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1、嵌入式系统及应用,第三章嵌入式软件系统基础,主要内容,嵌入式软件系统概述嵌入式操作系统嵌入式软件开发工具,第一节嵌入式软件系统概述,软件系统嵌入式软件系统的分类嵌入式软件系统的体系结构嵌入式软件运行流程,软件系统,软件(software)是计算机系统中与硬件(hardware)相互依存的另一部分，它包括程序(program)、相关数据(data)及其说明文档(document)。其中：程序是按照事先设计的功能和性能要求执行的指令序列；数据是程序能正常操纵信息的数据结构；文档是与程序开发维护和使用有关的各种图文资料。,软件系统,软件是一种逻辑实体，具有抽象性。这个特点使它与其它工程对象有着明显的
2、差异。人们可以把它记录在纸上、内存、和磁盘、光盘上，但却无法看到软件本身的形态，必须通过观察、分析、思考、判断，才能了解它的功能、性能等特性。,软件产品的特性,软件没有明显的制造过程。一旦研制开发成功，就可以大量拷贝同一内容的副本。所以对软件的质量控制，必须着重在软件开发方面下工夫。,软件在使用过程中，没有磨损、老化的问题。软件在生存周期后期不会因为磨损而老化，但会为了适应硬件、环境以及需求的变化而进行修改，而这些修改有不可避免的引入错误，导致软件失效率升高，从而使的软件退化。当修改的成本变得难以接受时，软件就被抛弃。,软件对硬件和环境有着不同程度的依赖性。这导致了软件移植的问题。,软件的开发
3、至今尚未完全摆脱手工作坊式的开发方式，生产效率低。,软件是复杂的，而且以后会更加复杂。软件是人类有史以来生产的复杂度最高的工业产品。软件涉及人类社会的各行各业、方方面面，软件开发常常涉及其它领域的专门知识，这对软件工程师提出了很高的要求。,软件的成本相当昂贵。软件开发需要投入大量、高强度的脑力劳动，成本非常高，风险也大。现在软件的开销已大大超过了硬件的开销。,软件工作牵涉到很多社会因素。许多软件的开发和运行涉及机构、体制和管理方式等问题，还会涉及到人们的观念和心理。这些人的因素，常常成为软件开发的困难所在，直接影响到项目的成败。,嵌入式软件系统的分类,嵌入式软件,系统软件,支撑软件,应用软件,
4、控制、管理计算机系统的资源,嵌入式操作系统嵌入式中间件（CORBA、Java）等等,辅助软件开发的工具,系统分析设计工具仿真开发工具交叉开发工具测试工具配置管理工具维护工具等,面向应用领域,手机软件路由器软件交换机软件飞控软件等,嵌入式软件系统的分类,从运行平台来分，嵌入式软件可以分为运行在开发平台上的软件：设计、开发、测试工具等。运行在嵌入式系统上的软件：嵌入式操作系统、应用程序、驱动程序及部分开发工具。,嵌入式软件系统的体系结构,硬件,应用层,驱动层,操作系统层,中间件层,嵌入式软件系统的体系结构,驱动层 驱动层是直接与硬件打交道的一层，它对操作系统和应用提供所需的驱动的支持。该层主要包括
5、三种类型的程序。,板级初始化程序 这些程序在嵌入式系统上电后初始化系统的硬件环境，包括嵌入式微处理器、存储器、中断控制器、DMA、定时器等的初始化。,与系统软件相关的驱动这类驱动是操作系统和中间件等系统软件所需的驱动程序，它们的开发要按照系统软件的要求进行。目前操作系统内核所需的硬件支持一般都已集成在嵌入式微处理器中了，因此操作系统厂商提供的内核驱动一般不用修改。,与应用软件相关的驱动 与应用软件相关的驱动不一定需要与操作系统连接，这些驱动的设计和开发由应用决定。,嵌入式软件系统的体系结构,操作系统层操作系统层包括嵌入式内核、嵌入式TCP/IP网络系统、嵌入式文件系统、嵌入式GUI系统和电源管
6、理等部分。其中嵌入式内核是基础和必备的部分，其他部分要根据嵌入式系统的需要来确定。,嵌入式软件系统的体系结构,中间件层 目前在一些复杂的嵌入式系统中也开始采用中间件技术，主要包括嵌入式CORBA、嵌入式Java、嵌入式DCOM和面向应用领域的中间件软件。如基于嵌入式CORBA的应用于软件无线电台的应用中间件SCA（Software Core Architecture）等。,嵌入式软件系统的体系结构,应用层 应用层软件主要由多个相对独立的应用任务组成每个应用任务完成特定的工作，如I/O任务、计算的任务、通信任务等，由操作系统调度各个任务的运行。,嵌入式软件运行流程,上电复位,系统升级,引导/升级
7、系统,系统初始化,应用初始化,多任务应用,板级初始化,远程升级,本地升级,基于多任务操作系统的嵌入式软件的主要运行流程该运行流程主要分为5个阶段,嵌入式软件运行流程,上电复位、板级初始化阶段嵌入式系统上电复位后完成板级初始化工作。板级初始化程序具有完全的硬件特性，一般采用汇编语言实现。不同的嵌入式系统，板级初始化时要完成的工作具有一定的特殊性，但以下工作一般是必须完成的：CPU中堆栈指针寄存器的初始化。BSS段（Block Storage Space表示未被初始化的数据）的初始化。CPU芯片级的初始化：中断控制器、内存等的初始化。,返回,嵌入式软件运行流程,系统引导/升级阶段根据需要分别进入系
8、统软件引导阶段或系统升级阶段。软件可通过测试通信端口数据或判断特定开关的方式分别进入不同阶段。,嵌入式软件运行流程,系统引导阶段系统引导有几种情况：将系统软件从NOR Flash中读取出来加载到RAM中运行：这种方式可以解决成本及Flash速度比RAM慢的问题。软件可压缩存储在Flash中。不需将软件引导到RAM中而是让其直接在NorFlash上运行，进入系统初始化阶段。将软件从外存（如NandFlash、CF卡、MMC等）中读取出来加载到RAM中运行：这种方式的成本更低。,嵌入式软件运行流程,系统升级阶段进入系统升级阶段后系统可通过网络进行远程升级或通过串口进行本地升级。远程升级一般支持TF
9、TP、FTP、HTTP等方式。本地升级可通过Console口使用超级终端或特定的升级软件进行。,返回,嵌入式软件运行流程,系统初始化阶段 在该阶段进行操作系统等系统软件各功能部分必需的初始化工作，如根据系统配置初始化数据空间、初始化系统所需的接口和外设等。系统初始化阶段需要按特定顺序进行，如首先完成内核的初始化，然后完成网络、文件系统等的初始化，最后完成中间件等的初始化工作。,返回,嵌入式软件运行流程,应用初始化阶段在该阶段进行应用任务的创建，信号量、消息队列的创建和与应用相关的其它初始化工作。多任务应用运行阶段各种初始化工作完成后，系统进入多任务状态，操作系统按照已确定的算法进行任务的调度，
10、各应用任务分别完成特定的功能。,第二节嵌入式操作系统,概述嵌入式操作系统的演变嵌入式操作系统分类嵌入式操作系统体系结构嵌入式操作系统的组成,概述,嵌入式操作系统可以统称为应用在嵌入式系统的操作系统，它具有一般操作系统的功能，同时具有嵌入式软件的特点，主要有：可固化 可配置、可剪裁 独立的板级支持包，可修改 不同的CPU有不同的版本 应用的开发需要有集成的交叉开发工具,概述,近十年来，嵌入式操作系统得到飞速的发展从支持8位微处理器到16位、32位甚至64位微处理器；从支持单一品种的微处理器芯片到支持多品种微处理器芯片；从只有内核到除了内核外还提供其他功能模块，如文件系统，TCP/IP网络系统，窗
11、口图形系统等。随着嵌入式系统应用领域的扩展，目前嵌入式操作系统的市场在不断细分，出现了针对不同领域的产品，这些产品按领域的要求和标准提供特定的功能。,嵌入式操作系统的演变,*Percent of total software supplied by RTOS vendor in a typical embedded device,Application,Application,Application,Application,嵌入式操作系统的演变,在嵌入式系统的发展过程中，从操作系统的角度来看，大致经历了以下几个阶段：无操作系统阶段简单操作系统阶段实时操作系统阶段面向Internet的阶段,嵌入
12、式操作系统的演变,无操作系统阶段嵌入式系统最初的应用是基于单片机的，大多以可编程控制器的形式出现，具有监测、伺服、设备指示等功能，通常应用于各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中，一般没有操作系统的支持，只能通过汇编语言对系统进行直接控制，运行结束后再清除内存。这些装置虽然已经初步具备了嵌入式的应用特点，但仅仅只是使用8位的CPU芯片来执行一些单线程的程序，因此严格地说还谈不上系统的概念。这一阶段嵌入式系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，因而曾经在工业控制领域中得到了非常广泛的应用，但却无法满足现今对执行效
13、率、存储容量都有较高要求的信息家电等场合的需要。,嵌入式操作系统的演变,简单操作系统阶段20世纪80年代，随着微电子工艺水平的提高，IC制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器、I/O接口、串行接口以及RAM、ROM等部件统统集成到一片VLSI中，制造出面向I/O设计的微控制器，并一举成为嵌入式系统领域中异军突起的新秀。与此同时，嵌入式系统的程序员也开始基于一些简单的操作系统开发嵌入式应用软件，大大缩短了开发周期、提高了开发效率。这一阶段嵌入式系统的主要特点是：出现了大量高可靠、低功耗的嵌入式CPU（如Power PC等），各种简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展。此时的嵌入式操作系统虽
14、然还比较简单，但已经初步具有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高，主要用来控制系统负载以及监控应用程序的运行。,嵌入式操作系统的演变,实时操作系统阶段20世纪90年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统进一步飞速发展，而面向实时信号处理算法的DSP产品则向着高速度、高精度、低功耗的方向发展。随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩大，逐渐形成了实时多任务操作系统（RTOS），并开始成为嵌入式系统的主流。这一阶段嵌入式系统的主要特点是：操作系统的实时性得到了很大改善，已经能够运行在各种不同类型的微处理器上，具有高度的模块化和扩展性。此时的嵌
15、入式操作系统已经具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面（GUI）等功能，并提供了大量的应用程序接口（API），从而使得应用软件的开发变得更加简单。,嵌入式操作系统的演变,面向Internet的阶段21世纪无疑将是一个网络的时代，将嵌入式系统应用到各种网络环境中去的呼声自然也越来越高。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，随着Internet的进一步发展，以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等的结合日益紧密，嵌入式设备与Internet的结合才是嵌入式技术的真正未来。信息时代和数字时代的到来，为嵌入式系统的发展带来了巨大的机遇，同时也对嵌入式系统厂商提
16、出了新的挑战。,嵌入式操作系统的演变,目前，嵌入式技术与Internet技术的结合正在推动着嵌入式技术的飞速发展，嵌入式系统的研究和应用产生了如下新的显著变化：新的微处理器层出不穷，嵌入式操作系统自身结构的设计更加便于移植，能够在短时间内支持更多的微处理器。嵌入式系统的开发成了一项系统工程，开发厂商不仅要提供嵌入式操作系统本身，同时还要提供强大的软件开发支持包。通用计算机上使用的新技术、新观念开始逐步移植到嵌入式系统中，如嵌入式数据库、移动代理、实时CORBA、Java等，嵌入式软件平台得到进一步完善。,嵌入式操作系统的演变,各类嵌入式Linux操作系统迅速发展，由于具有源代码开放、系统内核小
17、、执行效率高、网络结构完整等特点，很适合信息家电等嵌入式系统的需要，目前已经形成了能与Windows CE、Symbian等嵌入式操作系统进行有力竞争的局面。网络化、信息化的要求随着Internet技术的成熟和带宽的提高而日益突出，以往功能单一的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构变得更加复杂，网络互联成为必然趋势。精简系统内核，优化关键算法，降低功耗和软硬件成本。提供更加友好的多媒体人机交互界面。,嵌入式操作系统分类,从应用领域来分面向信息家电的嵌入式操作系统面向智能手机的嵌入式操作系统，如SymbianOS、MS Mobile OS、PalmOS、Embedded Linux
18、等面向汽车电子的嵌入式操作系统 面向工业控制的嵌入式操作系统.,从实时性的角度来分嵌入式实时操作系统：具有强实时特点，如VxWorks、QNX、Nuclear、OSE、DeltaOS、各种ITRON OS等。非实时嵌入式操作系统：一般只具有弱实时特点，如WinCE、版本众多的嵌入式Linux、PalmOS等。,从嵌入式系统的商业模式来分类商用型：功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，开发费用+版税。开源型：开放源码，只收服务费，没有版税。如Embedded linux，RTEMS，eCOS。,嵌入式操作系统体系结构,体系结构是操作系统的基础，它定义了硬件与软件的界限、内核与操作系统其它组
19、件（文件、网络、GUI等）的组织关系、系统与应用的接口。体系结构是确保系统的性能、可靠性、灵活性、可移植性、可扩展性的关键，就好比房子的梁架，只有梁架搭牢固了才提得上房子的质量，再做一些锦上添花的工作才有意义。目前操作系统的体系结构可分为：单块结构、层次结构和客户/服务器（微内核）结构。,嵌入式操作系统体系结构,硬 件,系统服务,用户态,核心态,应用程序,应用程序,单块结构,嵌入式操作系统体系结构,层次结构,嵌入式操作系统体系结构,硬 件,进程服务,用户态,核心态,应用程序客户,内存服务,微内核,文件服务,网络服务,显示服务,发送,应答,客户/服务器结构（微内核结构）,嵌入式操作系统体系结构,
20、微内核结构的优点提供一致的接口可扩展性：扩展对新的软件/硬件支持灵活性：可伸缩可移植性分布式系统支持适用于面向对象操作系统环境性能问题：通过微内核构造和发送信息、接受应答并解码所花费的时间比进行一次系统调用的时间多很大程度取决于微内核的大小和功能,嵌入式操作系统体系结构,目前嵌入式操作系统主要采用分层和模块化相结合的结构或微内核结构。分层和模块化结合的结构将操作系统分为硬件无关层、硬件抽象层和硬件相关层，每层再划分功能模块。这样移植工作便集中在硬件相关层，与其余两层无关，功能的伸缩则集中在模块上，从而确保其具有良好的可移植性和可伸缩性。而采用微内核结构，则可利用其可伸缩的特点适应硬件的发展，便
21、于扩展。,嵌入式操作系统体系结构,应用程序,任务管理,硬 件,用户扩展处理,调度管理,硬件抽象层,应用编程接口,内存管理,中断管理,时钟/定时器管理,I/O管理,出错处理,同步、通信管理（消息队列，信号量，事件，异步信号)）,DeltaCORE的体系结构：层次模块结构,分层次,模块化,嵌入式操作系统体系结构,用户模式,应用,应用,应用,网络管理器,图形管理器,设备管理器,文件系统管理器,网络驱动,图形驱动,设备驱动,文件系统驱动,硬件,内核模式 内核（微内核）,QNX4.25的体系结构：客户/服务器结构,嵌入式操作系统的组成,嵌入式内核,内核是嵌入式操作系统的基础，也是必备的部分。内核还提供特
22、定的应用编程接口，但目前没有统一的标准。,任务管理,内存管理,通信同步与互斥机制,中断管理,时间管理,任务扩展,返回,嵌入式内核,任务管理内核的核心部分，具有任务调度、创建任务、删除任务、挂起任务、解挂任务、设置任务优先级等功能。通用计算机的操作系统追求的是最大的吞吐率，为了达到最佳整体性能，其调度原则是公平，采用Round-Robin或可变优先级调度算法，调度时机主要以时间片为主驱动。而嵌入式操作系统多采用基于静态优先级的可抢占的调度，任务优先级是在运行前通过某种策略静态分配好的，一旦有优先级更高的任务就绪就马上进行调度。,返回,嵌入式内核,内存管理嵌入式操作系统的内存管理比较简单。通常不采
23、用虚拟存储管理，而采用静态内存分配和动态内存分配（固定大小内存分配和可变大小内存分配）相结合的管理方式。有些内核利用MMU机制提供内存保护功能。通用操作系统广泛使用了虚拟内存的技术，为用户提供一个功能强大的虚存管理机制。,返回,嵌入式内核,通信、同步和互斥机制这些机制提供任务间、任务与中断处理程序间的通信、同步和互斥功能。一般包括信号量、消息、事件、管道、异步信号和共享内存等功能。与通用操作系统不同的是，嵌入式操作系统需要解决在这些机制的使用中出现的优先级反转问题。,返回,嵌入式内核,中断管理，一般具有以下功能：安装中断服务程序中断发生时，对中断现场进行保存，并且转到相应的服务程序上执行中断退
24、出前，对中断现场进行恢复中断栈切换中断退出时的任务调度,返回,嵌入式内核,时间管理提供高精度、应用可设置的系统时钟，该时钟是嵌入式系统的时基，可设置为十毫秒以下。提供日历时间，负责与时间相关的任务管理工作如任务对资源有限等待的计时、时间片轮转调度等，提供软定时器的管理功能等。通用操作系统的系统时钟的精度由操作系统确定，应用不可调，且一般是几十个毫秒。,返回,嵌入式内核,任务扩展功能任务扩展功能就是在内核中设置一些Hook的调用点，在这些调用点上内核调用应用设置的、应用自己编写的扩展处理程序，以扩展内核的有关功能。Hook调用点有任务创建、任务切换、任务删除、出错处理等。,返回,嵌入式TCP/I
25、P,TCP/IP协议已经广泛地应用于嵌入式系统中嵌入式TCP/IP网络系统提供符合TCP/IP协议标准的协议栈，提供Socket编程接口。,Socket 接 口,物 理 设 备,应用程序/应用协议,嵌入式TCP/IP,嵌入式TCP/IP网络系统具有以下的特点：可剪裁：能根据嵌入式系统的功能的要求选择所需的协议，对完整的TCP/IP协议簇进行剪裁，以满足用户的需要。采用“零拷贝”（Zero Copy）技术，提高实时性 所谓“零拷贝”技术，是指TCP/IP协议栈没有用于各层间数据传递的缓冲区，协议栈各层间传递的都是数据指针，只有当数据最终要被驱动程序发送出去或是被应用程序取走时，才进行真正的数据搬
26、移。,嵌入式TCP/IP,采用静态分配技术 在网络初始化时就静态分配通信缓冲区，设置了专门的发送和接收缓冲（其大小一般小于或等于物理网络上的MTU值），从而确保了每次发送或接收时处理的数据不会超过MTU值，也就避免了数据处理任务的阻塞等待。,返回,嵌入式文件系统,通用操作系统的文件系统通常具有以下功能：提供用户对文件操作的命令提供用户共享文件的机制管理文件的存储介质提供文件的存取控制机制，保障文件及文件系统的安全性提供文件及文件系统的备份和恢复功能提供对文件的加密和解密功能,嵌入式文件系统,嵌入式文件系统相比之下较为简单，主要具有文件的存储、检索、更新等功能，一般不提供保护和加密等安全机制。它
27、以系统调用和命令方式提供对文件的各种操作，主要有：设置和修改对文件和目录的存取权限 提供建立、修改、改变、删除目录等服务提供创建、打开、读、写、关闭、撤消文件等服务,第三节嵌入式软件开发工具,嵌入式软件开发工具分类嵌入式软件的交叉开发环境嵌入式软件实现阶段的开发过程嵌入式软件开发工具的发展趋势,嵌入式软件开发工具的分类,嵌入式软件开发阶段,需求分析（Requirement Analysis）,设计（Software Design）,编码（Coding）,测试（Test）,发布、维护（Release）,嵌入式软件开发工具的分类,根据不同的阶段，嵌入式软件开发工具可以分为：需求分析工具（Requi
28、rement Analysis Tools）软件设计工具(Software Design Tools)编码、调试工具(Coding Tools)测试工具(Testing Tools)配置管理工具、维护工具等,主要嵌入式软件开发工具产品,嵌入式软件开发工具的分类,嵌入式软件的开发可以分为以下几种：编写简单的板级测试软件，主要是辅助硬件的调试 开发基本的驱动程序 开发特定嵌入式操作系统的驱动程序（板级支持包）开发嵌入式系统软件，如：嵌入式操作系统等 开发应用软件,嵌入式软件开发工具的分类,从以上嵌入式软件开发分类来看，嵌入式软件开发工具可以分为：与嵌入式OS相关的开发工具，用于开发：基于嵌入式OS
29、的应用部分驱动程序等与嵌入式OS无关的开发工具，用于开发：基本的驱动程序辅助硬件调试程序系统软件等,嵌入式软件的交叉开发环境,交叉开发环境是指用于嵌入式软件开发的所有工具软件的集合，一般包括：文本编辑器交叉编译器交叉调试器仿真器下载器等交叉开发环境由宿主机和目标机组成，宿主机与目标机之间在物理连接的基础上建立起逻辑连接。,交叉开发环境,目标机硬件,目标机应用系统,应用软件,应用中间件,目标机,OS,宿主机硬件,宿主机,OS,调,试,代,理,运,行,库,宿主机开发环境,编辑,编译,连接,调试,运行平台,Target,开发平台,Host,DownLoad,嵌入式软件的交叉开发环境,宿主机（Host
30、）：是用于开发嵌入式系统的计算机。一般为PC机（或者工作站），具备丰富的软硬件资源，为嵌入式软件的开发提供全过程支持。目标机（Target）：即所开发的嵌入式系统，是嵌入式软件的运行环境，其硬件软件是为特定应用定制的。在开发过程中，目标机端需接收和执行宿主机发出的各种命令如设置断点、读内存、写内存等，将结果返回给宿主机，配合宿主机各方面的工作。,嵌入式软件的交叉开发环境,物理连接和逻辑连接 物理连接是指宿主机与目标机通过物理线路连接在一起，连接方式主要有三种：串口以太口OCD（On Chip Debug）方式，如JTAG、BDM等物理连接是逻辑连接的基础。逻辑连接指宿主机与目标机间按某种通信协
31、议建立起来的通信连接，目前逐步形成了一些通信协议的标准。,嵌入式软件实现阶段的开发过程,设计完成后，嵌入式软件的开发进入实现阶段，可分为三个步骤：生成、调试和固化运行。软件的生成主要是在宿主机上进行，利用各种工具完成对应用程序的编辑、交叉编译和链接工作，生成可供调试或固化的目标程序。调试是通过交叉调试器完成软件的调试工作。调试完成后还需进行必要的测试工作。固化运行是先用一定的工具将应用程序固化到目标机上，然后启动目标机，在没有任何工具干预的情况下应用程序能自动地启动运行。,嵌入式软件生成阶段,三个过程源代码程序的编写编译成各个目标模块链接成可供下载调试或固化的目标程序,编辑器,交叉编译器,交叉
32、链接器,源程序,目标模块,可供调试/固化,库文件,交叉编译,把在宿主机上编写的高级语言程序编译成可以运行在目标机上的代码，即在宿主机上能够编译生成另一种CPU（嵌入式微处理器）上的二进制程序。,嵌入式软件的调试,交叉调试器是指调试程序和被调试程序运行在不同机器上的调试器调试器通过某种方式能控制目标机上被调试程序的运行方式通过调试器能查看和修改目标机上的内存、寄存器以及被调试程序中的变量等,嵌入式软件的调试,交叉调试方式 Crash and Burn Rom Monitor Rom Emulator In Circuit Emulator On Chip DebuggingSimulator方式
33、（非交叉）,Crash and Burn,最早的嵌入式应用软件调试方法。,在宿主机上编写代码,反复检查代码，直到编译通过，生成可执行程序,将程序固化（Burn）到目标机的非易失性存储器（E2PROM、FLASH等）中,在宿主机上反复检查码，查找问题根源,改写代码,启动目标机运行，观察程序是否正常工作,N,Y,结束,ROM Monitor,ROM Monitor是被固化且运行在目标机上的一段程序，负责监控目标机上被调试程序的运行，与宿主机端的调试器一起完成对应用程序的调试。调试器与ROM Monitor之间的通信遵循远程调试协议。,ROM Monitor调试方式,调试器Windows或其它桌面操
34、作系统PC机等硬件,嵌入式硬件,监控程序(ROM Monitor),被调试程序,宿主机,目标机,逻辑上的连接,物理上的连接,ROM Monitor,在目标机上电或复位后首先执行的就是ROM Monitor，它对目标机进行一些必要的初始化初始化要求的外围设备，如最基本的串口和用于内存刷新的系统计时器芯片；初始化用于下载映像的内存系统；初始化中断控制器和安装中断处理程序。初始化自己的程序空间等待宿主机端的命令,ROM Monitor,ROM Monitor能配合调试器完成：程序映像下载对目标机系统内存的读写对寄存器的读写设置和清除不同类型的断点单步执行指令复位系统等调试功能,ROM Monitor
35、,调试过程（1）启动目标机，监控器掌握对目标机的控制，等待和调试器建立连接；（2）启动调试器，并和监控器建立起通信连接；（3）使用调试器将应用程序下载到目标机上的RAM空间中；（4）使用调试器进行调试，发出各种调试命令，监控器解释并执行这些命令，通过目标机上的各种异常来获取对目标机的控制，将命令执行结果回传给调试器；（5）如果程序有问题，在调试器的帮助下定位错误；修改之后再重新编译链接并下载程序，开始新的调试，如此反复直至程序正确运行为止。,ROM Monitor,优点提高调试程序的效率，缩短开发周期，降低成本简单、方便可扩展性强，可支持许多高级调试功能成本低廉，不需专门的调试硬件支持几乎所有
36、的交叉调试器都支持这种方式,ROM Monitor,缺点Debug Monitor需要用Crash and Burn方法开发。当ROM Monitor占用CPU时，应用程序不响应外部的中断，因此不便调试有时间特性的程序。某些调试功能依赖于CPU硬件的支持（如硬件断点功能）ROM Monitor要占用目标机一定数量的资源，如CPU、RAM、ROM和通信设备等资源。调试环境不同于实际目标环境。,仿真开发方式,嵌入式应用的开发经常会遭遇缺少目标机环境、缺乏目标机芯片等资源的问题，而开发过程又不可能停止，因此自然就提出了根据不同的应用需要，利用仿真器件、仿真环境进行开发的方法。,硬件仿真开发ROM E
37、mulatorICEOCD软件仿真开发,ROM Emulator,ROM Emulator是一种用于替代目标机上的ROM芯片的设备，即ROM仿真器。利用这种设备，目标机可以没有ROM芯片，但目标机的CPU可以读取ROM Emulator设备上ROM芯片的内容：ROM Emulator设备上的ROM芯片的地址可以实时地映射到目标机的ROM地址空间，从而仿真（Emulation）目标机的ROM。,ROM Emulator,ROM Emulator的调试方式是一种不完全的调试方式：ROM Emulator设备只是为目标机提供ROM芯片和在Target和Host间建立一条高速的通信通道，因此它经常和前
38、面两种调试方式结合起来形成一种完备的调试方式。ROM Emulator的典型应用就是和ROM Monitor的调试方式相结合。,ROM Emulator,优点目标机可以没有ROM芯片、可以使用ROM Emulator提供的ROM空间且不需要用别的工具来写ROM。缺点目标机必须能支持外部ROM存储空间，而且由于其通常要和ROM Monitor配合使用，因此它拥有ROM Monitor的所有缺点。,ICE,ICE（In-Circuit Emulator）是一种用于替代目标机上CPU的设备，即在线仿真器。它比一般的CPU有更多的引出线，能够将内部的信号输出到被控制的目标机。ICE上的Memory也可
39、以被映射到用户的程序空间，这样即使目标机不存在的情形下也可以进行代码的调试。,ICE调试结构,连接ICE和目标机时，一般是将目标机的CPU取下，而将ICE的CPU引出线接到目标机的CPU插槽。用ICE进行调试时，在Host端运行的调试器通过ICE来控制目标机上运行的程序。,ICE,ICE,功能特点同时支持软断点和硬件断点的设置设置各种复杂的断点和触发器实时跟踪目标程序的运行，并可实现选择性的跟踪支持“Time Stamp”允许用户设置“Timer”提供“Shadow RAM”，能在不中断被调试程序的运行下查看内存和变量即非干扰调试查询,ICE,适用于：调试实时的应用系统调试设备驱动程序对硬件进
40、行功能和性能的测试实时性能分析缺点：价格太昂贵，不利于团队开发所仿CPU有限,OCD,OCD（On Chip Debugging）是CPU芯片提供的一种调试功能（片上调试），可以认为是一种廉价的ICE功能：OCD的价格只有ICE的20%，但提供了ICE 80%的功能。,OCD调试结构,OCD,调试方法将CPU的模式分为一般模式和调试模式一般模式下，CPU从内存读取指令执行调试模式下，CPU首先从调试端口读取指令，通过调试端口可以控制CPU进入和退出调试模式；Host端的调试器可以直接向目标机发送要执行的指令，读写目标机的内存和各种寄存器，控制目标程序的运行以及完成各种复杂的调试功能。,OCD,
41、优点不占用目标机的资源调试环境和最终的程序运行环境基本一致支持软硬断点、Trace功能精确计量程序的执行时间提供时序分析功能,OCD,缺点调试的实时性不如ICE不支持非干扰调试查询CPU必需具有OCD功能,OCD,存在各种实现BDM（Background Debugging Mode）JTAG（Joint Test Access Group）（主流方式）OnCE（On Chip Emulation）,各种OCD仿真器实例,边界扫描技术（JTAG）,JTAG标准测试访问接口与边界扫描结构（Standard Test Access Port and Boundary Scan Architectu
42、re），已被IEEE1149.1标准所采纳，是面向用户的测试接口。该接口一般由4个引脚组成：测试数据输入（TDI）测试数据输出（TDO）测试时钟（TCK）测试模式选择引脚（TMS）异步测试复位引脚（TRST，可选）,边界扫描技术（JTAG）,优点可以通过边界扫描操作测试整个板的电气连接，特别为表面贴元件提供方便 各个引脚信号的采样，并可强制引脚输出用以测试外围芯片 可以软件下载、执行、调试和控制，为复杂的实时跟踪调试提供路径 可以进行多内核和多处理器的板级和芯片级的调试，通过串接，为芯片制造商提供芯片生产、测试的途径 不占用系统资源，能够调试没有外部总线的芯片，代价非常小,边界扫描技术（JTA
43、G）,缺点通过串口依次传递数据，速度比较慢 只能进行软件断点级别的调试 不能完成实时跟踪和多种事件触发等复杂调试功能 几种增强版本 ARM芯片的实时调试方案（E-TRACE）背景调试模式BDM 片上仿真OnCE,嵌入式软件技术发展,形成行业的标准,嵌入式实时操作系统,嵌入式开发工具,各种软件技术,行业性嵌入式软件开发平台：根据应用的不同要求，今后不同行业会定义其嵌入式操作系统、嵌入式支撑软件等行业标准,高可用（high available）高可靠（high safety）支持多处理器和分布式计算,高度集成编译优化具有系统设计、可视化建模、仿真和验证功能,Java优化技术多媒体技术小型GUI技术
44、低功耗技术宽带和无线通信技术,谢谢！,ARM微处理器：内存和I/O,大端的数据存放格式,低地址,高地址,地址A,地址A+1,地址A+2,地址A+3,最高有效字节的地址就是该word的地址,最高有效字节位于最低地址,word a=0 x f6 73 4b cd,f6,73,4b,cd,ARM微处理器：内存和I/O,小端的数据格式,低地址,高地址,地址A,地址A+1,地址A+2,地址A+3,最低有效字节的地址就是该word的地址,最低有效字节位于最低地址,word a=0 x f6 73 4b cd,f6,73,4b,cd,ARM微处理器：内存和I/O,大端:小端:,0 xb3204500,0 xddddddd0,0 xb3204500,0 xddddddd0,f6,f6,73,73,4b,4b,cd,cd,00,00,da,da,实例变量A：word A=0 x f6 73 4b cd，在内存中的起始地址为0 x b3 20 45 00变量B：half word B=218，在内存中的起始地址为0 x dd dd dd d0,
