嵌入式软件开发

2021-05-17

嵌入式软件开发

什么是嵌入式软件开发？

“嵌入式软件”是一种程序，用(yòng)于控制与通用(yòng)计算机不同的各种设备和机器。非计算机设备和工程技术的结合形成了嵌入式系统。如今，嵌入式系统在制造设备，音频/视频设备，電(diàn)信设备，汽車(chē)工业，航空，消费类電(diàn)子产品，游戏机，运动传感器和医學(xué)等各个领域都非常流行（如图1所示）。 

要设计嵌入式系统，需要具有(yǒu)操作系统，微控制器/微处理(lǐ)器和良好的编程工具。要為(wèi)嵌入式系统编写程序，可(kě)以使用(yòng)多(duō)种语言，包括Python，QT，C ++，C等。嵌入式软件开发可(kě)以定义為(wèi)创建机器可(kě)理(lǐ)解的代码（使用(yòng)任何可(kě)用(yòng)的语言）来运行设备上的特定用(yòng)途。 

图1：嵌入式系统的应用(yòng)

嵌入式软件开发的历

微控制器和微处理(lǐ)器的兴起在嵌入式系统的开发中起着至关重要的作用(yòng)。在过去的几年中，嵌入式软件的发展经历了许多(duō)变化。 

在早期，仿真器和汇编器，软件开发工具仅由生产芯片（微控制器）的制造商(shāng)提供。后来，许多(duō)不同的公司开始為(wèi)开发工具提供完整的解决方案。一些公司只专注于微控制器之类的硬件，而另一些公司则将重心转移到了诸如汇编器，仿真器和模拟器之类的软件上。然后，一些公司介入并增加了对高级语言的支持。 

随着时间的流逝，出现了对实时操作系统（RTOS）的需求，并且公司将重点转移到了这种系统上。Ready Systems在1990年代初开发了第一个RTOS。导致RTOS发展的另一个主要因素是微芯片的发展，芯片的功能(néng)变得比以前更强大。随着微芯片的发展，工程师可(kě)以為(wèi)特定应用(yòng)编写单个程序。可(kě)以将程序加载到设备中，并且设备可(kě)以根据输入来处理(lǐ)实时数据并做出输出控制决策。 

随着更多(duō)的进步，微芯片的成本也降低了几美分(fēn)。现在，我们每天都可(kě)以找到嵌入式系统，甚至无法想象它们对于我们日常活动的重要性。我们可(kě)以在儿童玩具，電(diàn)风扇，烤面包机，微波炉，空调等中找到嵌入式系统。 

嵌入式软件开发工具 

嵌入式软件开发工具对于开发嵌入式设备的高效软件非常重要。可(kě)以使用(yòng)多(duō)种工具来实现此目的。这些工具的详细信息在此处列出。 

编辑

编辑器是软件开发中最重要的工具之一。该工具可(kě)用(yòng)于以不同的编程语言（包括C，C ++，Python和Java）编写和编辑代码。可(kě)以使用(yòng)不同的编辑器，这些编辑器是免费软件，并且附带价格。选择编辑器时可(kě)能(néng)要考虑的另一件事是它的环境，轻量级是更好的选择。一些编辑器包括Notepad ++，Atom，Visual Studio，NetBeans，Kite和Geany。良好的编辑器必须具备以下功能(néng)。 

突出显示语法

代码导航

自动缩进代码

自动完成代码

行号

定期自动保存

注释多(duō)行

概述代码（包括功能(néng)，库）

突出显示警告和错误 

编译器 

在最近的发展之后，源代码是用(yòng)高级语言编写的。编译器用(yòng)于将高级代码转换為(wèi)机器可(kě)以理(lǐ)解的低级代码。然后，机器可(kě)以使用(yòng)翻译后的代码执行所需的任務(wù)。有(yǒu)各种可(kě)用(yòng)的编译器，其中一些是Visual Studio，Eclipse，NetBeans，MATLAB，Arduino和Keil。 

组装工 

汇编程序几乎达到了与编译器相同的目的，但是还有(yǒu)一段距离。汇编程序将高级代码转换為(wèi)目标代码，同时将高级代码转换為(wèi)操作码并解析内存位置。然后，它将目标代码或汇编代码转换為(wèi)通常称為(wèi)机器语言代码的位级指令。GNU是用(yòng)于此目的的常见汇编程序之一。 

调试器 

就错误跟踪而言，它是最关键的工具。它通过指示和突出显示错误和警告（在发生的地方）来帮助开发人员跟踪错误。调试器提供的另一个功能(néng)是逐步调试。这样，开发人员可(kě)以通过执行代码的每一行并监视其执行状态来跟踪错误。上面列出的大多(duō)数编译器都包含调试器，但最常见的调试器是IDA Pro。该工具在Linux和Windows上均可(kě)用(yòng)。 

连结器 

在嵌入式系统中，程序通常以小(xiǎo)块或模块的形式编写。要将所有(yǒu)模块链接在一起，请使用(yòng)链接器工具。这将所有(yǒu)模块作為(wèi)输入，将它们组合在一起，并制作一个信号可(kě)执行程序。它还可(kě)以组合使用(yòng)不同编程语言创建的目标文(wén)件，并将它们合并為(wèi)一个可(kě)执行文(wén)件（如图2所示）。GNU链接器是最常见的链接器之一。 

图2：链接来自不同编程语言的不同对象 

仿真器 

在使用(yòng)实际设备之前，在复制目标设备的工具上测试程序很(hěn)重要。為(wèi)此，使用(yòng)了仿真器。仿真器提供目标设备的组件和功能(néng)的副本。这样，开发人员可(kě)以轻松识别在实际设备上执行代码时可(kě)能(néng)发生的任何问题。通过使用(yòng)仿真器，开发人员可(kě)以调整代码参数以实现目标设备的最佳性能(néng)。优化代码性能(néng)后，可(kě)以将其部署在实际设备上。

开发人员很(hěn)难為(wèi)项目使用(yòng)所有(yǒu)不同的工具。因此，為(wèi)此目的，重要的是要在一个通常称為(wèi)集成开发环境（IDE）的单一环境中获得所有(yǒu)工具。IDE是一种工具，為(wèi)嵌入式软件的开发提供了所有(yǒu)必要的工具。 

嵌入式软件语言

在嵌入式系统中，使用(yòng)实时操作系统，以便可(kě)以同时执行多(duō)个任務(wù)。嵌入式软件使用(yòng)不同的语言进行编程，这些语言通常包括Java脚本，Python和C / C ++。所有(yǒu)语言都可(kě)以使用(yòng)不同的操作系统进行处理(lǐ)，这些操作系统可(kě)能(néng)包括Windows，Linux，micro C / OS，Nucleus RTOS等。但是，编程语言的选择是嵌入式软件开发的关键步骤，这取决于不同的因素。这里列出了一些关键参数： 

内存大小(xiǎo)：嵌入式设备的内存非常有(yǒu)限，用(yòng)于存储数据和代码。因此，拥有(yǒu)可(kě)以有(yǒu)效利用(yòng)内存的代码很(hěn)重要。

速度：希望程序能(néng)够快速执行。因此，需要為(wèi)特定的应用(yòng)选择正确的编程语言。

可(kě)移植性：我们在不同的工作地点没有(yǒu)相同的编译器。因此，编程语言必须能(néng)够在不同的处理(lǐ)器上执行。

实现：编程语言必须具有(yǒu)更简单的语法，并且出错的可(kě)能(néng)性很(hěn)小(xiǎo)。

维护：语言的维护应该很(hěn)容易，因為(wèi)调试旧代码可(kě)能(néng)是一项繁琐的任務(wù)。 

嵌入式软件开发流程 

嵌入式系统开发需要注意两件事：（i）软件开发，（ii）硬件开发。Embedder软件的开发经历了一个艰难的过程，因此它可(kě)能(néng)会為(wèi)我们提供完美的软件。為(wèi)了实现此任務(wù)，使用(yòng)了不同的过程，其中之一就是敏捷开发方法（如图3所示）。 

图3：嵌入式软件开发过程 

第一步是集思广益，其中的想法需要进行讨论和完善，然后才能(néng)进入开发阶段。在第二和第三阶段中，将设计和开发该系统。第四阶段是关键阶段，在此阶段检查开发系统的质量。一旦系统清除了质量检查，便将其部署。 

使用(yòng)图4所示的流程图可(kě)以更详细地描述“开发阶段”。在图4中，我们可(kě)以看到，开发阶段可(kě)以分(fēn)為(wèi)两个部分(fēn)，即硬件和软件，这两个部分(fēn)是相互关联的。在硬件部分(fēn)，為(wèi)目标系统完成组装，然后执行硬件测试，其中也包括软件部分(fēn)。在硬件链的末端，执行最终测试以检查是否达到了所需的结果。如果未达到结果，则将硬件组装进行更新(xīn)（在大多(duō)数情况下是不需要的），并且软件也将进行更新(xīn)以获得所需的结果。 

图4：嵌入式软件开发的开发阶段

对于软件开发，使用(yòng)了“编辑-测试-调试”方法。在这种方法中，使用(yòng)了许多(duō)工具来获得期望的结果。在软件开发阶段，使用(yòng)了第3节中列出的所有(yǒu)工具。编辑-测试-调试周期所需的工具也可(kě)以使用(yòng)下面的图5进行说明。

图5：嵌入式软件开发的“编辑-测试-调试”阶段