY、LG等。ARM微处理器已成为RISC标准。目前基于ARM核的处理器有以下几种：

ARM7/9 Thumb家族

ARM9/10E家族

ARM 11家族

ARM Cortex家族

SecurCore家族

OptimoDE Data Engine家族

MPCore Multiprocessors家族

Intel公司的StrongARM（相当于ARM8）和Xscale。

ARM7处理器采用了ARMV4T（冯诺依曼）体系结构。目前主流的ARM7内核是ARM7TDMI（最常用）、ARM7TDMI-S、ARM720T和ARM7EJ-S。T代表支持Thumb指令集，D代表支持片上调试，M代表内嵌硬件乘法器，I代表支持片上断点和调试点。

ARM9处理器采用改进型哈佛体系结构。采用五级流水处理及分离的Cache结构。常见的系列有：ARM920T、ARM922T和ARM940T。

Xscale是基于ARMv5TE体系结构，是一款性能全、性价比高、功耗低的处理器。支持16位的Thumb指令和DSP指令集。

Cortex，按传统的命名方法，Cortex可以看做ARM12。ARM公司推出了Cortex-A/R/M三个系列。

还有ARM9E、ARM11、MPCore、StrongARM等，略。

目前比较经典的是基于三星ARM9的S3C2440的开发板，这个系列的资料很多。最流行的是基于三星ARM11的S3C6410开发板，可以跑Android，尚观嵌入式学院都是用的这种板子。

ARM体系结构的变种

Thumb指令集（T变种）是将ARM指令集重新编码形成的一个子集。常见的ARMv5T使用v2版的Thumb指令集。

此外，还有长乘法指令（M变种），增强型DSP指令（E变种），Java加速器Jazelle（J变种）和ARM媒体功能扩展（SIMD变种）。

二、开发流程

不管系统多么复杂，一般都是以最小系统为基础，通过加入所需的功能模块构成的。最小系统大概包括电源电路、时钟电路、复位电路、外扩的存储系统和调试接口。

1、硬件设计

首先要进行实验板硬件资源规划，例如在最小系统的基础上扩充I2C存储器、串行接口、网络接口、USB接口、触摸屏接口，以及按键、蜂鸣器等。

然后设计硬件电路，包括电源电路、复位电路、时钟微处理器电路、外部存储器电路电路、网络接口电路等等，这一部分貌似比较有难度。许多公司也都是出售组装好的开发板。

PCB的设计，要考虑到抗高频干扰、信号完整性、差分布线等。焊接好元件之后还要调试电路。

2、软件的移植与开发

软件系统的移植主要包括Bootloader的移植、Linux操作系统的移植（包括内核和文件系统的移植）以及针对实验板的驱动程序的编写等。

1）准备交叉编译工具

2）引导加载程序的移植（例如vivi、U-Boot）

3）内核的移植

4）根文件系统的移植

5）驱动程序的编写

6）其他，例如JTAG测试。

三、移植Linux内核

基本步骤为：

1）获取某一版本的Linux内核源码，根据具体目标平台对内核源码进行必要的改写，主要是修改体系结构相关的部分。

PS：显然，对内核源码的修改很有难度，它既要求开发者对Linux内核结构非常熟悉，对目标平台的硬件结构也非常熟悉，而且要有良好的汇编基础。这一部分的工作一般都是目标平台提供商完成的，而且主要的东西是ARM公司的工程师来完成，由他们提供相关版本的Linux内核的补丁，然后把补丁打到我们所用的Linux内核上，经过必要的配置和交叉编译就行了。所以说，内核的定制和改写难度很大，一般的软件工程师和硬件工程师都很难胜任。

2）打补丁，然后配置内核，调出内核配置界面，选上某些选项或者去掉某些选项，配置选项非常多，而且某些选项之间有关联，所以说这一步比较有难度。下面列出一些配置项，每个配置项都可以选择Y（将该功能编译进内核）、N、M（编译成可以在需要时动态加载的模块）。

Code maturity level options（代码成熟度选项）

General setup（通用设置）

Networkong deveices（包括很多子选项dummy net driver support，PLIP support，SCSI device support等）

3）编译内核，用几个命令就可以编译内核了。#make clean，#make dep，#make zImage。

4）移植根文件系统，内核编译完之后，可以运行各种命令并支持各种功能的中央处理器，但是如果缺少了内存、硬盘等设备也不能正常运行。根文件系统中存放了Linux系统所需要得各种程序文件，没有这些文件内核无法正常工作。同样，要移植根文件系统需要清楚Linux的运行机制，比较麻烦。所以一般都使用Busybox这个工具。安装配置Busybox，向Busybox添加命令，构造根文件系统，制作根文件系统映像文件（形如initrd.gz）。

5）使用U-Boot制作、下载内核。U-Boot支持uImage格式的内核文件。启动内核，然后使用U-Boot加载根文件系统映像。

四、开发环境的建立

一般宿主机推荐用Red Hat9.0，需要宿主机在硬件上有标准串口、并口、网口；软件上具有目标板的Linux内核、ramdisk文件系统映像以及Bootloader。软件的更新通常使用串口或网口，最初的Bootloader烧写是通过JTAG进行的。

首先要在宿主机上建立交叉编译调试的开发环境，许多开发板配有光盘能实现自动安装。用minicom作为被开发目标板的终端，开发前要正确的配置minicom。然后配置TFTP（简单文件传输协议），用于在目标板和宿主机之间传输文件。配置NFS，以便终端机能共享宿主机的文件。

实验1 编译Bootloader

很简单。一种常见的Bootloader是PPCBoot，另一种是vivi。

实验2 编译Linux内核

用几个命令就可以编译内核文件，编译后就要配置，配置稍微繁琐一点。但是每个选项在网上都可以找到相应的配置方法。

实验3 制作文件系统及程序的烧写

实验4 烧写各部分到目标板

实验5 交叉编译并运行简单程序

打开minicom开启实验板电源，挂载实验板。编译C语言的命令形如：

/opt/host/armv4l/bin/armv4l-unknown-linux-gcc -o HelloWorld HelloWorld.c

实验6 简单驱动程序的编写

编写一个简单字符设备的驱动程序。该程序非常简单，但是涉及到很多系统硬件的知识。if，for，switch，static，define这些关键字用得很多，也涉及到结构体，涉及到直接对地址的操作、位运算。涉及到物理设备，中断等一些知识。

其实，显而易见，驱动开发更靠近硬件一些，程序方面主要是熟练C语言就可以了。驱动开发的最大喜悦就是把物理设备给驱动起来的，并尽量使驱动不出问题，物理设备能够正常运行。