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嵌入式軟件開發(fā)
嵌入式軟件開發(fā)
什么是嵌入式軟件開發(fā)？
“嵌入式軟件”是一種程序，用于控制與通用計(jì)算機(jī)不同的各種設(shè)備和機(jī)器。非計(jì)算機(jī)設(shè)備和工程技術(shù)的結(jié)合形成了嵌入式系統(tǒng)。如今，嵌入式系統(tǒng)在制造設(shè)備，音頻/視頻設(shè)備，電信設(shè)備，汽車工業(yè)，航空，消費(fèi)類電子產(chǎn)品，游戲機(jī)，運(yùn)動(dòng)傳感器和醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域都非常流行（如圖1所示）。
要設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)，需要具有操作系統(tǒng)，微控制器/微處理器和良好的編程工具。要為嵌入式系統(tǒng)編寫程序，可以使用多種語言，包括Python，QT，C ++，C等。嵌入式軟件開發(fā)可以定義為創(chuàng)建機(jī)器可理解的代碼（使用任何可用的語言）來運(yùn)行設(shè)備上的特定用途。
圖1：嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用
嵌入式軟件開發(fā)的歷
微控制器和微處理器的興起在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中起著至關(guān)重要的作用。在過去的幾年中，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，軟件開發(fā)工具僅由生產(chǎn)芯片（微控制器）的制造商提供。后來，許多不同的公司開始為開發(fā)工具提供完整的解決方案。一些公司只專注于微控制器之類的硬件，而另一些公司則將重心轉(zhuǎn)移到了諸如匯編器，仿真器和模擬器之類的軟件上。然后，一些公司介入并增加了對高級語言的支持。
隨著時(shí)間的流逝，出現(xiàn)了對實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）的需求，并且公司將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了這種系統(tǒng)上。Ready Systems在1990年代初開發(fā)了第一個(gè)RTOS。導(dǎo)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(qiáng)大。隨著微芯片的發(fā)展，工程師可以為特定應(yīng)用編寫單個(gè)程序。可以將程序加載到設(shè)備中，并且設(shè)備可以根據(jù)輸入來處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并做出輸出控制決策。
隨著更多的進(jìn)步，微芯片的成本也降低了幾美分。現(xiàn)在，我們每天都可以找到嵌入式系統(tǒng)，甚至無法想象它們對于我們?nèi)粘；顒?dòng)的重要性。我們可以在兒童玩具，電風(fēng)扇，烤面包機(jī)，微波爐，空調(diào)等中找到嵌入式系統(tǒng)。
嵌入式軟件開發(fā)工具
嵌入式軟件開發(fā)工具對于開發(fā)嵌入式設(shè)備的高效軟件非常重要。可以使用多種工具來實(shí)現(xiàn)此目的。這些工具的詳細(xì)信息在此處列出。
編輯
編輯器是軟件開發(fā)中最重要的工具之一。該工具可用于以不同的編程語言（包括C，C ++，Python和Java）編寫和編輯代碼。可以使用不同的編輯器，這些編輯器是免費(fèi)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。
突出顯示語法
代碼導(dǎo)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(cuò)誤
編譯器
在最近的發(fā)展之后，源代碼是用高級語言編寫的。編譯器用于將高級代碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器可以理解的低級代碼。然后，機(jī)器可以使用翻譯后的代碼執(zhí)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(dá)到了與編譯器相同的目的，但是還有一段距離。匯編程序?qū)⒏呒壌a轉(zhuǎn)換為目標(biāo)代碼，同時(shí)將高級代碼轉(zhuǎn)換為操作碼并解析內(nèi)存位置。然后，它將目標(biāo)代碼或匯編代碼轉(zhuǎn)換為通常稱為機(jī)器語言代碼的位級指令。GNU是用于此目的的常見匯編程序之一。
調(diào)試器
就錯(cuò)誤跟蹤而言，它是最關(guān)鍵的工具。它通過指示和突出顯示錯(cuò)誤和警告（在發(fā)生的地方）來幫助開發(fā)人員跟蹤錯(cuò)誤。調(diào)試器提供的另一個(gè)功能是逐步調(diào)試。這樣，開發(fā)人員可以通過執(zhí)行代碼的每一行并監(jiān)視其執(zhí)行狀態(tài)來跟蹤錯(cuò)誤。上面列出的大多數(shù)編譯器都包含調(diào)試器，但最常見的調(diào)試器是IDA Pro。該工具在Linux和Windows上均可用。
連結(jié)器
在嵌入式系統(tǒng)中，程序通常以小塊或模塊的形式編寫。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(zhí)行程序。它還可以組合使用不同編程語言創(chuàng)建的目標(biāo)文件，并將它們合并為一個(gè)可執(zhí)行文件（如圖2所示）。GNU鏈接器是最常見的鏈接器之一。
圖2：鏈接來自不同編程語言的不同對象
仿真器
在使用實(shí)際設(shè)備之前，在復(fù)制目標(biāo)設(shè)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(biāo)設(shè)備的組件和功能的副本。這樣，開發(fā)人員可以輕松識別在實(shí)際設(shè)備上執(zhí)行代碼時(shí)可能發(fā)生的任何問題。通過使用仿真器，開發(fā)人員可以調(diào)整代碼參數(shù)以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)設(shè)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(shè)備上。
開發(fā)人員很難為項(xiàng)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)通常稱為集成開發(fā)環(huán)境（IDE）的單一環(huán)境中獲得所有工具。IDE是一種工具，為嵌入式軟件的開發(fā)提供了所有必要的工具。
嵌入式軟件語言
在嵌入式系統(tǒng)中，使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，以便可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。嵌入式軟件使用不同的語言進(jìn)行編程，這些語言通常包括Java腳本，Python和C / C ++。所有語言都可以使用不同的操作系統(tǒng)進(jìn)行處理，這些操作系統(tǒng)可能包括Windows，Linux，micro C / OS，Nucleus RTOS等。但是，編程語言的選擇是嵌入式軟件開發(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(shù)：
內(nèi)存大小：嵌入式設(shè)備的內(nèi)存非常有限，用于存儲數(shù)據(jù)和代碼。因此，擁有可以有效利用內(nèi)存的代碼很重要。
速度：希望程序能夠快速執(zhí)行。因此，需要為特定的應(yīng)用選擇正確的編程語言。
可移植性：我們在不同的工作地點(diǎn)沒有相同的編譯器。因此，編程語言必須能夠在不同的處理器上執(zhí)行。
實(shí)現(xiàn)：編程語言必須具有更簡單的語法，并且出錯(cuò)的可能性很小。
維護(hù)：語言的維護(hù)應(yīng)該很容易，因?yàn)檎{(diào)試舊代碼可能是一項(xiàng)繁瑣的任務(wù)。
嵌入式軟件開發(fā)流程
嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要注意兩件事：（i）軟件開發(fā)，（ii）硬件開發(fā)。Embedder軟件的開發(fā)經(jīng)歷了一個(gè)艱難的過程，因此它可能會為我們提供完美的軟件。為了實(shí)現(xiàn)此任務(wù)，使用了不同的過程，其中之一就是敏捷開發(fā)方法（如圖3所示）。
圖3：嵌入式軟件開發(fā)過程
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)入開發(fā)階段。在第二和第三階段中，將設(shè)計(jì)和開發(fā)該系統(tǒng)。第四階段是關(guān)鍵階段，在此階段檢查開發(fā)系統(tǒng)的質(zhì)量。一旦系統(tǒng)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(xì)地描述“開發(fā)階段”。在圖4中，我們可以看到，開發(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(biāo)系統(tǒng)完成組裝，然后執(zhí)行硬件測試，其中也包括軟件部分。在硬件鏈的末端，執(zhí)行最終測試以檢查是否達(dá)到了所需的結(jié)果。如果未達(dá)到結(jié)果，則將硬件組裝進(jìn)行更新（在大多數(shù)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(jié)果。
圖4：嵌入式軟件開發(fā)的開發(fā)階段
對于軟件開發(fā)，使用了“編輯-測試-調(diào)試”方法。在這種方法中，使用了許多工具來獲得期望的結(jié)果。在軟件開發(fā)階段，使用了第3節(jié)中列出的所有工具。編輯-測試-調(diào)試周期所需的工具也可以使用下面的圖5進(jìn)行說明。
圖5：嵌入式軟件開發(fā)的“編輯-測試-調(diào)試”階段