嵌入式开发

数码管是嵌入式开发中比较常用的一个模块,本篇文章根据查阅的资料以及学习笔记整理成文,尽可能详尽的讲解常用数码管原理和使用方法。有不足和疏忽的地方,请不吝指正。

一、工作原理

数码管是一种半导体发光器件,其基本单元是发光二极管。能显示4位数字的叫四位数码管,当然也有多位和只有一位的数码管,他们的电气原理相同。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管,八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元(多一个小数点显示);按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V,当某一字段发光二极管的阴极为低电平时,相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时,相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上,当某一字段发光二极管的阳极为高电平时,相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时,相应字段就不亮。


二、电气特性

单位数码管有十个管脚,其中有8根是用来点亮a,b,c,d,e,f,dp 共8个发光二极管(原理中有介绍),3,8两个管脚为公共COM脚,它们相连通且作用相同,可接任意一根。为了更清楚介绍,贴图如下

共阴数码管脚位对应图

三、驱动方式

1、静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动,或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单,显示亮度高,缺点是占用I/O端口多,如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O端口来驱动,要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢:),实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动,增加了硬件电路的复杂性。

2、数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一,动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起,另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路,位选通由各自独立的I/O线控制,当单片机输出字形码时,所有数码管都接收到相同的字形码,但究竟是那个数码管会显示出字形,取决于单片机对位选通COM端电路的控制,所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开,该位就显示出字形,没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端,就使各个数码管轮流受控显示,这就是动态驱动。在轮流显示过程中,每位数码管的点亮时间为1~2ms,由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应,尽管实际上各位数码管并非同时点亮,但只要扫描的速度足够快,给人的印象就是一组稳定的显示数据,不会有闪烁感,动态显示的效果和静态显示是一样的,能够节省大量的I/O端口,而且功耗更低。

四、开发实例

下面讲解一下四位数码管的动态驱动显示,首先看一下接线引脚图如下。


接下来用51单片机设计目标:通过编写c语言程序经编译连接后下载到单片机中,使四位数码管依次显示1,2,3,4

#define uchar usigned char
#define uint  usigned int

//位选控制端口
sbit p20=P2^0;
sbit p21=P2^1;
sbit p22=P2^2;
sbit p23=P2^3;

//数码管段选编码数组,分别为显示:1,2,3,4的编码
uchar code BianMa[] ={0x7,0xb,0xd,0xe};

//延时1ms函数(用于数码管动态刷新)
void Delay1ms(int time);

void main()
{
while(1)
{
  p20 =0; //共阴极数码管低位选有效,表示已选中第一位数码管
  P0 =BianMa[0];//通过I/O口P0向数码管送段选编码
  Delay1ms(500);//第一位数码管显示0.5秒,然后换到第二位,依次下去,由于视觉停留和数码管余辉,所以感觉四位都在显示
  p20 =1;
  
  p21 =0;  //第二位亮
  P0 =BianMa[1];
  Delay1ms(500);
  p21 =1;
  
  p22 =0;  //第三位亮
  P0 =BianMa[2];
  Delay1ms(500);
  p22 =1;
  
  p23 =0;  //第四位亮
  P0 =BianMa[3];
  Delay1ms(500);
  p23 =1;
}

//延时函数体
void Delay1ms(int time
{
  int i,j;
  for(i =time;i>0;i--)
    for(j =110;j>0;j--)
}

五、关于亮度和锁存器

一般来说静态驱动的亮度要高于动态驱动的亮度,但不影响使用。实际使用中为了达到更好的效果,会配合锁存器如74HC573一起使用,可以记忆先前状态数据直到有新数据覆盖。对做51单片机应用开发来说,相对LCD液晶,液晶模块编程更方便,样式更多样,但是其缺点亮度不够。这也恰恰是数码管的优势,如果做简单的计数显示,数码管是最好选择。

六、使用中注意事项

数码管的基本组成是发光二极管,因此其可以通过的电流只有几mA,接5V直流电源做测试的时候一定要串上一个几十K大小的电阻。否则,很容易烧掉,此外用万用表的测电阻档就可将其点亮,足以说明其电流之小。

来源:单片机与C语言

围观 120

一.将DSP的Flash里面的函数转移到RAM中

对于独立的嵌入式系统,需要把程序存入non-volitale存储单元中,常用的也就是flash。但是程序在flash中运行相对在RAM中行,速度会变慢很多,具体有多慢,拿28335来说吧,假设系统时钟为150MHz,在RAM中运行时频率还是150MHz,而放在flash中,频率会降到90-95MHz,参照Ti手册SPRA958L,这对于有些对实时性要求较高的函数功能,是不可接受的。所以在系统上电时,把对实时性要求高的函数转移到RAM中去。

下面以initflash函数为例,具体步骤如下:

(1)、将函数定位到section:

#pragma CODE_SECTION(InitFlash, "secureRamFuncs")

当遇到InitFlash(),就到段secureRamFuncs去运行。

当有多个函数需要转移时,重复使用#pragma CODE_SECTION(“函数名", "secureRamFuncs")即可。

即使有多个#pragma CODE_SECTION,后面的步骤只需要一次。

(2)、section分配到memory(红色为memory)。

意思是到FLASH去下载InitFlash(),下载到SECURE_RAM,然后要到SECURE_RAM去运行程序,这个过程给出了下载地址和目标地址。注意此时SECURE_RAM中还没有代码。

1. SECTIONS
2. {
3. /*** User Defined Sections ***/
4. secureRamFuncs: LOAD = FLASH,PAGE = 0
5. RUN =SECURE_RAM, PAGE = 0
6. //定义FLASH和SECURE_RAM的首地址secureRamFuncs_loadstart和secureRamFuncs_loadstart以代替绝对地址
7. LOAD_START(_secureRamFuncs_loadstart),
8. LOAD_SIZE(_secureRamFuncs_loadsize),
9. RUN_START(_secureRamFuncs_runstart),
10. }

(3)、用memcpy()将经过#pragmaCODE_SECTION设定的函数从FLASH弄到SECURE_RAM中去。注意不是将FLASH的东西全部弄到SECURE_RAM中。

1. #include <string.h>
2. //实际应用中这一部分声明可有可无
3. extern unsigned intsecureRamFuncs_loadstart;
4. extern unsigned intsecureRamFuncs_loadsize;
5. extern unsigned intsecureRamFuncs_runstart;
6. void main(void)
7. {
8. /* Copy the secureRamFuncs section */
9. memcpy(&secureRamFuncs_runstart,&secureRamFuncs_loadstart,(Uint32)&secureRamFuncs_loadsize);
10. /* Initialize the on-chip flash registers*/
11. InitFlash();
12. }

二.将MCU的内嵌Flash里的部分代码运行在 RAM 中

MCU 异于资源丰富的linux 平台。MCU(如:基于Cortex V6M 的Cortex M0+ 等) Code通常运行在内嵌Flash中。在某些特定应用场合,需要将部分函数运行于RAM 中。为解决次问题,笔者实现了一种解法,具体做法如下:

1. 实现要运行在RAM的 routine, 本routine 使用纯汇编实现, 如:

__asm void program_word2addr(uint32_t addr, uint32_t data)
{
push {r3, r4, r5, lr} ;save some regsiters
/*your code for this routine*/
pop {r3, r4, r5, pc}
}

2. 编译时,采用code 与运行位置无关的编译选项 如 (Keil --apcs /ropi/rwpi), 生成 *.axf;

3. 通过fromelf -c 将生成 *.axf 反汇编,找到对应program_word2addr 实现部分, 并将routine 对应的binary code Copy 到所要应用的 Code 中,以只读数组的形式出现:

如:
const staic uint16_t s_flashProg2AddressCode[16] = {...., ....}

4. 定义 一个全局数组, 如 static uint16_t g_code[16], size正好等于 s_flashProg2AddressCode的长度;

5. 定义一个函数指针, 如 static void (*callFlashPrg2Address)(uint32_t addr, uint32_t data)

6. 定义一个函数实现将Code 运行与 RAM如:

void run_prgcode_onram(uint32_t addr, uint32_t data)
{
memcpy(g_code,s_flashProg2AddressCode,32 );
callFlashPrg2Address = (void (*)(uint32_t addr, uint32_t data))((uin32_t)g_code + 1);
callFlashPrg2Address (address, data);
}
run_prgcode_onram, 便可以将program_word2addr 运行于RAM中。

callFlashPrg2Address = (void (*)(uint32_t addr, uint32_t data))((uin32_t)g_code + 1); +1 的目的,时由于运行平台为 Cortex V6M , 采用的thumb指令集,根据ARM Spec 要求完成。

callFlashPrg2Address (address, data); 则是实现RAM运行program_word2addr 的关键所在。

本文摘自
https://blog.csdn.net/lansedeyuntkn/article/details/54632541
https://blog.csdn.net/wqzwiseman/article/details/76531653

围观 192

单片机和嵌入式,其实没有什么标准的定义来区分他们,对于进行过单片机和嵌入式开发的开发者来说,都有他们自己的定义,接下来,就谈谈本人对这两个概念的理解和感悟。

首先明确概念,什么是单片机,单片机是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统,在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代,由当时的4位、8位单片机,发展到现在的300M的高速单片机。

比如最经典的51系列单片机,如下图所示,外观只是一块一个拇指大小的长方体芯片,共40个引脚,里面包含了逻辑运算单元。实际上也就是一个cpu。

一位高手谈单片机和嵌入式开发设计经验

在最开始接触单片机的时候,还曾经有过一个疑问,为什么单片机是黑色的而不可以是别的颜色,后来才知道是单片机材料的限制。

对单片机而言,其实一个芯片就是全部,其他的比如单片机最小系统都是为了单片机的正常运作而加入其他元件,比如晶振,5v电源,电感电阻等。当然最小系统只能保证单片机正常运行,几乎实现不了基于单片机的任何应用。

为了使单片机实现应用,必须要加入其他外设。比如按键,led灯,led屏,蜂鸣器,各种sensor。这也就是市面上很多公司都在做的单片机开发板。

总结,单片机就是完成运算、逻辑控制、通信等功能的单一模块。也就是单片机真的姓“单”。DSP芯片也可以认为是一个单片机。当然它们性能很强大,但是功能依然很单一,总之就是处理数据、逻辑。

那么什么是嵌入式呢,一般说嵌入式都是指嵌入式系统,嵌入式系统是将应用程序、操作系统、和计算机硬件在一起的系统,是指以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,其针对的用户应用对功能、可靠性、成本、体积、功耗和使用环境有特殊要求的专用计算机系统。IEEE(Instituteof Electrical and ElectronicsEngineers,美国电气和电子工程师协会)对嵌入式系统的定义:“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。

嵌入式系统是一种专用的计算机系统,作为装置或设备的一部分。通常,嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上,所有带有数字接口的设备,如手表、微波炉、录像机、汽车等,都使用嵌入式系统,有些嵌入式系统还包含操作系统,但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑。这是因为嵌入式系统一般用于工业控制,也就是说对外设的控制都是写死的,并不需要人工干预,同时也为了保证系统的稳定和可靠。

我们经常可以听到公司招聘的要求是嵌入式软件工程师或者嵌入式硬件工程师,也就是说嵌入式系统包括软件和硬件,其实仔细想想也能明白,都已经跑系统了,当然有软件也有bsp硬件啦。也就是说嵌入式系统是软硬件结合体,国内普遍认同的嵌入式系统定义为:以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。

接下来将嵌入式分成硬件和软件详细说明。

硬件层:

硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器(SDRAM、ROM、Flash等)、通用设备接口和I/O接口(A/D、D/A、I/O等)。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路,就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。

其中核心就是微处理器,嵌入式处理器和一般的电脑cpu还有区别,嵌入式微处理器大多工作在特定设计的系统中,比如TI或者Atmel公司都有很多定位不同的处理器,Atmel的SAM系列是专门为物联网设计的,AVR则由于性能十分突出,广泛应用于工业领域。

嵌入式微处理器有各种不同的体系,即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度,或集成了不同的外设和接口。据不完全统计,全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种,体系结构有30多个系列,其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但与全球PC市场不同的是,没有一种嵌入式微处理器可以主导市场,仅以32位的产品而言,就有100种以上的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。

比如arm公司有各种各样的处理器架构,最经典的cortex系列,它属于ARMv7架构,这是到2010年为止ARM公司最新的指令集架构。ARMv7架构定义了三大分工明确的系列:“A”系列面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用;“R”系列针对实时系统;“M”系列对微控制器。下图就是cortex系列的不同定位。

在嵌入式领域,可以说arm架构的处理器占据了半壁江山,而arm公司也成为著名的科技公司,而它却没有生产任何处理器,而只是提供了IP,可以看出一流公司做标准。而其他用的比较多的架构就是sparc、powerpc等。

一位高手谈单片机和嵌入式开发设计经验

嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口,如A/D、D/A、I/O等,外设通过和片外其他设备的或传感器的连接来实现微处理器的输入/输出功能。每个外设通常都只有单一的功能,它可以在芯片外也可以内置芯片中。外设的种类很多,可从一个简单的串行通信设备到非常复杂的802.11无线设备。

嵌入式系统中常用的通用设备接口有A/D(模/数转换接口)、D/A(数/模转换接口),I/O接口有RS-232接口(串行通信接口)、Ethernet(以太网接口)、USB(通用串行总线接口)、音频接口、VGA视频输出接口、I2C(现场总线)、SPI(串行外围设备接口)和IrDA(红外线接口)等。这一点其实和单片机类似。

软件层:

也就是操作系统了,包括内核和文件系统,还有就是更为顶层的应用程序,嵌入式操作系统一般都是Linux或者其他类Unix,还有一些实时操作系统(RTOS)比如VxWorks、RTEMS、ucOS等。

其中Linux还包括不同的distribution,比如Ubuntu、Redhat、Debian、centos等,他们都是采用Linux的内核,不同的是上面的software和tools,当然不用太过于担心标准问题,这些Linux发行版选择的软件几乎都是比较通用的,比如网页服务器的Apache、电子邮件服务器的postfix、sendmail、文件服务器的Samba等。此外还有Linuxstandard base等标准来规范开发者。

类Unix主要是FreeBSD以及Solaris等。

嵌入式领域最常用的还是一些实时操作系统,实时操作系统的核心就是实时性,本质就是任务处理所华为时间的可预测性,即任务需要在规定内时限内完成。IEEE对实时系统的定义是“那些正确性不仅取决于计算的逻辑结果也取决于产生结果所花费时间的系统”。实时操作系统有硬实时和软实时之分,硬实时要求在规定的时间内必须完成操作,这是在操作系统设计时保证的;软实时则只要按照任务的优先级,尽可能快地完成操作即可。我们通常使用的操作系统在经过一定改变之后就可以变成实时操作系统。

那么实时操作系统和Linux这种分时操作系统的区别列举如下:

(1)多路性。实时信息处理系统与分时系统一样具有多路性。系统按分时原则为多个终端用户服务;而对实时控制系统,其多路性则主要表现在经常对多路的现场信息进行采集以及对多个对象或多个执行机构进行控制。

(2)独立性。实时信息处理系统与分时系统一样具有独立性。每个终端用户在向分时系统提出服务请求时,是彼此独立的操作,互不干扰;而在实时控制系统中信息的采集和对对象的控制,也彼此互不干扰。

(3)及时性。实时信息系统对实时性的要求与分时系统类似,都是以人所能接受的等待时间来确定;而实时控制系统的及时性,则是以控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时间来确定的,一般为秒级、百毫秒级直至毫秒级,甚至有的要低于100微秒。

(4)交互性。实时信息处理系统具有交互性,但这里人与系统的交互,仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。它不像分时系统那样能向终端用户提供数据处理服务、资源共享等服务。

(5)可靠性。分时系统要求系统可靠,相比之下,实时系统则要求系统高度可靠。因为任何差错都可能带来巨大的经济损失甚至无法预料的灾难性后果。因此,在实时系统中,采取了多级容错措施来保证系统的安全及数据的安全。

由于更加可靠和及时。嵌入式实时操作系统更加广泛应用于工业控制、航空航天、军工等领域,比如美国航天局NASA近几年发射的火星探测器等都是采用的RTEMS实时操作系统。

中间层:

所谓的中间层就是软件层和硬件层之间的接口层,其实严格而言也属于软件层。一般开发者称之为BSP,这一层主要负责的是向下提供硬件的驱动,硬件的配置等操作,向上则向软件开发者提供标准API,进行中间层开发的开发者通常称为嵌入式驱动工程师。

从这里也可以看出来,嵌入式设计和软硬都分不开,既要掌握底层硬件的特性以及如何驱动其工作,也要了解操作系统的相关知识,才可以编写相应功能的应用。

因此看一个操作系统是否支持某个芯片或者某个开发板,只要看其源码中是否包含相应芯片或开发板的板级支持包。

以上就是本人对嵌入式系统系统的理解,接下来再来谈谈嵌入式系统应该跑在什么样的硬件上。

谈起嵌入式硬件或者开发板,我想很多人第一印象就是RaspberryPi,是一块只有信用卡大小的微型电脑,别看其外表“娇小”,内“心”却很强大,视频、音频等功能通通皆有,可谓是“麻雀虽小,五脏俱全”。树莓派推出后,很多厂商争相推出类似产品,比如香蕉派之类的。在这里用TI的Beagleboneblack板子进行说明,Beagleboneblack板如下图所示:

一位高手谈单片机和嵌入式开发设计经验

可以看出体积大小和树莓派类似,外设包括有USBhost和USBmini以及网卡接口,,背面还有一个sd卡槽和HDMI接口。接下来看看它的性能参数:

下表是BBB板和树莓派的性能参数比较:

一位高手谈单片机和嵌入式开发设计经验

Beagleboneblack的处理器是一块主频达到1GHZ的Ti处理器,基于arm的cortexa8架构,RAM是512M的DDR3,存储器大小为2GB,支持的操作系统包括Ubuntu、archLinux、Android等。外设有USBhost和一块百兆网卡。

BBB的处理器采用的是当前嵌入式系统中最流行的ARMv7指令集。采用当今广泛使用的指令集的处理器可以被更多的软件支持。例如,一些操作系统已经不支持在ARMv6指令集上运行,例如,Ubuntu在2012年4月放弃了对ARMv6指令集的支持。

ARMv7相对与ARMv6指令集的另一个优势在于,使用ARMv7的处理器的实际性能更加强劲。ARMv7相对与ARMv6的优势还有很多,比如一些显著的改进:实现了超标量架构、包含了SIMD操作指令、改进了分支预测算法从而极大的提高了某些性能。

最后总结:

以上就是一块基本的嵌入式核心板所具有的性能参数,和上面说到的单片机的性能参数相比较,单片机的处理能力较低,主频大多在几十M上下,和嵌入式动辄上百上千M的处理速度还是相差较多,此外单片机并不具有图形界面的处理能力,也就是GPU的缺乏导致单片机几乎不可能带动图形界面;单片机的存储空间和嵌入式处理器也不是一个等级的,单片机通常片内存储只有几k大小,而由于外设的限制也不太可能大范围增加外设emmc,而嵌入式处理器通常有几百兆的RAM,如此巨大的差别导致单片机几乎不可能像嵌入式处理器那样运行操作系统,甚至连TCP/IP协议栈和USB协议栈都跑不起来,一些高端的单片机比如ST公司的STM32系列,可能可以跑一些轻量级的系统os和嵌入式网络协议栈,比如IwIP协议栈。嵌入式处理器丰富强大的性能决定它能完成更多单片机不能完成的应用,比如网络通信功能,视频传输处理功能等,而当外设存储增加后,嵌入式处理器能够轻松运行各种Linux系统,以及图形GUI界面。

在开发方式上单片机和嵌入式也有较大差别,也就是编译过程的区别,单片机主要在Windows等图形界面下开发,目前有很多成熟的IDE工具比如keil、IAR、以及ti的CCS等,这些工具集编译、汇编、链接、仿真为一体,并且由于在Windows下开发,具有友好的用户界面,开发者只需编写c代码,然后点击编译链接按键即可,出现错误还可以debug或者仿真,上手还是非常快的。而嵌入式开发一般是在Linux下进行的,要将c代码在自己主机上编译完成,然后通过系统镜像或者uboot引导将编译好的文件烧入开发板,由于主机的处理器的x86架构,而编写的代码是为了运行在arm架构或sparc架构的处理器上,因此存在一个交叉编译链的安装,此外,Linux下没有Windows那样的IDE,也就是编译,链接源代码都需要开发者自己完成,一般都是利用GNUmake脚本编写Makefile以及configure文件来完成,Makefile文件中编写如何对c或者h文件编译,也就是编译规则以及依赖文件是什么。这些都需要开发者自己完成。并且以上过程都是在Linux下的终端也就是命令行中完成,这也给嵌入式开发增加了难度。

转自: 嵌入式ARM,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有。

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1、离开舒适圈

虽然当了多年的工程师、但自认是系统与软件技术“通才”的DSP与嵌入式软件开发顾问公司Jetperch创办人MattLiberty建议,不断更新并提升原本擅长的技术虽然很重要,但嵌入式工程师若能扩展自己的知识领域会更有益。走出舒适圈,挑战自我、去学习原本不熟悉的东西,包括工程以外的知识,例如与客户、同事之间的互动,将会收获良多。

2、学习利用搜索引擎

当了多年工程师、自认是“看得懂系统架构的软件人”的PTRGroup首席科学家MichaelAnderson认为,不要闭门造车,要善用开放源码世界的信息,很多常见的设计问题其实透过因特网就能找到同领域菁英贡献的程序代码;嵌入式工程师们要走出自己的小世界拥抱社群,与同领域的其他工程师们相互交流、互相帮助,而这也是开放源码世界的精神。

3、学习那些让因特网实现的技术

具备多年嵌入式工程师经验的独立产品设计与顾问公司AuriumTechnologies总经理KenWada认为,多数嵌入式领域工程师都知道如何撰写C或C++语言程序,但有时候这样的技能是不够的;他建议嵌入式工程师学习因特网有关的技术,对职业生涯发展会有加分效果,例如他目前负责的几个开发案,都是在嵌入式系统中嵌入虚拟(virtual)的XML,好让一些小型连网设备能具备“即插即用”的运作模式。

4、熟悉实时操作系统(RTOS)

在工程人才招募机构RandstadTechnologies负责嵌入式产业领域的解决方案经理HenryWintz表示,目前产业界对于熟悉RTOS的工程师需求很高,也愿意提供更高的薪资水平;因此他鼓励没有接触过RTOS的嵌入式工程师从一些较小型的系统着手,累积相关技术经验。此外他也发现产业界对嵌入式Linux人才有不少需求,主要是因为这种操作系统具备较大的设计弹性。

5、了解最新的处理器

有超过多年嵌入式软件工程师经验的Embedded.fm工程师EleciaWhite表示,除了要深入了解C或C++等基本程序语言,有时也要认识一些热门的新程序语言以因应特殊设计需求,但更重要的是了解最新的处理器技术;处理器才是嵌入式系统的本质。因为我们的系统资源有限,我们需要了解可用的资源有哪些。

6、培养多元化技能与系统观

担任近多年工程师、具备许多不同领域技术经验的技术顾问公司Rebelbot顾问JenCostillo建议,原本从事较小型系统架构(例如MCU)开发的工程师,可以开始去熟悉更大的系统(例如Linux驱动程序),反之亦然。尝试着去开发手机应用程序、或者是学习后端服务器的相关技术,能让你开启完全不同的观点;他并建议工程师去熟悉开放性硬件,现在市面上有不少现成的开发板,能让工程师专注于学习独特算法的开发。

7、要能熟悉开放源码软件

拥有多年工程师经验的FreescaleSemiconductor数字网络全球软件开发部门总监RobOshana表示,客户往往会要求在系统中整合一大堆软件,因此所有的嵌入式工程师需要熟悉各种软件;他建议工程师避免只专长单一领域,因为那可能会阻碍你的成长。对嵌入式工程师来说,确保自己对软硬件技术都很了解,是非常宝贵的价值。

8、建立系统级的工程思维

自诩为高信赖度嵌入式系统专家、担任了多年工程师的E2V电子系统总工程师AdamTaylor认为,嵌入式工程师拥有系统导向的思维是很重要的,有不少开发案遇到问题,就是因为没有在开发初期充分考虑基准、验证策略以及兼容性验证计划等项目;此外每个嵌入式工程师都应该具备优良的项目管理技巧,力求准时完成负责的项目。具备能明智因应技术与项目风险的能力,对职业生涯发展会很有帮助。

9、学习无线连结技术

自认是低阶嵌入式工程师、有多年工作经验的iRobot资深首席软件工程师ChrisSvec建议,嵌入式工程师需要在接下来1~3年学习无线连结技术,特别是Wi-Fi与蓝牙低功耗(BLE);因为现在的嵌入式设备(至少各种消费性电子都是)与使用者智能手机连结的主要(或唯一)方式,就是透过这些无线技术,虽然Wi-Fi与BLE不一定会是嵌入式系统的标准配备,但熟悉这些技术对嵌入式工程师来说会很实用。

10、要能明确表达自己的想法与意见透过文字或绘图

Micrum总裁JeanLaBrosse认为,无论是哪一种工程师,都需要能有效表达自己的想法与意见;往往有些菜鸟工程师无法清晰表达自己的想法,因为抓不到重点,而最好的解决方法是练习将之图形化,例如画出流程图。这听起来好像有点过时,但有时利用各种图框组合来整理自己的思绪、表达想法会是很有用的,例如iPad的iThoughts应用程序。

摘自:嵌入式ARM

围观 282

任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接,但如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连接,那么连线将会错综复杂,甚至难以实现。为了简化硬件电路设计、简化系统结构,常用一组线路,配置以适当的接口电路,与各部件和外围设备连接,这组共用的连接线路被称为总线。采用总线结构便于部件和设备的扩充,尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。

微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。

(1)、内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线,用于芯片一级的互连;
(2)、系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线,用于插件板一级的互连;
(3)、外部总线则是微机和外部设备之间的总线,微机作为一种设备,通过该总线和其他设备进行信息与数据交换,它用于设备
一级的互连。

另外,从广义上说,计算机通信方式可以分为并行通信和串行通信,相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。并行通信速度快、实时性好,但由于占用的口线多,不适于小型化产品;而串行通信速率虽低,但在数据通信吞吐量不是很大的微处理电路中则显得更加简易、方便、灵活。串行通信一般可分为异步模式和同步模式。

随着微电子技术和计算机技术的发展,总线技术也在不断地发展和完善,而使计算机总线技术种类繁多,各具特色。

下面仅对微机各类总线中目前比较流行的总线技术分别加以介绍。

一、内部总线

1.I2C总线
I2C(Inter-IC)总线10多年前由Philips公司推出,是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。它是同步通信的一种特殊形式,具有接口线少,控制方式简化,器件封装形式小,通信速率较高等优点。在主从通信中,可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上,通过地址来识别通信对象。

2.SPI总线
串行外围设备接口SPI(serial peripheral interface)总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。Motorola公司生产的绝大多数MCU(微控制器)都配有SPI硬件接口,如68系列MCU。SPI总线是一种三线同步总线,因其硬件功能很强,所以,与SPI有关的软件就相当简单,使CPU有更多的时间处理其他事务。

3.SCI总线
串行通信接口SCI(serial communication interface)也是由Motorola公司推出的。它是一种通用异步通信接口UART,与MCS-51的异步通信功能基本相同。

二、系统总线

1.ISA总线
ISA(industrial standard architecture)总线标准是IBM 公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准,所以也叫AT总线。它是对XT总线的扩展,以适应8/16位数据总线要求。它在80286至80486时代应用非常广泛,以至于现在奔腾机中还保留有ISA总线插槽。ISA总线有98只引脚。

2.EISA总线
EISA总线是1988年由Compaq等9家公司联合推出的总线标准。它是在ISA总线的基础上使用双层插座,在原来ISA总线的98条信号线上又增加了98条信号线,也就是在两条ISA信号线之间添加一条EISA信号线。在实用中,EISA总线完全兼容ISA总线信号。

3.VESA总线
VESA(video electronics standard association)总线是 1992年由60家附件卡制造商联合推出的一种局部总线,简称为VL(VESA local bus)总线。它的推出为微机系统总线体系结构的革新奠定了基础。该总线系统考虑到CPU与主存和Cache 的直接相连,通常把这部分总线称为CPU总线或主总线,其他设备通过VL总线与CPU总线相连,所以VL总线被称为局部总线。它定义了32位数据线,且可通过扩展槽扩展到64 位,使用33MHz时钟频率,最大传输率达132MB/s,可与CPU同步工作。是一种高速、高效的局部总线,可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔腾微处理器。

4.PCI总线
PCI(peripheral component interconnect)总线是当前最流行的总线之一,它是由Intel公司推出的一种局部总线。它定义了32位数据总线,且可扩展为64位。PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小,其功能比VESA、ISA有极大的改善,支持突发读写操作,最大传输速率可达132MB/s,可同时支持多组外围设备。 PCI局部总线不能兼容现有的ISA、EISA、MCA(micro channel architecture)总线,但它不受制于处理器,是基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线。

5.Compact PCI
以上所列举的几种系统总线一般都用于商用PC机中,在计算机系统总线中,还有另一大类为适应工业现场环境而设计的系统总线,比如STD总线、 VME总线、PC/104总线等。这里仅介绍当前工业计算机的热门总线之一——Compact PCI。 Compact PCI的意思是“坚实的PCI”,是当今第一个采用无源总线底板结构的PCI系统,是PCI总线的电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准,是当今最新的一种工业计算机标准。Compact PCI是在原来PCI总线基础上改造而来,它利用PCI的优点,提供满足工业环境应用要求的高性能核心系统,同时还考虑充分利用传统的总线产品,如ISA、STD、VME或PC/104来扩充系统的I/O和其他功能。

三、外部总线

1.RS-232-C总线
RS-232-C是美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写,232为标识号,C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线,包括一个主通道和一个辅助通道,在多数情况下主要使用主通道,对于一般双工通信,仅需几条信号线就可实现,如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C标准规定,驱动器允许有2500pF的电容负载,通信距离将受此电容限制,例如,采用150pF/m的通信电缆时,最大通信距离为15m;若每米电缆的电容量减小,通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送,存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题,因此一般用于20m以内的通信。

2.RS-485总线
在要求通信距离为几十米到上千米时,广泛采用RS-485 串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度,能检测低至200mV的电压,故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485采用半双工工作方式,任何时候只能有一点处于发送状态,因此,发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便,可以省掉许多信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统,其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。

3.IEEE-488总线
上述两种外部总线是串行总线,而IEEE-488 总线是并行总线接口标准。IEEE-488总线用来连接系统,如微计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用IEEE-488总线装配起来。它按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号,连接方式为总线方式,仪器设备直接并联于总线上而不需中介单元,但总线上最多可连接15台设备。最大传输距离为20米,信号传输速度一般为500KB/s,最大传输速度为1MB/s。

4.USB总线
通用串行总线USB(universal serial bus)是由Intel、 Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等7家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。它基于通用连接技术,实现外设的简单快速连接,达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源,而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。另外,快速是USB技术的突出特点之一,USB的最高传输率可达12Mbps比串口快100倍,比并口快近10倍,而且USB还能支持多媒体。

5.IEEE1394
Apple公司的FireWire基础上由IEEE制定的标准。与USB有很大的相似性。采用树形或菊花链结构,以级连方式在一个接口上最多可连接63个不同种类的设备。传输速率高,最高可达3.2Gb/s; 实时性好,总线提供电源,系统中各设备之间的关系是平等的,连接方便,允许热插拔和即插即用。

转自:嵌入式ARM

围观 432

单片机和嵌入式,其实没有什么标准的定义来区分他们,对于进行过单片机和嵌入式开发的开发者来说,都有他们自己的定义,接下来,就谈谈本人对这两个概念的理解和感悟。

首先明确概念,什么是单片机,单片机是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统,在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代,由当时的4位、8位单片机,发展到现在的300M的高速单片机。

比如最经典的51系列单片机,如下图所示,外观只是一块一个拇指大小的长方体芯片,共40个引脚,里面包含了逻辑运算单元。实际上也就是一个cpu。

嵌入式开发比单片机开发难?

在最开始接触单片机的时候,还曾经有过一个疑问,为什么单片机是黑色的而不可以是别的颜色,后来才知道是单片机材料的限制。

对单片机而言,其实一个芯片就是全部,其他的比如单片机最小系统都是为了单片机的正常运作而加入其他元件,比如晶振,5v电源,电感电阻等。当然最小系统只能保证单片机正常运行,几乎实现不了基于单片机的任何应用。

为了使单片机实现应用,必须要加入其他外设。比如按键,led灯,led屏,蜂鸣器,各种sensor。这也就是市面上很多公司都在做的单片机开发板。

总结,单片机就是完成运算、逻辑控制、通信等功能的单一模块。也就是单片机真的姓“单”。DSP芯片也可以认为是一个单片机。当然它们性能很强大,但是功能依然很单一,总之就是处理数据、逻辑。

那么什么是嵌入式呢,一般说嵌入式都是指嵌入式系统,嵌入式系统是将应用程序、操作系统、和计算机硬件在一起的系统,是指以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,其针对的用户应用对功能、可靠性、成本、体积、功耗和使用环境有特殊要求的专用计算机系统。IEEE(Instituteof Electrical and ElectronicsEngineers,美国电气和电子工程师协会)对嵌入式系统的定义:“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。

嵌入式系统是一种专用的计算机系统,作为装置或设备的一部分。通常,嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上,所有带有数字接口的设备,如手表、微波炉、录像机、汽车等,都使用嵌入式系统,有些嵌入式系统还包含操作系统,但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑。这是因为嵌入式系统一般用于工业控制,也就是说对外设的控制都是写死的,并不需要人工干预,同时也为了保证系统的稳定和可靠。

我们经常可以听到公司招聘的要求是嵌入式软件工程师或者嵌入式硬件工程师,也就是说嵌入式系统包括软件和硬件,其实仔细想想也能明白,都已经跑系统了,当然有软件也有bsp硬件啦。也就是说嵌入式系统是软硬件结合体,国内普遍认同的嵌入式系统定义为:以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。

接下来将嵌入式分成硬件和软件详细说明。

硬件层:
硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器(SDRAM、ROM、Flash等)、通用设备接口和I/O接口(A/D、D/A、I/O等)。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路,就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。

其中核心就是微处理器,嵌入式处理器和一般的电脑cpu还有区别,嵌入式微处理器大多工作在特定设计的系统中,比如TI或者Atmel公司都有很多定位不同的处理器,Atmel的SAM系列是专门为物联网设计的,AVR则由于性能十分突出,广泛应用于工业领域。

嵌入式微处理器有各种不同的体系,即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度,或集成了不同的外设和接口。据不完全统计,全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种,体系结构有30多个系列,其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但与全球PC市场不同的是,没有一种嵌入式微处理器可以主导市场,仅以32位的产品而言,就有100种以上的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。

比如arm公司有各种各样的处理器架构,最经典的cortex系列,它属于ARMv7架构,这是到2010年为止ARM公司最新的指令集架构。ARMv7架构定义了三大分工明确的系列:“A”系列面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用;“R”系列针对实时系统;“M”系列对微控制器。下图就是cortex系列的不同定位。

在嵌入式领域,可以说arm架构的处理器占据了半壁江山,而arm公司也成为著名的科技公司,而它却没有生产任何处理器,而只是提供了IP,可以看出一流公司做标准。而其他用的比较多的架构就是sparc、powerpc等。

嵌入式开发比单片机开发难?

嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口,如A/D、D/A、I/O等,外设通过和片外其他设备的或传感器的连接来实现微处理器的输入/输出功能。每个外设通常都只有单一的功能,它可以在芯片外也可以内置芯片中。外设的种类很多,可从一个简单的串行通信设备到非常复杂的802.11无线设备。

嵌入式系统中常用的通用设备接口有A/D(模/数转换接口)、D/A(数/模转换接口),I/O接口有RS-232接口(串行通信接口)、Ethernet(以太网接口)、USB(通用串行总线接口)、音频接口、VGA视频输出接口、I2C(现场总线)、SPI(串行外围设备接口)和IrDA(红外线接口)等。这一点其实和单片机类似。

软件层:
也就是操作系统了,包括内核和文件系统,还有就是更为顶层的应用程序,嵌入式操作系统一般都是Linux或者其他类Unix,还有一些实时操作系统(RTOS)比如VxWorks、RTEMS、ucOS等。

其中Linux还包括不同的distribution,比如Ubuntu、Redhat、Debian、centos等,他们都是采用Linux的内核,不同的是上面的software和tools,当然不用太过于担心标准问题,这些Linux发行版选择的软件几乎都是比较通用的,比如网页服务器的Apache、电子邮件服务器的postfix、sendmail、文件服务器的Samba等。此外还有Linuxstandard base等标准来规范开发者。

类Unix主要是FreeBSD以及Solaris等。

嵌入式领域最常用的还是一些实时操作系统,实时操作系统的核心就是实时性,本质就是任务处理所华为时间的可预测性,即任务需要在规定内时限内完成。IEEE对实时系统的定义是“那些正确性不仅取决于计算的逻辑结果也取决于产生结果所花费时间的系统”。实时操作系统有硬实时和软实时之分,硬实时要求在规定的时间内必须完成操作,这是在操作系统设计时保证的;软实时则只要按照任务的优先级,尽可能快地完成操作即可。我们通常使用的操作系统在经过一定改变之后就可以变成实时操作系统。

那么实时操作系统和Linux这种分时操作系统的区别列举如下:
(1)多路性。实时信息处理系统与分时系统一样具有多路性。系统按分时原则为多个终端用户服务;而对实时控制系统,其多路性则主要表现在经常对多路的现场信息进行采集以及对多个对象或多个执行机构进行控制。

(2)独立性。实时信息处理系统与分时系统一样具有独立性。每个终端用户在向分时系统提出服务请求时,是彼此独立的操作,互不干扰;而在实时控制系统中信息的采集和对对象的控制,也彼此互不干扰。

(3)及时性。实时信息系统对实时性的要求与分时系统类似,都是以人所能接受的等待时间来确定;而实时控制系统的及时性,则是以控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时间来确定的,一般为秒级、百毫秒级直至毫秒级,甚至有的要低于100微秒。

(4)交互性。实时信息处理系统具有交互性,但这里人与系统的交互,仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。它不像分时系统那样能向终端用户提供数据处理服务、资源共享等服务。

(5)可靠性。分时系统要求系统可靠,相比之下,实时系统则要求系统高度可靠。因为任何差错都可能带来巨大的经济损失甚至无法预料的灾难性后果。因此,在实时系统中,采取了多级容错措施来保证系统的安全及数据的安全。

由于更加可靠和及时。嵌入式实时操作系统更加广泛应用于工业控制、航空航天、军工等领域,比如美国航天局NASA近几年发射的火星探测器等都是采用的RTEMS实时操作系统。

中间层:
所谓的中间层就是软件层和硬件层之间的接口层,其实严格而言也属于软件层。一般开发者称之为BSP,这一层主要负责的是向下提供硬件的驱动,硬件的配置等操作,向上则向软件开发者提供标准API,进行中间层开发的开发者通常称为嵌入式驱动工程师。

从这里也可以看出来,嵌入式设计和软硬都分不开,既要掌握底层硬件的特性以及如何驱动其工作,也要了解操作系统的相关知识,才可以编写相应功能的应用。

因此看一个操作系统是否支持某个芯片或者某个开发板,只要看其源码中是否包含相应芯片或开发板的板级支持包。

以上就是本人对嵌入式系统系统的理解,接下来再来谈谈嵌入式系统应该跑在什么样的硬件上。

谈起嵌入式硬件或者开发板,我想很多人第一印象就是RaspberryPi,是一块只有信用卡大小的微型电脑,别看其外表“娇小”,内“心”却很强大,视频、音频等功能通通皆有,可谓是“麻雀虽小,五脏俱全”。树莓派推出后,很多厂商争相推出类似产品,比如香蕉派之类的。在这里用TI的Beagleboneblack板子进行说明,Beagleboneblack板如下图所示:

嵌入式开发比单片机开发难?

可以看出体积大小和树莓派类似,外设包括有USBhost和USBmini以及网卡接口,,背面还有一个sd卡槽和HDMI接口。接下来看看它的性能参数:

下表是BBB板和树莓派的性能参数比较:

嵌入式开发比单片机开发难?

Beagleboneblack的处理器是一块主频达到1GHZ的Ti处理器,基于arm的cortexa8架构,RAM是512M的DDR3,存储器大小为2GB,支持的操作系统包括Ubuntu、archLinux、Android等。外设有USBhost和一块百兆网卡。

BBB的处理器采用的是当前嵌入式系统中最流行的ARMv7指令集。采用当今广泛使用的指令集的处理器可以被更多的软件支持。例如,一些操作系统已经不支持在ARMv6指令集上运行,例如,Ubuntu在2012年4月放弃了对ARMv6指令集的支持。

ARMv7相对与ARMv6指令集的另一个优势在于,使用ARMv7的处理器的实际性能更加强劲。ARMv7相对与ARMv6的优势还有很多,比如一些显著的改进:实现了超标量架构、包含了SIMD操作指令、改进了分支预测算法从而极大的提高了某些性能。

最后总结:
以上就是一块基本的嵌入式核心板所具有的性能参数,和上面说到的单片机的性能参数相比较,单片机的处理能力较低,主频大多在几十M上下,和嵌入式动辄上百上千M的处理速度还是相差较多,此外单片机并不具有图形界面的处理能力,也就是GPU的缺乏导致单片机几乎不可能带动图形界面;单片机的存储空间和嵌入式处理器也不是一个等级的,单片机通常片内存储只有几k大小,而由于外设的限制也不太可能大范围增加外设emmc,而嵌入式处理器通常有几百兆的RAM,如此巨大的差别导致单片机几乎不可能像嵌入式处理器那样运行操作系统,甚至连TCP/IP协议栈和USB协议栈都跑不起来,一些高端的单片机比如ST公司的STM32系列,可能可以跑一些轻量级的系统os和嵌入式网络协议栈,比如IwIP协议栈。嵌入式处理器丰富强大的性能决定它能完成更多单片机不能完成的应用,比如网络通信功能,视频传输处理功能等,而当外设存储增加后,嵌入式处理器能够轻松运行各种Linux系统,以及图形GUI界面。

在开发方式上单片机和嵌入式也有较大差别,也就是编译过程的区别,单片机主要在Windows等图形界面下开发,目前有很多成熟的IDE工具比如keil、IAR、以及ti的CCS等,这些工具集编译、汇编、链接、仿真为一体,并且由于在Windows下开发,具有友好的用户界面,开发者只需编写c代码,然后点击编译链接按键即可,出现错误还可以debug或者仿真,上手还是非常快的。而嵌入式开发一般是在Linux下进行的,要将c代码在自己主机上编译完成,然后通过系统镜像或者uboot引导将编译好的文件烧入开发板,由于主机的处理器的x86架构,而编写的代码是为了运行在arm架构或sparc架构的处理器上,因此存在一个交叉编译链的安装,此外,Linux下没有Windows那样的IDE,也就是编译,链接源代码都需要开发者自己完成,一般都是利用GNUmake脚本编写Makefile以及configure文件来完成,Makefile文件中编写如何对c或者h文件编译,也就是编译规则以及依赖文件是什么。这些都需要开发者自己完成。并且以上过程都是在Linux下的终端也就是命令行中完成,这也给嵌入式开发增加了难度。

本文转自网络,版权归原作者。

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一、问题复现

稳定复现问题才能正确的对问题进行定位、解决以及验证。一般来说,越容易复现的问题越容易解决。

1.1 模拟复现条件

有的问题存在于特定的条件下,只需要模拟出现问题的条件即可复现。对于依赖外部输入的条件,如果条件比较复杂难以模拟可以考虑程序里预设直接进入对应状态。

1.2 提高相关任务执行频率

例如某个任务长时间运行才出现异常则可以提高该任务的执行频率。

1.3 增大测试样本量

程序长时间运行后出现异常,问题难以复现,可以搭建测试环境多套设备同时进行测试。

二、问题定位

缩小排查范围,确认引入问题的任务、函数、语句。

2.1 打印LOG

根据问题的现象,在抱有疑问的代码处增加LOG输出,以此来追踪程序执行流程以及关键变量的值,观察是否与预期相符。

2.2 在线调试

在线调试可以起到和打印LOG类似的作用,另外此方法特别适合排查程序崩溃类的BUG,当程序陷入异常中断(HardFault,看门狗中断等)的时候可以直接STOP查看call stack以及内核寄存器的值,快速定位问题点。

2.3 版本回退

使用版本管理工具时可以通过不断回退版本并测试验证来定位首次引入该问题的版本,之后可以围绕该版本增改的代码进行排查。

2.4 二分注释

“二分注释”即以类似二分查找法的方式注释掉部分代码,以此判断问题是否由注释掉的这部分代码引起。具体方法为将与问题不相干的部分代码注释掉一半,看问题是否解决,未解决则注释另一半,如果解决则继续将注释范围缩小一半,以此类推逐渐缩小问题的范围。

2.5 保存内核寄存器快照

Cortex M内核陷入异常中断时会将几个内核寄存器的值压入栈中,如下图:

嵌入式开发常见问题解决方法

我们可以在陷入异常中断时将栈上的内核寄存器值写入RAM的一段复位后保留默认值的区域内,执行复位操作后再从RAM将该信息读出并分析,通过PC、LR确认当时执行的函数,通过R0-R3分析当时处理的变量是否异常,通过SP分析是否可能出现栈溢出等。

三、问题分析处理

结合问题现象以及定位的问题代码位置分析造成问题的原因。

3.1 程序继续运行

3.1.1 数值异常

软件问题:

• 数组越界
写数组时下标超出数组长度,导致对应地址内容被修改。如下:

嵌入式开发常见问题解决方法

此类问题通常需要结合map文件进行分析,通过map文件观察被篡改变量地址附近的数组,查看对该数组的写入操作是否存在如上图所示不安全的代码,将其修改为安全的代码。

• 栈溢出

嵌入式开发常见问题解决方法

如上图,此类问题也需要结合map文件进行分析。假设栈从高地址往低地址增长,如果发生栈溢出,则g_val的值会被栈上的值覆盖。出现栈溢出时要分析栈的最大使用情况,函数调用层数过多,中断服务函数内进行函数调用,函数内部申明了较大的临时变量等都有可能导致栈溢出。

解决此类问题有以下方法:

1、在设计阶段应该合理分配内存资源,为栈设置合适的大小;

2、将函数内较大的临时变量加”static”关键字转化为静态变量,或者使用malloc()动态分配,将其放到堆上;

3、改变函数调用方式,降低调用层数。

• 判断语句条件写错

嵌入式开发常见问题解决方法

判断语句的条件容易把相等运算符“==”写成赋值运算符“=”导致被判断的变量值被更改,该类错误编译期不会报错且总是返回真。建议将要判断的变量写到运算符的右边,这样错写为赋值运算符时会在编译期报错。还可以使用一些静态代码检查工具来发现此类问题。

• 同步问题
例如操作队列时,出队操作执行的过程中发生中断(任务切换),并且在中断(切换后的任务)中执行入队操作则可能破坏队列结构,对于这类情况应该操作时关中断(使用互斥锁同步)。

• 优化问题

嵌入式开发常见问题解决方法

如上图程序,本意是等待irq中断之后不再执行foo()函数,但被编译器优化之后,实际运行过程中flg可能被装入寄存器并且每次都判断寄存器内的值而不重新从ram里读取flg的值,导致即使irq中断发生foo()也一直运行,此处需要在flg的申明前加“volatile”关键字,强制每次都从ram里获取flg的值。

硬件问题:

• 芯片BUG

芯片本身存在BUG,在某些特定情况下给单片机返回一个错误的值,需要程序对读回的值进行判断,过滤异常值。

• 通信时序错误

嵌入式开发常见问题解决方法

例如电源管理芯片Isl78600,假设现在两片级联,当同时读取两片的电压采样数据时,高端芯片会以固定周期通过菊花链将数据传送到低端芯片,而低端芯片上只有一个缓存区,如果单片机不在规定时间内将低端芯片上的数据读走那么新的数据到来时将会覆盖当前数据,导致数据丢失。此类问题需要仔细分析芯片的数据手册,严格满足芯片通信的时序要求。

3.1.2 动作异常

软件问题:

• 设计问题

设计中存在错误或者疏漏,需要重新评审设计文档。

• 实现与设计不符

代码的实现与设计文档不相符需要增加单元测试覆盖所有条件分支,进行代码交叉review。

• 状态变量异常

例如记录状态机当前状态的变量被篡改,分析该类问题的方法同前文数值异常部分。

硬件问题:

• 硬件失效

目标IC失效,接收控制指令后不动作,需要排查硬件。

• 通信异常

与目标IC通信错误,无法正确执行控制命令,需要使用示波器或逻辑分析仪去观察通信时序,分析是否发出的信号不对或者受到外部干扰。

3.2 程序崩溃

3.2.1 停止运行

软件问题:

• HardFault

以下情况会造成HardFault:

1、 在外设时钟门未使能的情况下操作该外设的寄存器;

2、 跳转函数地址越界,通常发生在函数指针被篡改,排查方法同数值异常;

3、 解引用指针时出现对齐问题:

以小端序为例,如果我们声明了一个强制对齐的结构体如下:

嵌入式开发常见问题解决方法

嵌入式开发常见问题解决方法

此时a.val1的地址为0x00000001,如果以uint16_t类型去解引用此地址则会因为对齐问题进入HardFault,如果一定要用指针方式操作该变量则应当使用memcpy()。

• 中断服务函数中未清除中断标志

中断服务函数退出前不正确清除中断标志,当程序执行从中断服务函数内退出后又会立刻进入中断服务函数,表现出程序的“假死”现象。

• NMI中断

调试时曾遇到SPI的MISO引脚复用NMI功能,当通过SPI连接的外设损坏时MISO被拉高,导致单片机复位后在把NMI引脚配置成SPI功能之前就直接进入NMI中断,程序挂死在NMI中断中。这种情况可以在NMI的中断服务函数内禁用NMI功能来使其退出NMI中断。

硬件问题:

• 晶振未起振
• 供电电压不足
• 复位引脚拉低

3.2 .2 复位

软件问题:

• 看门狗复位
除了喂狗超时导致的复位以外,还要注意看门狗配置的特殊要求,以Freescale KEA单片机为例,该单片机看门狗在配置时需要执行解锁序列(向其寄存器连续写入两个不同的值),该解锁序列必须在16个总线时钟内完成,超时则会引起看门狗复位。此类问题只能熟读单片机数据手册,注意类似的细节问题。

硬件问题:

• 供电电压不稳
• 电源带载能力不足

四、回归测试

问题解决后需要进行回归测试,一方面确认问题是否不再复现,另一方面要确认修改不会引入其他问题。

五、经验总结

总结本次问题产生的原因及解决问题的方法,思考类似问题今后如何防范,对相同平台产品是否值得借鉴,做到举一反三,从失败中吸取经验。

转自: jozo_chen

围观 372

作为典型的嵌入式开发,物联网应用的开发与互联网应用从硬件配置到运行环境有巨大的不同。本文介绍了当前物联网开发者面临的挑战,并分析IoT时代完整的开发平台至少需要具备的特征。

1969年10月29日晚上10点30分,雷纳德•克兰罗克(Leonard Kleinrock)在洛杉矶向在斯坦福的比尔·杜瓦利的计算机发送了两个字符“Lo”,它们是单词“Login”的一部分,只发送了“Lo”,传输系统就崩溃了。这是一个伟大的事件,标志着世界上第一次计算机网络互连的开始,也标志计算机编程由单机向网络发展。

物联网(IoT)是个新名词,顾名思义,就是把物体用网络连接在一起。却是一个新瓶装旧酒的新名词,它不是一个新事物。看官你说,当年克兰罗克和比尔.杜瓦利手中的互相连接的两台计算机,算不算物联网设备,他们的确是用通信介质连接在一起的“物体”啊,谁说计算机不算物体的?

今天的物联网通信,与40多年前传输的两个字节,并没有本质的不同,说来也就是通信速度、通信成本、设备体积和功耗方面,逐步进化而已。然而,量变引起质变,上世纪末计算机网络通信的发展,引发了互联网革命,现在,随着通信成本的降低,功耗的减小、无线通信的普及,又引发了物联网革命。

互联网时代,承载网络应用的是通用计算机或者个人终端数字助理,例如手机、iPad等。通信主要关注的是数据流量,也就是带宽,应用主要关注的是界面的友好性、丰富性、个性化。同时,CPU功能比较强大,内存配置等也比较丰富,并不强调实时性,也不特别强调可靠性,开发平台也很一致,功能丰富。

物联网应用开发的挑战

物联网应用,与互联网应用有着巨大的不同,物联网应用开发是典型的嵌入式开发,从硬件配置到运行环境等等,都千差万别。

谈到开发平台,很多人第一反应就是编程语言,从汇编、C、C++、Pascal、VB、VC等编译型语言,到Java、JS、Python、Lua等脚本语言,说得上名字的、说不上名字的,可以罗列出成百上千种,著名的TIOBE,每年都要为各种编程语言排座次。其实要谈物联网开发平台的发展,还得从早期嵌入式系统说起。曾几何时,嵌入式MCU很多只有几十字节的内存,几百自己就算多的了,那时候,汇编语言是嵌入式编程不二的选择。那时候,也没有编程平台的说法的,也没有Shell之类的调试工具,更没有标准IO系统,总之,程序员就像在一堆沙土上盖房子,没有地基,也没有房梁,更没有混凝土,就是用泥浆砖头石块慢慢糊。及后来,出现了单片机前后台C语言(俗称裸机C)开发工具,典型的是keil,同时,也出现了RTOS,例如vrtx、pSOS、VxWorks等,但裸机C语言开发长期占主导地位。早期的C语言开发平台,从平台角度,其实没比汇编年代进步多少,同样的没有Shell、没有标准IO系统,没有异常处理系统,除了编码语言外,差不了太多。虽然代码的可移植性比汇编强,但仍然是跟硬件平台紧耦合的,它要求软件工程师了解硬件的每一个细节,了解CPU每一个寄存器的含义,硬件平台稍有变动,软件就懵逼了。

在裸C时代,首先出手改进开发平台的是MCU厂商,ST、ATMEL、Freescale、NXP等知名MCU厂家,都推出了越来越完善的固件,使用这些固件,尽可能地抹平不同型号CPU之间的差异,使用户的应用程序更加通用。同时,他们还推出了越来越完善的IDE,利用他们的IDE,可以自动化地生成一部分跟CPU相关的代码,减轻了工程师的工作。但是,所有这些工作,都仅限于同一厂家的不同型号MCU之间,甚至只在同一厂家的同一系列MCU之间,才能体现出其价值。为什么MCU厂家要做这些工作呢?因为他们要卖东西,他们的客户,大多数还使用裸机C开发,而不像系统级CPU那样有完善的开发平台支持。他们的客户,迫切需要一个开发平台,来规避晦涩难懂的硬件驱动开发,使应用和驱动相分离。一个非常典型的现象是freescale,它主要为MCU产品线提供驱动固件,而对于PPC产品线,原厂提供的驱动就是垃圾,谁用谁知道。

在物联网时代,也许某一天,牧场跑的每一只羊,农场里的每一株黄瓜,我们喝水的杯子,都是IoT的一个节点,里面都有一颗MCU,都有一套嵌入式程序,如此爆炸性发展的网络规模,使我们面临什么挑战呢?

首先我们面临的是人的问题,海量增加的物联网软件工程师队伍,你再象过去要求嵌入式工程师那样,要求他们掌握大量MCU底层技能,根本不现实,他们需要的是一个开发平台,类似PC上编程的开发平台。而裸机C语言编程,则无论如何也摆脱不了“要求程序员掌握MCU底层编程”这一现实。因此,在物联网时代,RTOS成了必须品,裸机C语言平台,必然会被RTOS环境所替代。这并不是说,物联网时代的嵌入式产品有多复杂,非RTOS不可,可是,再过几年,裸机C编程,会像现在的汇编编程那样,成为“高端技能”。现在,许多嵌入式学科的大学生,在校时就已经基本掌握了RTOS下编程技能,裸机C反倒不懂了。结果是,5年后,你将越来越难于找到能够驾驭裸机C编程的人,即使找到了,其人力成本也必然居高不下,年龄大概也会在30岁以上,你能找一个只有1~2年经验的毕业生干的事情,为什么要花更高的薪水,请“老”工程师干呢。同时,虽然摩尔定律在高性能CPU上已经失效(这个有争议),但在MCU领域,还是符合得很好,硬件的发展,使RTOS带来的额外开销,在成本上显得微不足道。

由于IoT产品必然涉及到网络编程,也就注定了不能使用太低端的处理器配置,硬件成本持续下降,运行RTOS所需要的额外硬件成本,占总成本的比例,直接可以无视之。人力成本持续上升,RTOS甚至更高级的开发平台,将会占领IoT开发领域。

一定会有人问,裸机C不是比RTOS更简单么?我问你,如果只是点个灯,用C简单还是用汇编简单?你也许会毫不犹豫地回答,用C简单。为什么呢?因为开发工具已经完成了大量的工作,有厂家的固件,完成GPIO的驱动,IDE自动生成的代码,完成了main函数之前的大量环境初始化工作。所以,你只需要3分钟,在main函数里放一个循环改变GPIO状态的代码,一个C语言的闪灯程序就完成了。事实上,如果从0开始做,汇编完成闪灯,不知比C简单多少倍。

裸机C取代汇编语言的过程,正在裸机C和RTOS编程之间重演着,不信么?我出个“简单”的题,写一个“hello world”的嵌入式程序看看。

很快,你写出来了,UartSend(“Hello World”);

别急,我的题还没出完呢,我需要输出“你好,欢迎你第xxx次光临”。

这就难一些了,聪明的,就写一个MyPrintf吧,谁知道这道题还有什么变化呢(注意这里,你不能用printf作为函数名的,下面有解释)。

花了一个星期时间,把MyPrintf弄出来了,效率够高吧?
好吧,你牛,I 服了 You,现在请你把输出重定位到板载的LCD上。
什么,玩我啊,这涉及到IO重定向呢,爷不干了。
光重定向一个输出就不干了,还没有要你把输入重定向一下呢,板子上不是有按键嘛!

IO重定向,是C语言的基本要求,然而,在裸机C环境下,这个基本要求,却让一个裸机C高手望而生畏。

IO服务,只是一个基本需求,它只是C Runtime的一部分,而C Runtime,是IoT开发所需要的进阶工具的基础,恰恰是,裸机C都是很难实现完整的、通用的、可移植的C Runtime。

先爆点料,绝大多数嵌入式RTOS,都没有fopen、fwrite、fread、printf函数,有部分RTOS会有xxx_fopen、xxx_fwrite、xxx_fread、xxx_printf之类的API,即使是一些老牌的商业RTOS也是如此,这里我就不点名了。

没有IO体系的RTOS也就罢了,那些有IO体系的RTOS,为啥要在API前加个xxx呢?你知道加上那个xxx,会给用户添加多少麻烦吗?IoT时代,许多嵌入式软件工程师,原来可能是Windows或者Linux下编程的,他们熟悉c标准函数;嵌入式设备网络化、应用程序通用化的倾向,许多IoT开发会涉及到开源软件或者第三方库,这些开源软件或者库,许多是遵循C语言标准写的,也就是说,里面很可能会大量调用fopen之类的C标准函数。你要用这些开源软件或者第三方库,就必须修改它的源码,把调用C标准IO函数的地方,全部改掉。改就改呗,改了不就行了嘛,有什么大不了的。好吧,如果是二进制的库呢,怎么改?即使是开源软件,维护方升级了,修正了bug,你是不是要再改一次?既然这么多坏处,为啥还要加哪个“xxx”前缀呢?问题就出在标准C库上,因为编译器所带的C库,实现了那些函数,OS如果要自己实现这些函数,就必须先实现C库,而C库,而许多RTOS,并没有实现自己的C库,而是借用编译器提供的C库,自然就不能使用跟C库重名的函数了。

IoT时代的嵌入式开发平台

从完整开发平台的角度,看看几十年来涌现的数以百千计的RTOS,能不能算合格的IoT开发平台呢?答案恐怕是否定的,即使有些非常知名的RTOS,也是如此,有许多RTOS,充其量是一个调度器。有意思的是,从开发平台完整性来看,目前流传的绝大多数嵌入式操作系统,甚至比不上Industrial Programming Inc(IPI)公司在上世纪70年代的MTOS。

那么,IoT时代完整的C开发平台,至少需要具备哪些特征呢?

只有调度器内核是不够的,按今天的标准,它甚至不能称作RTOS,这种系统,权且叫它“裸核”吧,并不比裸机C开发高明多少。用户使用操作系统,目的是为了省事,并没有在操作系统下能干成而裸机C干不成的事情。然而在“裸核”下开发,没有标准驱动框架,没有Shell,没有IO系统,没有C Runtime支持,真的没省多少事。

在“裸核”的基础上,起码,要提供C Runtime,提供C库,使之成为完整的C开发平台,让标准的c程序能编译运行。所谓的标准C程序,不仅仅指符合C语法的程序,C库函数也是标准的一部分,调用标准C库的程序都不能运行,不能算完整的C支持平台吧。要支持完整的C Runtime,你就必须有文件系统,有IO驱动架构,有协议栈等。有了C Runtime,才能支持C++,才能实现Python、Lua、JavaScript等更高级的开发语言,实现IoT设备的快速开发。

即使有了完整的C支持平台,在IoT时代,还是不够的。我要访问一个云服务器,还要自己写Socket通信,从最底层的http编解码开始;我要在设备间交换点数据,或者配置一下设备功能,起码JSON之类的解析器要提供吧。还有,诸如WiFi、蓝牙、ZigBee等,是IoT中最常用的无线协议,也是必须支持的。进一步地,较为复杂的设备,还需要有图形系统支持,一个完善的GUI也是非常受欢迎的了。

总之,IoT时代,需要的是能快速开发IoT设备的平台,而不仅仅是提供一个符合C语法规范的开发平台。

来源: CSDN大数据

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