张宝林

  从上个世纪80年代Intel制造4004开始，就开始有嵌入式应用了，后来又出现在主要应用在控制领域的单片机，嵌入式样系统的应用就更广泛了，期间出现了嵌入式操作系统，使嵌入式的应用领域更加广泛。
  嵌入式系统是专用的计算机系统，内嵌到其他的系统中，用于增强系统的功能。嵌入式系统既然是计算机系统也不外乎软件和硬件两个部分，硬件部分仍包括处理器平台、内存、总线和外部设备几个部分，如果要进行硬件设计还需要组合逻辑电路、时序逻辑电路、总线电路电平转换电路和可编程逻辑器件基础等知识。
  本文主要是讲解嵌入式系统中的软件部分。
  无操作系统时代。嵌入式软件主要是传统的嵌入式应用，此时硬件配置较低，应用领域较窄，主要是控制领域。嵌入式软件的设计主要以应用为核心，应用软件直接建立的硬件基础上，而且是直接操控硬件，要直接操纵寄存器、内存甚至CPU，从硬件初始化、到接受数据、对数据进行处理、将处理结果输出都是由应用程序实现，此时软硬件是紧密耦合的，嵌入式应用有极强的专用性，软件相对简单。编写应用时，只能采用汇编（与处理器平台相关）或C语言，同时要求开发人员对处理器、内存和I/O有清晰的认识，但对操作系统方面的技术没有什么要求。
  有操作系统时代。随着嵌入式操作系统的出现和硬件配置的提高，嵌入式软件也越来越复杂，嵌入式应用的领域越来越宽。嵌入式软件分成四个层次：BSP、操作系统、中间层和具体应用层。BSP包括了所有与硬件有关的代码，为操作系统提供了硬件平台无关性，BSP主要包括BootLoader和驱动两部分。其中BootLoader完成包括硬件初始化、中断的产生和处理、硬件时钟和计时器处理、地址映射、加载内核在内的功能，而驱动一方面要直接跟硬件打交道，直接操作和控制硬件设备，另一方面要为上层软件提供调用接口。嵌入式操作系统进行进程管理、内存管理（如果有MMU）、文件系统和设备管理等传统操作系统的功能并为应用提供开发用的API，其中设备管理部分其实与驱动的功能有重复，也就是说BSP其实与操作系统的耦合很紧密。所谓的中间层是一个可选层，实际是对于应用层功能的抽象，包括消息中间件（其作用相当于WebLogic和Texudo这样的中间件），数据库访问中间件、安全中间件或者他们的整合，比如目前的两大主流下载应用平台KJAVA和BREW。应用层也就是我们直接使用的这些包括游戏、记事本、邮箱、移动商务应用和移动行业应用在内嵌入式程序。下面分别对这四个层次进行说明：
  首先是BSP层：BootLoader分成两个阶段：
  第1个阶段完成包括四个步骤：
  1．硬件设备初始化
  2．为第二阶段准备内存
  3．复制第二个阶段的代码到内存空间
  4．第四设置好堆栈，并跳转到第二阶段的入口点
  第2个阶段包括如下五个步骤：
  1．初始化本阶段要用到的硬件设备
  2．检测系统内存映射
  3．将内核及根文件系统装载到内存
  4．为内核设置启动参数
  5．启动内核
  第一个阶段直接操作硬件所以必须用汇编来编写，而且要求对硬件平台非常熟悉，第二个阶段也可以用汇编，但因为处理比较复杂，所以通常用C来实现。BootLoader开发对硬件方面知识要求较高。
大部分嵌入式操作系统提供了对很多硬件设备的支持，驱动程序的开发大部分用C语言来开发（其中有可能会用到汇编，比如操作状态寄存器），当然用汇编更没有问题，驱动开发需要用到中断，也需要直接操作硬件，还需要考虑和重入问题，对硬件和操作系统方面的要求较高。
  其次是操作系统层。嵌入式操作系统都是比较成熟的操作系统，很难有机会自己去从头编写一个操作系统。当然可能会以ucOS或Liunx等为基础经过修改以形成针对特殊的软硬件环境的系统，当然开发操作系统对于要求你对于操作系统的原理有透彻的理解，同时在软件分析、设计、编码和测试方面也提出了很高的要求。
  第三是中间层。中间层也都是由有实力的厂家进行的。比如KVM和BREW。该层往往也需要进行自己的任务管理、内存管理等，并提供网络通信、界面、多线程等开发接口，对一个人的操作系统功底和用C语言编程能力也提出了很高的要求。
  第四是应用层。应用层开发的主流语言包括C/C++/JAVA/C#，要注意编程的时空效率。开发嵌入式应用，其实就是依托主流的开发平台、通过开发平台提供的API开发该平台下运行的应用程序。在手持移动终端领域就是Symbian/Windows Mobile/Linux/Palm OS/J2ME/BREW，所以关键是熟悉平台的特性及API，手持移动设备应用强调的往往就是界面+网络+多线程三个方面的技术，因为很多的应用的联网应用。在网络网络设备领域往往采用的是VxWorks和pSOS操作系统(很多大公司为了节约成本也在往Linux平台迁移),开发网络设备中的嵌入式软件,除了对平台的熟悉和编程语言外,还需要深厚的网络和协议功底.
所以开发嵌入式软件需要如下几个方面的技能
  1．编程语言C/C++/JAVA/汇编语言
  2．硬件基础
  3．操作系统理论
  4．应用开发平台
  5．网络和协议
  当然也离不开数据结构和软件工程等知识点。
  同时，因为嵌入式系统是一个软硬件紧密结合的系统，所以对于高级嵌入式开发人员而言，就要求不仅能进行上述的软件开发，还应该能够进行硬件的选型，也就是使一个嵌入式系统从无到有的过程都要参与，所以需要对常用的处理器平台、存储层级及各种存储器、各种总线和接口、各种输出和输出设备等有全面的了解。