什么是嵌入式？搞嵌入式是不是等于写代码？_技术

随着信息化技术的发展和数字化产品的普及，以计算机技术、芯片技术和软件技术为核心的嵌入式系统再度成为当前研究和应用的热点，通信、计算机、消费电子技术（3C）合一的趋势正在逐步形成，无所不在的网络和无所不在的计算（everything connecting, everywhere computing）正在将人类带入一个崭新的信息社会。一、嵌入式系统嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件是可裁剪的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统最典型的特点是与人们的日常生活紧密相关，任何一个普通人都可能拥有各类形形色色运用了嵌入式技术的电子产品，小到MP3、PDA等微型数字化设备，大到信息家电、智能电器、车载GIS，各种新型嵌入式设备在数量上已经远远超过了通用计算机。这也难怪美国著名未来学家尼葛洛庞帝在1999年1月访华时就预言，4~5年后嵌入式智能工具将成为继PC机和Internet之后计算机工业最伟大的发明。 1.1 历史与现状虽然嵌入式系统是近几年才开始真正风靡起来的，但事实上嵌入式这个概念却很早就已经存在了，从上个世纪70年代单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统少说也有了近30年的历史。纵观嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下四个阶段：无 *** 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d等武器装备中，一般没有 *** 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率、存储容量都有较高要求的信息家电等场合的需要。简单 *** 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" *** 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 *** 作系统开始出现并得到迅速发展。此时的嵌入式 *** 作系统虽然还比较简单，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。实时 *** 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 *** 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： *** 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。此时的嵌入式 *** 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。面向Internet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出了新的挑战。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 *** 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软硬件系统本身，同时还要提供强大的硬件开发工具和软件支持包。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等，嵌入式软件平台得到进一步完善。各类嵌入式Linux *** 作系统迅速发展，由于具有源代码开放、系统内核小、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、Palm OS等嵌入式 *** 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。 1.2 体系结构根据国际电气和电子工程师协会（IEEE）的定义，嵌入式系统是"控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置"（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。一般而言，整个嵌入式系统的体系结构可以分成四个部分：嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式 *** 作系统和嵌入式应用软件，如图1所示。图1 嵌入式系统的组成嵌入式处理器嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式处理器与通用处理器最大的不同点在于，嵌入式CPU大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中，它将通用CPU中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。嵌入式处理器的体系结构经历了从CISC（复杂指令集）至RISC（精简指令集）和Compact RISC的转变，位数则由4位、8位、16位、32位逐步发展到64位。目前常用的嵌入式处理器可分为低端的嵌入式微控制器（Micro Controller Unit，MCU）、中高端的嵌入式微处理器（Embedded Micro Processor Unit，EMPU）、用于计算机通信领域的嵌入式DSP处理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）和高度集成的嵌入式片上系统（System On Chip，SOC）。目前几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，并且越来越多的公司开始拥有自主的处理器设计部门，据不完全统计，全世界嵌入式处理器已经超过1000多种，流行的体系结构有30多个系列，其中以ARM、PowerPC、MC 68000、MIPS等使用得最为广泛。嵌入式外围设备在嵌入系统硬件系统中，除了中心控制部件（MCU、DSP、EMPU、SOC）以外，用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件，事实上都可以算作嵌入式外围设备。目前常用的嵌入式外围设备按功能可以分为存储设备、通信设备和显示设备三类。存储设备主要用于各类数据的存储，常用的有静态易失型存储器（RAM、SRAM）、动态存储器（DRAM）和非易失型存储器（ROM、EPROM、EEPROM、FLASH）三种，其中FLASH凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。目前存在的绝大多数通信设备都可以直接在嵌入式系统中应用，包括RS-232接口（串行通信接口）、SPI（串行外围设备接口）、IrDA（红外线接口）、I2C（现场总线）、USB（通用串行总线接口）、Ethernet（以太网接口）等。由于嵌入式应用场合的特殊性，通常使用的是阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）和触摸板（Touch Panel）等外围显示设备。嵌入式 *** 作系统为了使嵌入式系统的开发更加方便和快捷，需要有专门负责管理存储器分配、中断处理、任务调度等功能的软件模块，这就是嵌入式 *** 作系统。嵌入式 *** 作系统是用来支持嵌入式应用的系统软件，是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动程序、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形用户界面（GUI）等。嵌入式 *** 作系统具有通用 *** 作系统的基本特点，如能够有效管理复杂的系统资源，能够对硬件进行抽象，能够提供库函数、驱动程序、开发工具集等。但与通用 *** 作系统相比较，嵌入式 *** 作系统在系统实时性、硬件依赖性、软件固化性以及应用专用性等方面，具有更加鲜明的特点。嵌入式 *** 作系统根据应用场合可以分为两大类：一类是面向消费电子产品的非实时系统，这类设备包括个人数字助理（PDA）、移动电话、机顶盒（STB）等；另一类则是面向控制、通信、医疗等领域的实时 *** 作系统，如WindRiver公司的VxWorks、QNX系统软件公司的QNX等。实时系统（Real Time System）是一种能够在指定或者确定时间内完成系统功能，并且对外部和内部事件在同步或者异步时间内能做出及时响应的系统。在实时系统中， *** 作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且与这些 *** 作进行的时间有关，也就是说，实时系统对逻辑和时序的要求非常严格，如果逻辑和时序控制出现偏差将会产生严重后果。实时系统主要通过三个性能指标来衡量系统的实时性，即响应时间（Response Time）、生存时间（Survival Time）和吞吐量（Throughput）：响应时间是实时系统从识别出一个外部事件到做出响应的时间；生存时间是数据的有效等待时间，数据只有在这段时间内才是有效的；吞吐量是在给定的时间内系统能够处理的事件总数，吞吐量通常比平均响应时间的倒数要小一点。实时系统根据响应时间可以分为弱实时系统、一般实时系统和强实时系统三种。弱实时系统在设计时的宗旨是使各个任务运行得越快越好，但没有严格限定某一任务必须在多长时间内完成，弱实时系统更多关注的是程序运行结果的正确与否，以及系统安全性能等其他方面，对任务执行时间的要求相对来讲较为宽松，一般响应时间可以是数十秒或者更长。一般实时系统是弱实时系统和强实时系统的一种折衷，它的响应时间可以在秒的数量级上，广泛应用于消费电子设备中。强实时系统则要求各个任务不仅要保证执行过程和结果的正确性，同时还要保证在限定的时间内完成任务，响应时间通常要求在毫秒甚至微秒的数量级上，这对涉及到医疗、安全、军事的软硬件系统来说是至关重要的。时限（deadline）是实时系统中的一个重要概念，指的是对任务截止时间的要求，根据时限对系统性能的影响程度，实时系统又可以分为软实时系统（soft real-time-system）和硬实时系统（hard real-time-system）。软实时指的是虽然对系统响应时间有所限定，但如果系统响应时间不能满足要求，并不会导致系统产生致命的错误或者崩溃；硬实时则指的是对系统响应时间有严格的限定，如果系统响应时间不能满足要求，就会引起系统产生致命的错误或者崩溃。如果一个任务在时限到达之时尚未完成，对软实时系统来说还是可以容忍的，最多只会降低系统性能，但对硬实时系统来说则是无法接受的，因为这样带来的后果根本无法预测，甚至可能是灾难性的。在目前实际运用的实时系统中，通常允许软硬两种实时性同时存在，其中一些事件没有时限要求，另外一些事件的时限要求是软实时的，而对系统产生关键影响的那些事件的时限要求则是硬实时的。嵌入式应用软件嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到用户预期目标的计算机软件，由于用户任务可能有时间和精度上的要求，因此有些嵌入式应用软件需要特定嵌入式 *** 作系统的支持。嵌入式应用软件和普通应用软件有一定的区别，它不仅要求其准确性、安全性和稳定性等方面能够满足实际应用的需要，而且还要尽可能地进行优化，以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。 1.3 关键问题嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与特定行业的具体应用相结合的产物，因此必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统，嵌入式系统的开发充满了竞争、机遇与创新，需要解决好如下一些关键问题：内核精巧嵌入式系统的应用领域一般都是小型电子装置，系统资源相对有限，因此对内核的要求相当高，较之传统的 *** 作系统来讲要小得多，例如ENEA公司推出的OSE分布式嵌入式系统，整个内核只有5KB。面向应用嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。嵌入式系统中的CPU大多工作在为特定用户群定制的环境中，具有低耗、体积小、集成度高等特点，在进行软硬件设计时必须突出效率、去除冗余，针对用户的具体需求对系统进行合理的配置，方能达到理想的性能。系统精简嵌入式系统中的系统软件和应用软件通常没有明显的区别，不要求其功能及实现上过于复杂，这样一方面有利于控制系统成本，另一方面也有利于保证系统安全。性能优化嵌入式系统通常都要求有一定的实时性保障，为了提高执行速度和系统性能，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储芯片或者处理器的内部存储器件当中，而不是存贮在磁盘等外部载体中。由于嵌入式系统的运算速度和存储容量存在一定程度上的限制，而且大部分系统都必须有较高的实时性保证，因此对软件质量（特别是可靠性方面）有着较高的要求。专业开发嵌入式系统本身并不具备自主开发能力，用户不能直接在其上进行二次开发。当系统完成之后，用户如果需要修改其中某个程序的功能，必须借助一套完整的开发工具和环境。嵌入式系统中专用的开发工具和环境通常是基于通用计算机上的软硬件设备，以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。回页首二、嵌入式Linux Linux从1991年问世到现在，短短的十几年时间已经发展成为功能强大、设计完善的 *** 作系统之一，不仅可以与各种传统的商业 *** 作系统分庭抗争，在新兴的嵌入式 *** 作系统领域内也获得了飞速发展。嵌入式Linux（Embedded Linux）是指对标准Linux经过小型化裁剪处理之后，能够固化在容量只有几K或者几M字节的存储器芯片或者单片机中，适合于特定嵌入式应用场合的专用Linux *** 作系统。 2.1 优势嵌入式Linux的开发和研究是 *** 作系统领域中的一个热点，目前已经开发成功的嵌入式系统中，大约有一半使用的是Linux。Linux之所以能在嵌入式系统市场上取得如此辉煌的成果，与其自身的优良特性是分不开的。广泛的硬件支持 Linux能够支持x86、ARM、MIPS、ALPHA、PowerPC等多种体系结构，目前已经成功移植到数十种硬件平台，几乎能够运行在所有流行的CPU上。Linux有着异常丰富的驱动程序资源，支持各种主流硬件设备和最新硬件技术，甚至可以在没有存储管理单元（MMU）的处理器上运行，这些都进一步促进了Linux在嵌入式系统中的应用。内核高效稳定 Linux内核的高效和稳定已经在各个领域内得到了大量事实的验证，Linux的内核设计非常精巧，分成进程调度、内存管理、进程间通信、虚拟文件系统和网络接口五大部分，其独特的模块机制可以根据用户的需要，实时地将某些模块插入到内核或从内核中移走。这些特性使得Linux系统内核可以裁剪得非常小巧，很适合于嵌入式系统的需要。开放源码，软件丰富 Linux是开放源代码的自由 *** 作系统，它为用户提供了最大限度的自由度，由于嵌入式系统千差万别，往往需要针对具体的应用进行修改和优化，因而获得源代码就变得至关重要了。Linux的软件资源十分丰富，每一种通用程序在Linux上几乎都可以找到，并且数量还在不断增加。在Linux上开发嵌入式应用软件一般不用从头做起，而是可以选择一个类似的自由软件做为原型，在其上进行二次开发。优秀的开发工具开发嵌入式系统的关键是需要有一套完善的开发和调试工具。传统的嵌入式开发调试工具是在线仿真器（In-Circuit Emulator，ICE），它通过取代目标板的微处理器，给目标程序提供一个完整的仿真环境，从而使开发者能够非常清楚地了解到程序在目标板上的工作状态，便于监视和调试程序。在线仿真器的价格非常昂贵，而且只适合做非常底层的调试，如果使用的是嵌入式Linux，一旦软硬件能够支持正常的串口功能时，即使不用在线仿真器也可以很好地进行开发和调试工作，从而节省了一笔不小的开发费用。嵌入式Linux为开发者提供了一套完整的工具链（Tool Chain），它利用GNU的gcc做编译器，用gdb、kgdb、xgdb做调试工具，能够很方便地实现从 *** 作系统到应用软件各个级别的调试。完善的网络通信和文件管理机制 Linux至诞生之日起就与Internet密不可分，支持所有标准的Internet网络协议，并且很容易移植到嵌入式系统当中。此外，Linux还支持ext2、fat16、fat32、romfs等文件系统，这些都为开发嵌入式系统应用打下了很好的基础。 2.2 挑战目前，嵌入式Linux系统的研发热潮正在蓬勃兴起，并且占据了很大的市场份额，除了一些传统的Linux公司（如RedHat、MontaVista等）正在从事嵌入式Linux的开发和应用之外，IBM、Intel、Motorola等著名企业也开始进行嵌入式Linux的研究。虽然前景一片灿烂，但就目前而言，嵌入式Linux的研究成果与市场的真正要求仍有一段差距，要开发出真正成熟的嵌入式Linux系统，还需要从以下几个方面做出努力。提高系统实时性 Linux虽然已经被成功地应用到了PDA、移动电话、车载电视、机顶盒、网络微波炉等各种嵌入式设备上，但在医疗、航空、交通、工业控制等对实时性要求非常严格的场合中还无法直接应用，原因在于现有的Linux是一个通用的 *** 作系统，虽然它也采用了许多技术来加快系统的运行和响应速度，并且符合POSIX 1003.1b标准，但从本质上来说并不是一个嵌入式实时 *** 作系统。Linux的内核调度策略基本上是沿用UNIX系统的，将它直接应用于嵌入式实时环境会有许多缺陷，如在运行内核线程时中断被关闭，分时调度策略存在时间上的不确定性，以及缺乏高精度的计时器等等。正因如此，利用Linux作为底层 *** 作系统，在其上进行实时化改造，从而构建出一个具有实时处理能力的嵌入式系统，是现在日益流行的解决方案。改善内核结构 Linux内核采用的是整体式结构（Monolithic），整个内核是一个单独的、非常大的程序，这样虽然能够使系统的各个部分直接沟通，有效地缩短任务之间的切换时间，提高系统响应速度，但与嵌入式系统存储容量小、资源有限的特点不相符合。嵌入式系统经常采用的是另一种称为微内核（Microkernel）的体系结构，即内核本身只提供一些最基本的 *** 作系统功能，如任务调度、内存管理、中断处理等，而类似于文件系统和网络协议等附加功能则运行在用户空间中，并且可以根据实际需要进行取舍。Microkernel的执行效率虽然比不上Monolithic，但却大大减小了内核的体积，便于维护和移植，更能满足嵌入式系统的要求。可以考虑将Linux内核部分改造成Microkernel，使Linux在具有很高性能的同时，又能满足嵌入式系统体积小的要求。完善集成开发平台引入嵌入式Linux系统集成开发平台，是嵌入式Linux进一步发展和应用的内在要求。传统上的嵌入式系统都是面向具体应用场合的，软件和硬件之间必须紧密配合，但随着嵌入式系统规模的不断扩大和应用领域的不断扩展，嵌入式 *** 作系统的出现就成了一种必然，因为只有这样才能促成嵌入式系统朝层次化和模块化的方向发展。很显然，嵌入式集成开发平台也是符合上述发展趋势的，一个优秀的嵌入式集成开发环境能够提供比较完备的仿真功能，可以实现嵌入式应用软件和嵌入式硬件的同步开发，从而摆脱了"嵌入式应用软件的开发依赖于嵌入式硬件的开发，并且以嵌入式硬件的开发为前提"的不利局面。一个完整的嵌入式集成开发平台通常包括编译器、连接器、调试器、跟踪器、优化器和集成用户界面，目前Linux在基于图形界面的特定系统定制平台的研究上，与Windows CE等商业嵌入式 *** 作系统相比还有很大差距，整体集成开发环境有待提高和完善。回页首三、关键技术嵌入式系统是一种根据特定用途所专门开发的系统，它只完成预期要完成的功能，因此其开发过程和开发环境同传统的软件开发相比有着显著的不同。 3.1 开发流程在嵌入式系统的应用开发中，整个系统的开发过程如图2所示：图2 嵌入式系统的开发流程嵌入式系统发展到今天，对应于各种微处理器的硬件平台一般都是通用的、固定的、成熟的，这就大大减少了由硬件系统引入错误的机会。此外，由于嵌入式 *** 作系统屏蔽了底层硬件的复杂性，使得开发者通过 *** 作系统提供的API函数就可以完成大部分工作，因此大大简化了开发过程，提高了系统的稳定性。嵌入式系统的开发者现在已经从反复进行硬件平台设计的过程中解脱出来，从而可以将主要精力放在满足特定的需求上。嵌入式系统通常是一个资源受限的系统，因此直接在嵌入式系统的硬件平台上编写软件比较困难，有时候甚至是不可能的。目前一般采用的解决办法是首先在通用计算机上编写程序，然后通过交叉编译生成目标平台上可以运行的二进制代码格式，最后再下载到目标平台上的特定位置上运行。需要交叉开发环境（Cross Development Environment）的支持是嵌入式应用软件开发时的一个显著特点，交叉开发环境是指编译、链接和调试嵌入式应用软件的环境，它与运行嵌入式应用软件的环境有所不同，通常采用宿主机／目标机模式，如图3所示。图3 交叉开发环境宿主机（Host）是一台通用计算机（如PC机或者工作站），它通过串口或者以太网接口与目标机通信。宿主机的软硬件资源比较丰富，不但包括功能强大的 *** 作系统（如Windows和Linux），而且还有各种各样优秀的开发工具（如WindRiver的Tornado、Microsoft的Embedded Visual C++等），能够大大提高嵌入式应用软件的开发速度和效率。目标机（Target）一般在嵌入式应用软件开发期间使用，用来区别与嵌入式系统通信的宿主机，它可以是嵌入式应用软件的实际运行环境，也可以是能够替代实际运行环境的仿真系统，但软硬件资源通常都比较有限。嵌入式系统的交叉开发环境一般包括交叉编译器、交叉调试器和系统仿真器，其中交叉编译器用于在宿主机上生成能在目标机上运行的代码，而交叉调试器和系统仿真器则用于在宿主机与目标机间完成嵌入式软件的调试。在采用宿主机／目标机模式开发嵌入式应用软件时，首先利用宿主机上丰富的资源和良好的开发环境开发和仿真调试目标机上的软件，然后通过串口或者以网络将交叉编译生成的目标代码传输并装载到目标机上，并在监控程序或者 *** 作系统的支持下利用交叉调试器进行分析和调试，最后目标机在特定环境下脱离宿主机单独运行。建立交叉开发环境是进行嵌入式软件开发的第一步，目前常用的交叉开发环境主要有开放和商业两种类型。开放的交叉开发环境的典型代表是GNU工具链、目前已经能够支持x86、ARM、MIPS、PowerPC等多种处理器。商业的交叉开发环境则主要有Metrowerks CodeWarrior、ARM Software Development Toolkit、SDS Cross compiler、WindRiver Tornado、Microsoft Embedded Visual C++等。 3.2 交叉编译和链接在完成嵌入式软件的编码之后，需要进行编译和链接以生成可执行代码，由于开发过程大多是在使用Intel公司x86系列CPU的通用计算机上进行的，而目标环境的处理器芯片却大多为ARM、MIPS、PowerPC、DragonBall等系列的微处理器，这就要求在建立好的交叉开发环境中进行交叉编译和链接。交叉编译器和交叉链接器是能够在宿主机上运行，并且能够生成在目标机上直接运行的二进制代码的编译器和链接器。例如在基于ARM体系结构的gcc交叉开发环境中，arm-linux-gcc是交叉编译器，arm-linux-ld是交叉链接器。通常情况下，并不是每一种体系结构的嵌入式微处理器都只对应于一种交叉编译器和交叉链接器，比如对于M68K体系结构的gcc交叉开发环境而言，就对应于多种不同的编译器和链接器。如果使用的是COFF格式的可执行文件，那么在编译Linux内核时需要使用m68k-coff-gcc和m68k-coff-ld，而在编译应用程序时则需要使用m68k-coff-pic-gcc和m68k-coff-pic-ld。嵌入式系统在链接过程中通常都要求使用较小的函数库，以便最后产生的可执行代码能够尽可能地小，因此实际运用时一般使用经过特殊处理的函数库。对于嵌入式Linux系统来讲，功能越来越强、体积越来越大的C语言函数库glibc和数学函数库libm已经很难满足实际的需要，因此需要采用它们的精化版本uClibc、uClibm和newlib等。目前嵌入式的集成开发环境都支持交叉编译和交叉链接，如WindRiver Tornado和GNU工具链等，编写好的嵌入式软件经过交叉编译和交叉链接后通常会生成两种类型的可执行文件：用于调试的可执行文件和用于固化的可执行文件。 3.3 交叉调试嵌入式软件经过编译和链接后即进入调试阶段，调试是软件开发过程中必不可少的一个环节，嵌入式软件开发过程中的交叉调~

肖文鹏

硕士研究生, 北京理工大学计算机系

2003 年 9 月

随着信息化技术的发展和数字化产品的普及，以计算机技术、芯片技术和软件技术为核心的嵌入式系统再度成为当前研究和应用的热点，通信、计算机、消费电子技术（3C）合一的趋势正在逐步形成，无所不在的网络和无所不在的计算（everything connecting, everywhere computing）正在将人类带入一个崭新的信息社会。

一、嵌入式系统

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件是可裁剪的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统最典型的特点是与人们的日常生活紧密相关，任何一个普通人都可能拥有各类形形色色运用了嵌入式技术的电子产品，小到MP3、PDA等微型数字化设备，大到信息家电、智能电器、车载GIS，各种新型嵌入式设备在数量上已经远远超过了通用计算机。这也难怪美国著名未来学家尼葛洛庞帝在1999年1月访华时就预言，4~5年后嵌入式智能工具将成为继PC机和Internet之后计算机工业最伟大的发明。

1.1 历史与现状

虽然嵌入式系统是近几年才开始真正风靡起来的，但事实上嵌入式这个概念却很早就已经存在了，从上个世纪70年代单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统少说也有了近30年的历史。纵观嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下四个阶段：

无 *** 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d等武器装备中，一般没有 *** 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率、存储容量都有较高要求的信息家电等场合的需要。

简单 *** 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" *** 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 *** 作系统开始出现并得到迅速发展。此时的嵌入式 *** 作系统虽然还比较简单，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。

实时 *** 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 *** 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： *** 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。此时的嵌入式 *** 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。

面向Internet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出了新的挑战。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：

1. 新的微处理器层出不穷，嵌入式 *** 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。

2. 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软硬件系统本身，同时还要提供强大的硬件开发工具和软件支持包。

3. 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等，嵌入式软件平台得到进一步完善。

4. 各类嵌入式Linux *** 作系统迅速发展，由于具有源代码开放、系统内核小、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、Palm OS等嵌入式 *** 作系统进行有力竞争的局面。

5. 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。

6. 精简系统内核，优化关键算法，降低功耗和软硬件成本。

7. 提供更加友好的多媒体人机交互界面。

1.2 体系结构

根据国际电气和电子工程师协会（IEEE）的定义，嵌入式系统是"控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置"（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。一般而言，整个嵌入式系统的体系结构可以分成四个部分：嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式 *** 作系统和嵌入式应用软件，如图1所示。

图1 嵌入式系统的组成

嵌入式处理器

嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式处理器与通用处理器最大的不同点在于，嵌入式CPU大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中，它将通用CPU中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。

嵌入式处理器的体系结构经历了从CISC（复杂指令集）至RISC（精简指令集）和Compact RISC的转变，位数则由4位、8位、16位、32位逐步发展到64位。目前常用的嵌入式处理器可分为低端的嵌入式微控制器（Micro Controller Unit，MCU）、中高端的嵌入式微处理器（Embedded Micro Processor Unit，EMPU）、用于计算机通信领域的嵌入式DSP处理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）和高度集成的嵌入式片上系统（System On Chip，SOC）。

目前几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，并且越来越多的公司开始拥有自主的处理器设计部门，据不完全统计，全世界嵌入式处理器已经超过1000多种，流行的体系结构有30多个系列，其中以ARM、PowerPC、MC 68000、MIPS等使用得最为广泛。

嵌入式外围设备

在嵌入系统硬件系统中，除了中心控制部件（MCU、DSP、EMPU、SOC）以外，用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件，事实上都可以算作嵌入式外围设备。目前常用的嵌入式外围设备按功能可以分为存储设备、通信设备和显示设备三类。

存储设备主要用于各类数据的存储，常用的有静态易失型存储器（RAM、SRAM）、动态存储器（DRAM）和非易失型存储器（ROM、EPROM、EEPROM、FLASH）三种，其中FLASH凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。

目前存在的绝大多数通信设备都可以直接在嵌入式系统中应用，包括RS-232接口（串行通信接口）、SPI（串行外围设备接口）、IrDA（红外线接口）、I2C（现场总线）、USB（通用串行总线接口）、Ethernet（以太网接口）等。

由于嵌入式应用场合的特殊性，通常使用的是阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）和触摸板（Touch Panel）等外围显示设备。

嵌入式 *** 作系统

为了使嵌入式系统的开发更加方便和快捷，需要有专门负责管理存储器分配、中断处理、任务调度等功能的软件模块，这就是嵌入式 *** 作系统。嵌入式 *** 作系统是用来支持嵌入式应用的系统软件，是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动程序、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形用户界面（GUI）等。嵌入式 *** 作系统具有通用 *** 作系统的基本特点，如能够有效管理复杂的系统资源，能够对硬件进行抽象，能够提供库函数、驱动程序、开发工具集等。但与通用 *** 作系统相比较，嵌入式 *** 作系统在系统实时性、硬件依赖性、软件固化性以及应用专用性等方面，具有更加鲜明的特点。

嵌入式 *** 作系统根据应用场合可以分为两大类：一类是面向消费电子产品的非实时系统，这类设备包括个人数字助理（PDA）、移动电话、机顶盒（STB）等；另一类则是面向控制、通信、医疗等领域的实时 *** 作系统，如WindRiver公司的VxWorks、QNX系统软件公司的QNX等。实时系统（Real Time System）是一种能够在指定或者确定时间内完成系统功能，并且对外部和内部事件在同步或者异步时间内能做出及时响应的系统。在实时系统中， *** 作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且与这些 *** 作进行的时间有关，也就是说，实时系统对逻辑和时序的要求非常严格，如果逻辑和时序控制出现偏差将会产生严重后果。

实时系统主要通过三个性能指标来衡量系统的实时性，即响应时间（Response Time）、生存时间（Survival Time）和吞吐量（Throughput）：

o 响应时间是实时系统从识别出一个外部事件到做出响应的时间；

o 生存时间是数据的有效等待时间，数据只有在这段时间内才是有效的；

o 吞吐量是在给定的时间内系统能够处理的事件总数，吞吐量通常比平均响应时间的倒数要小一点。

实时系统根据响应时间可以分为弱实时系统、一般实时系统和强实时系统三种。弱实时系统在设计时的宗旨是使各个任务运行得越快越好，但没有严格限定某一任务必须在多长时间内完成，弱实时系统更多关注的是程序运行结果的正确与否，以及系统安全性能等其他方面，对任务执行时间的要求相对来讲较为宽松，一般响应时间可以是数十秒或者更长。一般实时系统是弱实时系统和强实时系统的一种折衷，它的响应时间可以在秒的数量级上，广泛应用于消费电子设备中。强实时系统则要求各个任务不仅要保证执行过程和结果的正确性，同时还要保证在限定的时间内完成任务，响应时间通常要求在毫秒甚至微秒的数量级上，这对涉及到医疗、安全、军事的软硬件系统来说是至关重要的。

时限（deadline）是实时系统中的一个重要概念，指的是对任务截止时间的要求，根据时限对系统性能的影响程度，实时系统又可以分为软实时系统（soft real-time-system）和硬实时系统（hard real-time-system）。软实时指的是虽然对系统响应时间有所限定，但如果系统响应时间不能满足要求，并不会导致系统产生致命的错误或者崩溃；硬实时则指的是对系统响应时间有严格的限定，如果系统响应时间不能满足要求，就会引起系统产生致命的错误或者崩溃。如果一个任务在时限到达之时尚未完成，对软实时系统来说还是可以容忍的，最多只会降低系统性能，但对硬实时系统来说则是无法接受的，因为这样带来的后果根本无法预测，甚至可能是灾难性的。在目前实际运用的实时系统中，通常允许软硬两种实时性同时存在，其中一些事件没有时限要求，另外一些事件的时限要求是软实时的，而对系统产生关键影响的那些事件的时限要求则是硬实时的。

嵌入式应用软件

嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到用户预期目标的计算机软件，由于用户任务可能有时间和精度上的要求，因此有些嵌入式应用软件需要特定嵌入式 *** 作系统的支持。嵌入式应用软件和普通应用软件有一定的区别，它不仅要求其准确性、安全性和稳定性等方面能够满足实际应用的需要，而且还要尽可能地进行优化，以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。

1.3 关键问题

嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与特定行业的具体应用相结合的产物，因此必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统，嵌入式系统的开发充满了竞争、机遇与创新，需要解决好如下一些关键问题：

1. 内核精巧嵌入式系统的应用领域一般都是小型电子装置，系统资源相对有限，因此对内核的要求相当高，较之传统的 *** 作系统来讲要小得多，例如ENEA公司推出的OSE分布式嵌入式系统，整个内核只有5KB。

2. 面向应用嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。嵌入式系统中的CPU大多工作在为特定用户群定制的环境中，具有低耗、体积小、集成度高等特点，在进行软硬件设计时必须突出效率、去除冗余，针对用户的具体需求对系统进行合理的配置，方能达到理想的性能。

3. 系统精简嵌入式系统中的系统软件和应用软件通常没有明显的区别，不要求其功能及实现上过于复杂，这样一方面有利于控制系统成本，另一方面也有利于保证系统安全。

4. 性能优化嵌入式系统通常都要求有一定的实时性保障，为了提高执行速度和系统性能，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储芯片或者处理器的内部存储器件当中，而不是存贮在磁盘等外部载体中。由于嵌入式系统的运算速度和存储容量存在一定程度上的限制，而且大部分系统都必须有较高的实时性保证，因此对软件质量（特别是可靠性方面）有着较高的要求。

5. 专业开发嵌入式系统本身并不具备自主开发能力，用户不能直接在其上进行二次开发。当系统完成之后，用户如果需要修改其中某个程序的功能，必须借助一套完整的开发工具和环境。嵌入式系统中专用的开发工具和环境通常是基于通用计算机上的软硬件设备，以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。

二、嵌入式Linux

Linux从1991年问世到现在，短短的十几年时间已经发展成为功能强大、设计完善的 *** 作系统之一，不仅可以与各种传统的商业 *** 作系统分庭抗争，在新兴的嵌入式 *** 作系统领域内也获得了飞速发展。嵌入式Linux（Embedded Linux）是指对标准Linux经过小型化裁剪处理之后，能够固化在容量只有几K或者几M字节的存储器芯片或者单片机中，适合于特定嵌入式应用场合的专用Linux *** 作系统。

2.1 优势

嵌入式Linux的开发和研究是 *** 作系统领域中的一个热点，目前已经开发成功的嵌入式系统中，大约有一半使用的是Linux。Linux之所以能在嵌入式系统市场上取得如此辉煌的成果，与其自身的优良特性是分不开的。

广泛的硬件支持

Linux能够支持x86、ARM、MIPS、ALPHA、PowerPC等多种体系结构，目前已经成功移植到数十种硬件平台，几乎能够运行在所有流行的CPU上。Linux有着异常丰富的驱动程序资源，支持各种主流硬件设备和最新硬件技术，甚至可以在没有存储管理单元（MMU）的处理器上运行，这些都进一步促进了Linux在嵌入式系统中的应用。

内核高效稳定

Linux内核的高效和稳定已经在各个领域内得到了大量事实的验证，Linux的内核设计非常精巧，分成进程调度、内存管理、进程间通信、虚拟文件系统和网络接口五大部分，其独特的模块机制可以根据用户的需要，实时地将某些模块插入到内核或从内核中移走。这些特性使得Linux系统内核可以裁剪得非常小巧，很适合于嵌入式系统的需要。

开放源码，软件丰富

Linux是开放源代码的自由 *** 作系统，它为用户提供了最大限度的自由度，由于嵌入式系统千差万别，往往需要针对具体的应用进行修改和优化，因而获得源代码就变得至关重要了。Linux的软件资源十分丰富，每一种通用程序在Linux上几乎都可以找到，并且数量还在不断增加。在Linux上开发嵌入式应用软件一般不用从头做起，而是可以选择一个类似的自由软件做为原型，在其上进行二次开发。

优秀的开发工具

开发嵌入式系统的关键是需要有一套完善的开发和调试工具。传统的嵌入式开发调试工具是在线仿真器（In-Circuit Emulator，ICE），它通过取代目标板的微处理器，给目标程序提供一个完整的仿真环境，从而使开发者能够非常清楚地了解到程序在目标板上的工作状态，便于监视和调试程序。在线仿真器的价格非常昂贵，而且只适合做非常底层的调试，如果使用的是嵌入式Linux，一旦软硬件能够支持正常的串口功能时，即使不用在线仿真器也可以很好地进行开发和调试工作，从而节省了一笔不小的开发费用。嵌入式Linux为开发者提供了一套完整的工具链（Tool Chain），它利用GNU的gcc做编译器，用gdb、kgdb、xgdb做调试工具，能够很方便地实现从 *** 作系统到应用软件各个级别的调试。

完善的网络通信和文件管理机制

Linux至诞生之日起就与Internet密不可分，支持所有标准的Internet网络协议，并且很容易移植到嵌入式系统当中。此外，Linux还支持ext2、fat16、fat32、romfs等文件系统，这些都为开发嵌入式系统应用打下了很好的基础。

2.2 挑战

目前，嵌入式Linux系统的研发热潮正在蓬勃兴起，并且占据了很大的市场份额，除了一些传统的Linux公司（如RedHat、MontaVista等）正在从事嵌入式Linux的开发和应用之外，IBM、Intel、Motorola等著名企业也开始进行嵌入式Linux的研究。虽然前景一片灿烂，但就目前而言，嵌入式Linux的研究成果与市场的真正要求仍有一段差距，要开发出真正成熟的嵌入式Linux系统，还需要从以下几个方面做出努力。

提高系统实时性

Linux虽然已经被成功地应用到了PDA、移动电话、车载电视、机顶盒、网络微波炉等各种嵌入式设备上，但在医疗、航空、交通、工业控制等对实时性要求非常严格的场合中还无法直接应用，原因在于现有的Linux是一个通用的 *** 作系统，虽然它也采用了许多技术来加快系统的运行和响应速度，并且符合POSIX 1003.1b标准，但从本质上来说并不是一个嵌入式实时 *** 作系统。Linux的内核调度策略基本上是沿用UNIX系统的，将它直接应用于嵌入式实时环境会有许多缺陷，如在运行内核线程时中断被关闭，分时调度策略存在时间上的不确定性，以及缺乏高精度的计时器等等。正因如此，利用Linux作为底层 *** 作系统，在其上进行实时化改造，从而构建出一个具有实时处理能力的嵌入式系统，是现在日益流行的解决方案。

改善内核结构

Linux内核采用的是整体式结构（Monolithic），整个内核是一个单独的、非常大的程序，这样虽然能够使系统的各个部分直接沟通，有效地缩短任务之间的切换时间，提高系统响应速度，但与嵌入式系统存储容量小、资源有限的特点不相符合。嵌入式系统经常采用的是另一种称为微内核（Microkernel）的体系结构，即内核本身只提供一些最基本的 *** 作系统功能，如任务调度、内存管理、中断处理等，而类似于文件系统和网络协议等附加功能则运行在用户空间中，并且可以根据实际需要进行取舍。Microkernel的执行效率虽然比不上Monolithic，但却大大减小了内核的体积，便于维护和移植，更能满足嵌入式系统的要求。可以考虑将Linux内核部分改造成Microkernel，使Linux在具有很高性能的同时，又能满足嵌入式系统体积小的要求。

完善集成开发平台

引入嵌入式Linux系统集成开发平台，是嵌入式Linux进一步发展和应用的内在要求。传统上的嵌入式系统都是面向具体应用场合的，软件和硬件之间必须紧密配合，但随着嵌入式系统规模的不断扩大和应用领域的不断扩展，嵌入式 *** 作系统的出现就成了一种必然，因为只有这样才能促成嵌入式系统朝层次化和模块化的方向发展。很显然，嵌入式集成开发平台也是符合上述发展趋势的，一个优秀的嵌入式集成开发环境能够提供比较完备的仿真功能，可以实现嵌入式应用软件和嵌入式硬件的同步开发，从而摆脱了"嵌入式应用软件的开发依赖于嵌入式硬件的开发，并且以嵌入式硬件的开发为前提"的不利局面。一个完整的嵌入式集成开发平台通常包括编译器、连接器、调试器、跟踪器、优化器和集成用户界面，目前Linux在基于图形界面的特定系统定制平台的研究上，与Windows CE等商业嵌入式 *** 作系统相比还有很大差距，整体集成开发环境有待提高和完善。

三、关键技术

嵌入式系统是一种根据特定用途所专门开发的系统，它只完成预期要完成的功能，因此其开发过程和开发环境同传统的软件开发相比有着显著的不同。

3.1 开发流程

在嵌入式系统的应用开发中，整个系统的开发过程如图2所示：

图2 嵌入式系统的开发流程

嵌入式系统发展到今天，对应于各种微处理器的硬件平台一般都是通用的、固定的、成熟的，这就大大减少了由硬件系统引入错误的机会。此外，由于嵌入式 *** 作系统屏蔽了底层硬件的复杂性，使得开发者通过 *** 作系统提供的API函数就可以完成大部分工作，因此大大简化了开发过程，提高了系统的稳定性。嵌入式系统的开发者现在已经从反复进行硬件平台设计的过程中解脱出来，从而可以将主要精力放在满足特定的需求上。

嵌入式系统通常是一个资源受限的系统，因此直接在嵌入式系统的硬件平台上编写软件比较困难，有时候甚至是不可能的。目前一般采用的解决办法是首先在通用计算机上编写程序，然后通过交叉编译生成目标平台上可以运行的二进制代码格式，最后再下载到目标平台上的特定位置上运行。

需要交叉开发环境（Cross Development Environment）的支持是嵌入式应用软件开发时的一个显著特点，交叉开发环境是指编译、链接和调试嵌入式应用软件的环境，它与运行嵌入式应用软件的环境有所不同，通常采用宿主机／目标机模式，如图3所示。

图3 交叉开发环境

宿主机（Host）是一台通用计算机（如PC机或者工作站），它通过串口或者以太网接口与目标机通信。宿主机的软硬件资源比较丰富，不但包括功能强大的 *** 作系统（如Windows和Linux），而且还有各种各样优秀的开发工具（如WindRiver的Tornado、Microsoft的Embedded Visual C++等），能够大大提高嵌入式应用软件的开发速度和效率。

目标机（Target）一般在嵌入式应用软件开发期间使用，用来区别与嵌入式系统通信的宿主机，它可以是嵌入式应用软件的实际运行环境，也可以是能够替代实际运行环境的仿真系统，但软硬件资源通常都比较有限。嵌入式系统的交叉开发环境一般包括交叉编译器、交叉调试器和系统仿真器，其中交叉编译器用于在宿主机上生成能在目标机上运行的代码，而交叉调试器和系统仿真器则用于在宿主机与目标机间完成嵌入式软件的调试。在采用宿主机／目标机模式开发嵌入式应用软件时，首先利用宿主机上丰富的资源和良好的开发环境开发和仿真调试目标机上的软件，然后通过串口或者以网络将交叉编译生成的目标代码传输并装载到目标机上，并在监控程序或者 *** 作系统的支持下利用交叉调试器进行分析和调试，最后目标机在特定环境下脱离宿主机单独运行。

建立交叉开发环境是进行嵌入式软件开发的第一步，目前常用的交叉开发环境主要有开放和商业两种类型。开放的交叉开发环境的典型代表是GNU工具链、目前已经能够支持x86、ARM、MIPS、PowerPC等多种处理器。商业的交叉开发环境则主要有Metrowerks CodeWarrior、ARM Software Development Toolkit、SDS Cross compiler、WindRiver Tornado、Microsoft Embedded Visual C++等。

3.2 交叉编译和链接

在完成嵌入式软件的编码之后，需要进行编译和链接以生成可执行代码，由于开发过程大多是在使用Intel公司x86系列CPU的通用计算机上进行的，而目标环境的处理器芯片却大多为ARM、MIPS、PowerPC、DragonBall等系列的微处理器，这就要求在建立好的交叉开发环境中进行交叉编译和链接。

交叉编译器和交叉链接器是能够在宿主机上运行，并且能够生成在目标机上直接运行的二进制代码的编译器和链接器。例如在基于ARM体系结构的gcc交叉开发环境中，arm-linux-gcc是交叉编译器，arm-linux-ld是交叉链接器。通常情况下，并不是每一种体系结构的嵌入式微处理器都只对应于一种交叉编译器和交叉链接器，比如对于M68K体系结构的gcc交叉开发环境而言，就对应于多种不同的编译器和链接器。如果使用的是COFF格式的可执行文件，那么在编译Linux内核时需要使用m68k-coff-gcc和m68k-coff-ld，而在编译应用程序时则需要使用m68k-coff-pic-gcc和m68k-coff-pic-ld。

嵌入式系统在链接过程中通常都要求使用较小的函数库，以便最后产生的可执行代码能够尽可能地小，因此实际运用时一般使用经过特殊处理的函数库。对于嵌入式L

第一部分、计算机算法常用术语中英对照

Data Structures 基本数据结构

Dictionaries 字典

Priority Queues 堆

Graph Data Structures 图

Set Data Structures 集合

Kd-Trees 线段树

Numerical Problems 数值问题

Solving Linear Equations 线性方程组

Bandwidth Reduction 带宽压缩

Matrix Multiplication 矩阵乘法

Determinants and Permanents 行列式

Constrained and Unconstrained Optimization 最值问题

Linear Programming 线性规划

Random Number Generation 随机数生成

Factoring and Primality Testing 因子分解/质数判定

Arbitrary Precision Arithmetic 高精度计算

Knapsack Problem 背包问题

Discrete Fourier Transform 离散Fourier变换

Combinatorial Problems 组合问题

Sorting 排序

Searching 查找

Median and Selection 中位数

Generating Permutations 排列生成

Generating Subsets 子集生成

Generating Partitions 划分生成

Generating Graphs 图的生成

Calendrical Calculations 日期

Job Scheduling 工程安排

Satisfiability 可满足性

Graph Problems -- polynomial 图论-多项式算法

Connected Components 连通分支

Topological Sorting 拓扑排序

Minimum Spanning Tree 最小生成树

Shortest Path 最短路径

Transitive Closure and Reduction 传递闭包

Matching 匹配

Eulerian Cycle / Chinese Postman Euler回路/中国邮路

Edge and Vertex Connectivity 割边/割点

Network Flow 网络流

Drawing Graphs Nicely 图的描绘

Drawing Trees 树的描绘

Planarity Detection and Embedding 平面性检测和嵌入

Graph Problems -- hard 图论-NP问题

Clique 最大团

Independent Set 独立集

Vertex Cover 点覆盖

Traveling Salesman Problem 旅行商问题

Hamiltonian Cycle Hamilton回路

Graph Partition 图的划分

Vertex Coloring 点染色

Edge Coloring 边染色

Graph Isomorphism 同构

Steiner Tree Steiner树

Feedback Edge/Vertex Set 最大无环子图

Computational Geometry 计算几何

Convex Hull 凸包

Triangulation 三角剖分

Voronoi Diagrams Voronoi图

Nearest Neighbor Search 最近点对查询

Range Search 范围查询

Point Location 位置查询

Intersection Detection 碰撞测试

Bin Packing 装箱问题

Medial-Axis Transformation 中轴变换

Polygon Partitioning 多边形分割

Simplifying Polygons 多边形化简

Shape Similarity 相似多边形

Motion Planning 运动规划

Maintaining Line Arrangements 平面分割

Minkowski Sum Minkowski和

Set and String Problems 集合与串的问题

Set Cover 集合覆盖

Set Packing 集合配置

String Matching 模式匹配

Approximate String Matching 模糊匹配

Text Compression 压缩

Cryptography 密码

Finite State Machine Minimization 有穷自动机简化

Longest Common Substring 最长公共子串

Shortest Common Superstring 最短公共父串

DP——Dynamic Programming——动态规划

recursion —— 递归

第二部分、编程词汇

A2A integration A2A整合

abstract 抽象的

abstract base class (ABC)抽象基类

abstract class 抽象类

abstraction 抽象、抽象物、抽象性

access 存取、访问

access level访问级别

access function 访问函数

account 账户

action 动作

activate 激活

active 活动的

actual parameter 实参

adapter 适配器

add-in 插件

address 地址

address space 地址空间

address-of operator 取地址 *** 作符

ADL (argument-dependent lookup)

ADO(ActiveX Data Object)ActiveX数据对象

advanced 高级的

aggregation 聚合、聚集

algorithm 算法

alias 别名

align 排列、对齐

allocate 分配、配置

allocator分配器、配置器

angle bracket 尖括号

annotation 注解、评注

API (Application Programming Interface) 应用(程序)编程接口

app domain (application domain)应用域

application 应用、应用程序

application framework 应用程序框架

appearance 外观

append 附加

architecture 架构、体系结构

archive file 归档文件、存档文件

argument引数(传给函式的值)。参见parameter

array 数组

arrow operator 箭头 *** 作符

ASP(Active Server Page)活动服务器页面

ASP.NET worker process ASP.NET工作者进程

assembly 装配件、配件

assembly language 汇编语言

assembly manifest 装配件清单

assert(ion) 断言

assign 赋值

assignment 赋值、分配

assignment operator 赋值 *** 作符

associated 相关的、相关联的

associative container 关联式容器(对应sequential container)

asynchronous 异步的

atomic 原子的

atomic operation 原子 *** 作

attribute 特性、属性

authentication service 验证服务

authorization 授权

audio 音频

A.I. 人工智能

B2B integration B2B整合、B2B集成(business-to-business integration)

background 背景、后台(进程)

backward compatible 向后兼容、向下兼容

backup 备份

backup device备份设备

backup file 备份文件

bandwidth 带宽

base class 基类

base type 基类型

batch 批处理

BCL (base class library)基类库

binary 二进制

binary search 二分查找

binary tree 二叉树

binary function 双参函数

binary large object二进制大对象

binary operator 二元 *** 作符

binding 绑定

bit 位

bitmap 位图

bitwise 按位...

bitwise copy 为单元进行复制；位元逐一复制,按位拷

bitwise operation 按位运算

block 块、区块、语句块

bookkeeping 簿记

boolean 布林值(真假值，true或false)

border 边框

bounds checking 边界检查

boxing 装箱、装箱转换

brace (curly brace) 大括号、花括号

bracket (square brakcet) 中括号、方括号

breakpoint 断点

browser applications 浏览器应用(程序)

browser-accessible application 可经由浏览器访问的应用程序

build 编连(专指编译和连接

built-in 内建、内置

bus 总线

business 业务、商务(看场合)

business Logic 业务逻辑

business rules 业务规则

buttons 按钮

bug 臭虫

by/through 通过

byte 位元组(由8 bits组成)

cache 高速缓存

calendar 日历

call 调用

callback 回调

call-level interface (CLI)调用级接口(CLI)

call operator 调用 *** 作符

candidate key 候选键 (for database)

cascading delete 级联删除 (for database)

cascading update 级联更新 (for database)

casting 转型、造型转换

catalog 目录

chain 链(function calls)

character 字符

character format 字符格式

character set 字符集

CHECK constraints CHECK约束 (for database)

checkpoint 检查点 (for database)

check box 复选框

check button 复选按钮

child class 子类

CIL (common intermediate language)通用中间语言、通用中介语言

class 类

class declaration 类声明

class definition 类定义

class derivation list 类继承列表

class factory 类厂

class hierarchy 类层次结构

class library 类库

class loader 类装载器

class template 类模板

class template partial specializations 类模板部分特化

class template specializations 类模板特化

classification 分类

clause 子句

client application 客户端应用程序

client cursor 客户端游标 (for database)

code page 代码页

cleanup 清理、清除

CLI (Common Language Infrastructure) 通用语言基础设施

client 客户、客户端

client area 客户区

client-server 客户机/服务器、客户端/服务器

clipboard 剪贴板

clone 克隆

CLS (common language specification) 通用语言规范

code access security 代码访问安全

COFF (Common Object File Format) 通用对象文件格式

collection 集合

COM (Component Object Model) 组件对象模型

combo box 组合框

command line 命令行

comment 注释

commit 提交 (for database)

communication 通讯

compatible 兼容

compile time 编译期、编译时

compiler 编译器

component组件

composite index 复合索引、组合索引 (for database)

composite key 复合键、组合键 (for database)

composition 复合、组合

concept 概念

concrete具体的

concrete class 具体类

concurrency 并发、并发机制

constraint 约束 (for database)

configuration 配置、组态

connection 连接 (for database)

connection pooling 连接池

console 控制台

constant 常量

construct 构件、成分、概念、构造（for language）

constructor (ctor) 构造函数、构造器

container 容器

containment包容

context 环境、上下文

control 控件

cookie (不译)

copy 拷贝

CORBA 通用对象请求中介架构(Common Object Request Broker Architecture)

cover 覆盖、涵盖

create/creation 创建、生成

crosstab query 交叉表查询 (for database)

CRTP (curiously recurring template pattern)

CTS (common type system)通用类型系统

cube 多维数据集 (for database)

cursor 光标

cursor 游标 (for database)

custom 定制、自定义

data 数据

data connection 数据连接 (for database)

Data Control Language (DCL) 数据控制语言(DCL) (for database)

Data Definition Language (DDL) 数据定义语言(DDL) (for database)

data dictionary 数据字典 (for database)

data dictionary view 数据字典视图 (for database)

data file 数据文件 (for database)

data integrity 数据完整性 (for database)

data manipulation language (DML)数据 *** 作语言(DML) (for database)

data mart 数据集市 (for database)

data pump 数据抽取 (for database)

data scrubbing 数据清理 (for database)

data source 数据源 (for database)

Data source name (DSN) 数据源名称(DSN) (for database)

data warehouse 数据仓库 (for database)

dataset 数据集 (for database)

database 数据库 (for database)

database catalog 数据库目录 (for database)

database diagram 数据关系图 (for database)

database file 数据库文件 (for database)

database object 数据库对象 (for database)

database owner 数据库所有者 (for database)

database project 数据库工程 (for database)

database role 数据库角色 (for database)

database schema 数据库模式、数据库架构 (for database)

database script 数据库脚本 (for database)

data-bound 数据绑定 (for database)

data-aware control数据感知控件 (for database)

data member 数据成员、成员变量

dataset 数据集 (for database)

data source 数据源 (for database)

data structure数据结构

data table 数据表 (for database)

datagram 数据报文

DBMS (database management system)数据库管理系统 (for database)

DCOM (distributed COM)分布式COM

dead lock 死锁 (for database)

deallocate 归还

debug 调试

debugger 调试器

decay 退化

decision support 决策支持

declaration 声明

declarative referential integrity (DRI)声明引用完整性(DRI) (for database)

deduction 推导

DEFAULT constraint默认约束 (for database)

default database 默认数据库 (for database)

default instance 默认实例 (for database)

default result set 默认结果集 (for database)

default 缺省、默认值

defer 推迟

definition 定义

delegate 委托

delegation 委托

dependent name

deploy 部署

dereference 解引用

dereference operator (提领)运算子

derived class 派生类

design by contract 契约式设计

design pattern 设计模式

destroy 销毁

destructor(dtor)析构函数、析构器

device 设备

DHTML (dynamic HyperText Markup Language)动态超文本标记语言

dialog 对话框

digest 摘要

digital 数字的

DIME (Direct Internet Message Encapsulation)直接Internet消息封装

directive (编译)指示符

directory 目录

dirty pages脏页 (for database)

dirty read 脏读 (for database)

disassembler 反汇编器

DISCO (Discovery of Web Services)Web Services的查找

disk 盘

dispatch 调度、分派、派发（我喜欢“调度”）

DISPID (Dispatch Identifier)分派标识符

distributed computing 分布式计算

distributed query 分布式查询 (for database)

DNA (Distributed interNet Application) 分布式网间应用程序

document 文档

DOM (Document Object Model)文档对象模型

dot operator (圆)点 *** 作符

driver 驱动(程序)

DTD (document type definition) 文档类型定义

double-byte character set (DBCS)双字节字符集(DBCS)

dump 转储

dump file 转储文件

dynamic cursor 动态游标 (for database)

dynamic filter 动态筛选 (for database)

dynamic locking 动态锁定 (for database)

dynamic recovery 动态恢复 (for database)

dynamic snapshot 动态快照 (for database)

dynamic SQL statements 动态SQL语句 (for database)

dynamic assembly 动态装配件、动态配件

dynamic binding 动态绑定

EAI (enterprise application integration)企业应用程序集成(整合)

EBCO (empty base class optimization) 空基类优化（机制）

e-business 电子商务

EDI (Dlectronic Data Interchange)电子数据交换

efficiency 效率

efficient 高效

end-to-end authentication 端对端身份验证

end user 最终用户

engine 引擎

entity 实体

encapsulation 封装

enclosing class 外围类别(与巢状类别 nested class有关)

enum (enumeration) 枚举

enumerators 枚举成员、枚举器

equal 相等

equality 相等性

equality operator 等号 *** 作符

error log 错误日志 (for database)

escape code 转义码

escape character 转义符、转义字符

exclusive lock 排它锁 (for database)

explicit transaction 显式事务 (for database)

evaluate 评估

event 事件

event driven 事件驱动的

event handler 事件处理器

evidence 证据

exception 异常

exception declaration 异常声明

exception handling 异常处理、异常处理机制

exception-safe 异常安全的

exception specification 异常规范

exit 退出

explicit 显式

explicit specialization 显式特化

export 导出

expression 表达式

facility 设施、设备

fat client 胖客户端

feature 特性、特征

fetch 提取

field 字段(java)

field 字段 (for database)

field length 字段长度 (for database)

file 文件

filter 筛选 (for database)

finalization 终结

firewall 防火墙

finalizer 终结器

firmware 固件

flag 标记

flash memory 闪存

flush 刷新

font 字体

foreign key (FK) 外键(FK) (for database)

form 窗体

formal parameter 形参

forward declaration 前置声明

forward-only 只向前的

forward-only cursor 只向前游标 (for database)

fragmentation 碎片 (for database)

framework 框架

full specialization 完全特化

function 函数

function call operator (即operator ()) 函数调用 *** 作符

function object 函数对象

function overloaded resolution函数重载决议

functionality 功能

function template函数模板

functor 仿函数

GAC (global assembly cache) 全局装配件缓存、全局配件缓存

GC (Garbage collection) 垃圾回收(机制)、垃圾收集(机制)

game 游戏

generate 生成

generic 泛化的、一般化的、通用的

generic algorithm通用算法

genericity 泛型

getter (相对于 setter)取值函数

global 全局的

global object 全局对象

global scope resolution operator 全局范围解析 *** 作符

grant 授权 (for database)

granularity 粒度

group 组、群

group box 分组框

GUI 图形界面

GUID (Globally Unique Identifier) 全球唯一标识符

hand shaking 握手

handle 句柄

handler 处理器

hard-coded 硬编码的

hard-copy 截屏图

hard disk 硬盘

hardware 硬件

hash table 散列表、哈希表

header file头文件

heap 堆

help file 帮助文件

hierarchy 层次结构、继承体系

hierarchical data 阶层式数据、层次式数据

hook 钩子

Host (application)宿主(应用程序)

hot key 热键

hyperlink 超链接

HTML (HyperText Markup Language) 超文本标记语言

HTTP pipeline HTTP管道

HTTP (HyperText Transfer Protocol) 超文本传输协议

icon 图标

IDE (Integrated Development Environment)集成开发环境

IDL (Interface Definition Language) 接口定义语言

identifier 标识符

idle time 空闲时间

if and only if当且仅当

IL (Intermediate Language) 中间语言、中介语言

image 图象

IME 输入法

immediate base 直接基类

immediate derived 直接派生类

immediate updating 即时更新 (for database)

implicit transaction隐式事务 (for database)

incremental update 增量更新 (for database)

index 索引 (for database)

implement 实现

implementation 实现、实现品

implicit 隐式

import 导入

increment operator 增加 *** 作符

infinite loop 无限循环

infinite recursive 无限递归

information 信息

infrastructure 基础设施

inheritance 继承、继承机制

inline 内联

inline expansion 内联展开

initialization 初始化

initialization list 初始化列表、初始值列表

initialize 初始化

inner join 内联接 (for database)

in-place active 现场激活

instance 实例

instantiated 具现化、实体化(常应用于template)

instantiation 具现体、具现化实体(常应用于template)

integrate 集成、整合

integrity 完整性、一致性

integrity constraint完整性约束 (for database)

interprocess communication (IPC)进程间通讯(IPC)

interacts 交互

interface 接口

for GUI 界面

interoperability 互 *** 作性、互 *** 作能力

interpreter 解释器

introspection 自省

invariants 不变性

invoke 调用

isolation level 隔离级别 (for database)

iterate 迭代

iterative 反复的、迭代的

iterator 迭代器

iteration 迭代(回圈每次轮回称为一个iteration)

item 项、条款、项目

JIT compilation JIT编译即时编译

key 键 (for database)

key column 键列 (for database)

laser 激光

late binding 迟绑定

left outer join 左向外联接 (for database)

level 阶、层例

high level 高阶、高层

library 库

lifetime 生命期、寿命

link 连接、链接

linkage 连接、链接

linker 连接器、链接器

literal constant 字面常数

list 列表、表、链表

list box 列表框

livelock 活锁 (for database)

load 装载、加载

load balancing 负载平衡

loader 装载器、载入器

local 局部的

local object 局部对象

lock 锁

log 日志

lookup table 查找表 (for database)

loop 循环

loose coupling 松散耦合

lvalue 左值

machine code 机器码、机器代码

macro 宏

maintain 维护

managed code 受控代码、托管代码

Managed Extensions 受控扩充件、托管扩展

managed object 受控对象、托管对象

mangled name

manifest 清单

manipulator *** 纵器(iostream预先定义的一种东西)

many-to-many relationship 多对多关系 (for database)

many-to-one relationship 多对一关系 (for database)

marshal 列集

member 成员

member access operator 成员取用运算子(有dot和arrow两种)

member function 成员函数

member initialization list成员初始值列表

memberwise 以member为单元…、members 逐一…

memberwise copy

memory 内存

memory leak 内存泄漏

menu 菜单

message 消息

message based 基于消息的

message loop 消息环

message queuing消息队列

metadata 元数据

metaprogramming元编程

method 方法

micro 微

middleware 中间件

middle tier 中间层

modeling 建模

modeling language 建模语言

modifier 修饰字、修饰符

modem 调制解调器

module 模块

most derived class最底层的派生类

mouse 鼠标

mutable 可变的

mutex 互斥元、互斥体

multidimensional OLAP (MOLAP) 多维OLAP(MOLAP) (for database)

multithreaded server application 多线程服务器应用程序

multiuser 多用户

multi-tasking 多任务

multi-thread 多线程

multicast delegate 组播委托、多点委托

named parameter 命名参数

named pipe 命名管道

namespace 名字空间、命名空间

native 原生的、本地的

native code 本地码、本机码

Native Image Generator (NGEN)本地映像生成器

nested class 嵌套类

nested query 嵌套查询 (for database)

nested table 嵌套表 (for database)

network 网络

network card 网卡

nondependent name

object 对象

object based 基于对象的

object file 目标文件

object model 对象模型

object oriented 面向对象的