深入了解嵌入式编程

能从PC机器编程去看嵌入式问题，那是第一步；学会用嵌入式编程思想，那是第二步；用PC的思想和嵌入式的思想结合在一起，应用于实际的项目，那是第三步。很多朋友都是从PC编程转向嵌入式编程的。在中国，嵌入式编程的朋友很少是正儿八经从计算机专业毕业的，都是从自动控制啊，电子相关的专业毕业的。这些童鞋们，实践经验雄厚，但是理论知识缺乏；计算机专业毕业的童鞋很大一部分去弄网游、网页这些独立于操作系统的更高层的应用了。也不太愿意从事嵌入式行业，毕竟这条路不好走。他们理论知识雄厚，但缺乏电路等相关的知识，在嵌入式里学习需要再学习一些具体的知识，比较难走。虽然没有做过产业调查，但从我所见和所招聘人员，从事嵌入式行业的工程师，要么缺乏理论知识，要么缺乏实践经验。很少两者兼备的。究其原因，还是中国的大学教育的问题。这里不探讨这个问题，避免口水战。我想列出我实践中的几个例子。引起大家在嵌入式中做项目时对一些问题的关注。第一个问题：同事在uC/OS-II下开发一个串口的驱动程序，驱动和接口在测试中均为发现问题。应用中开发了个通讯程序，串口驱动提供了一个查询驱动缓冲区字符的函数：GetRxBuffCharNum()。 高层需要接受一定数量的字符以后才能对包做解析。一个同事撰写的代码，用伪代码表示如下：bExit = FALSE;do { if (GetRxBuffCharNum() >= 30) bExit = ReadRxBuff(buff, GetRxBuffCharNum());} while (!bExit);这段代码判断当前缓冲区中超过30个字符，就将缓冲区中全部字符读到缓冲区中，直到读取成功为止。逻辑清楚，思路也清楚。但这段代码是不能正常工作。如果是在PC机上，定然是没有任何问题，工作的异常正常。但在嵌入式里真的是不得而知了。同事很郁闷，不知道为什么。来请我解决问题，当时我看到代码，就问了他，GetRxBuffCharNum()是怎么实现的？打开一看：unsigned GetRxBuffCharNum(void){ cpu_register reg; unsigned num; reg = interrupt_disable(); num = gRxBuffCharNum; interrupt_enable(reg); return (num);}很明显，由于在循环中，interruput_disable()和interrupt_enable()之间是个全局临界区域，保证gRxBufCharNum的完整性。但是，由于在外层的do { } while() 循环中，CPU频繁的关闭中断，打开中断，这个时间非常的短。实际上CPU可能不能正常的响应UART的中断。当然这和uart的波特率、硬件缓冲区的大小还有CPU的速度都有关系。我们使用的波特率非常高，大约有3Mbps。uart起始信号和停止信号占一个比特位。一个字节需要消耗10个周期。3Mbps的波特率大约需要3.3us传输一个字节。3.3us能执行多少个CPU指令呢？100MHz的ARM，大约能执行150条指令左右。结果关闭中断的时间是多长呢？一般ARM关闭中断都需要4条以上的指令，打开又有4条以上的指令。接收uart中断的代码实际上是不止20条指令的。所以，这样下来，就有可能出现丢失通信数据的Bug，体现在系统层面上，就是通信不稳定。修改这段代码其实很简单，最简单的办法是从高层修改。即：bExit = FALSE;do { DelayUs(20); //延时 20us，一般采用空循环指令实现 num = GetRxBuffCharNum(); if (num >= 30) bExit = ReadRxBuff(buff, num);} while (!bExit);这样，让CPU有时间去执行中断的代码，从而避免了频繁关闭中断造成的中断代码执行不及时，产生的信息丢失。在嵌入式系统里，大部分的RTOS应用都是不带串口驱动。自己设计代码时，没有充分考虑代码与内核的结合。造成代码深层次的问题。RTOS之所以称为RTOS，就是因为对事件的快速响应；事件快速的响应依赖于CPU对中断的响应速度。驱动在Linux这种系统中都是与内核高度整合，一起运行在内核态。RTOS虽然不能抄袭linux这种结构，但有一定的借鉴意义。从上面的例子可以看清楚，嵌入式需要开发人员对代码的各个环节需要了解清楚。第二个例子：同事驱动一个14094串转并的芯片。串行信号是采用IO模拟的，因为没有专用的硬件。同事就随手写了个驱动，结果调试了3、4天，仍旧是有问题。我实在看不下去了，就去看了看，控制的并行信号有时候正常有时候不正常。我看了看代码，用伪代码大概是：for (i = 0; i < 8; i++){    SetData((data >> i) & 0x1); SetClockHigh(); for (j = 0; j < 5; j++);    SetClockLow();}将数据的8个bit在每个高电平从bit0到bit7依次发送出去。应该是正常的啊。看不出问题在哪啊？我仔细想了想，有看了14094的datasheet，明白了。原来，14094要求clock的高电平持续10个ns，低电平也要持续10个ns。这段代码之做了高电平时间的延时，没有做低电平的延时。如果中断插在低电平之间工作，那么这段代码是可以的。但是如果CPU没有中断插在低电平时执行，则是不能正常工作的。所以就时好时坏。修改也比较简单：for (i = 0; i < 8; i++){    SetData((data >> i) & 0x1); SetClockHigh(); for (j = 0; j < 5; j++);    SetClockLow();    for (j = 0; j < 5; j++);}这样就完全正常了。但是这个还是不能很好移植的一个代码，因为编译器一优化，就有可能造成这两个延时循环的丢失。丢失了，就不能保证高电平低电平持续10ns的要求，也就不能正常工作了。所以，真正的可以移植的代码，应该把这个循环做成一个纳秒级的DelayNs(10);像Linux一样，上电时，先测量一下，nop指令执行需要多长时间执行，多少个nop指令执行10ns。执行一定的nop指令就可以了。利用编译器防止优化的编译指令或者特殊的关键字，防止延时循环被编译器优化掉。如GCC中的__volatile__ __asm__("nop;\n");从这个例子中可以清楚的看到，写好一段好代码，是需要很多知识支撑的。你说呢？嵌入式往往没有操作系统支撑，或者因为有操作系统支撑，但因为种种的限制，操作系统提供的功能少得可怜。所以，很多代码不能像PC编程那样天马行空，任意驰骋。今天就聊聊内存分配的问题，内存碎片，可能大家都不陌生。然而在嵌入式系统里，最怕的就是内存碎片，也是系统稳定的头号杀手。我曾经做了一个项目，系统中有很多的malloc和free，尺寸不一，从60多个字节到64KB的不等。使用一款RTOS作为支撑。当时我有两个选择，一个是使用C系统库的malloc和free，另外一个是使用操作系统提供的固定内存分配。我们系统的设计要求要能稳定运行3个月以上。实际上连续运行6天左右就宕机了。各种问题都怀疑过，最后定为在内存分配上，其实就是长时间，大量的内存分配后，系统的内存变得零散而无法连续。虽有大空间，但却无法分配连续的空间。当有大空间申请时，只能是宕机完蛋。为了使系统达到原先的设计需求，我们在PC机上模拟了整个硬件，将嵌入式代码在 PC机上跑起来，并重载了malloc和free，做了个复杂的统计程序。统计系统的内存行为。运行了若干天以后，将数据提取出来分析，虽然申请的内存5花八门，还是有些规律，我们把100个字节以下的归为一类，512B的归为一类，1KB的归为一类，2KB归为一类，64KB一下归为一类。统计出每类的数量，在原先的基础上加上30%的余量。做成固定内存申请，使得系统稳定连续运行的时间大大加长。嵌入式就这样，不怕方法原始，就怕性能不达要求。内存溢出问题，内存溢出问题嵌入式系统比PC系统更可怕! 往往是没有察觉的就溢出了。都很难想到，尤其是C/C++的初学者，对指针不熟悉，查都没法查。由于PC系统有MMU，内存发生严重的越界时，有MMU的保护，不会产生严重的灾难后果。而嵌入式往往没有MMU，差别很大，系统代码都被破坏了还能跑。只是只有上帝和那个CPU才知道跑得是什么。我们来看看这段代码：char  *strcpy(char *dest, const char * src){           assert(dest != NULL && src != NULL);           while (*src != '\0')          {                   *dest++ = *src++;          }          *dest = '\0';         return (dest);}这个代码是一个字符串拷贝的代码，PC机这样写，基本上就可以了。但嵌入式要提防一件事情，那就是 src真的以'\0'结束的。要不是得话，那就悲剧了。到什么时候能结束，呵呵，只有上帝老人家才知道。这段代码侥幸能跑完成的话，估计也别想程序能正常的跑了。因为dest指向的内存区域都被破坏的差不多了。为了和标准C/C++的库兼容，还真的没什么好办法，所以这个问题只能留给程序员自己检查。相同的，memcpy( dest, src, n);内存拷贝同样的问题，要提防n传递个负值进去。这个是拷贝多少个字节，负值被强制类型转换成正的。变成一个很大的正数，造成dest之后的内存全部被破坏……嵌入式里的内存指针必须做严格的检查才能使用，内存的尺寸也必须进行严格的调试。不然的话，悲剧是很难避免的。如一个函数指针，虽然在嵌入式里赋了个NULL,0。若是ARM的话，连个异常错误都没有，直接复位了，因为调用这个函数指针即便是让代码从0开始运行。而0是ARM上电后运行的第一条代码的位置。在ARM7上尤其如此。这种悲剧比PC上悲情多了，MMU 定然给一个无定义指令的错误。引起程序员的重视。在嵌入式里，全部都留给了程序员去寻找了。内存溢出发生在任何一个不经意的时刻，你给整个前后台的系统(或操作系统)分配了多大的堆？多大的栈？在通常情况下系统的调用深度是多少(最大是多少)，占用多少栈？光看程序的功能正确还不够，还需要统计这些参数。不然，只要有一个地方有溢出。对系统都是致命的。嵌入式系统要求系统连续工作时间长，稳定性可靠性要求苛刻。是需要一些时间仔细的磨这些系统的。

嵌入式系统的调试往往很复杂，可用的手段并不像PC编程那么多，开发成本较PC系统也要大很多。嵌入式系统调试主要手段只有JTAG为代表的单步追踪、printf夹杀大法等。

这两种调试方法在嵌入式中也不尽然全部能解决问题。Jtag需要调试者有一个调试设备(有可能很昂贵)，和目标系统相连。使用类似GDB Client等软件登录调试设备，跟踪运行程序。说实话，这个方法对嵌入式来讲是终极的调试办法，也是比较好的调试方法。但仍然有几个不足,当断点过多时，超出硬件的限制，某些低档的CPU不支持更多的断点，就需要JTAG利用软件模拟，或采用软件陷阱(软中断或异常)等办法实现断点。机理比较复杂，简单点说，1.不能进行长时间调试，不太稳定; 2.有可能影响程序的运行时刻的行为，通过时序影响。挂接JTAG系统后，利用硬件实现的断点不会影响系统运行的速度，但是软件实现的断点是必定牺牲一些性能的。可靠性也要打折扣的。当断点太多，而系统又进入临界区域，可能会造成断点不起作用。因为嵌入式实现全局临界区域往往需要关闭中断，有些CPU没有非屏蔽中断，当断点超过一定数量，使用软件断点，而软件断点又需要在中断工作的情况下使用……特别调试时序问题和高速通信类的代码，JTAG帮助并不大。通信过程往往很快，通信包也是接二连三，才能完成一个完整的动作。如果是高速通讯，断点是无法让程序完成工作的。所以只能使用printf夹杀的办法，printf夹杀办法很好。但是也要注意几个问题：嵌入式系统往往没有屏幕，printf输出是通过串口输出。而串口工作模式有两种，一种是查询，另外一种是中断，或DMA。不管哪种，调试输出的printf只能使用查询的办法输出，千万不要使用中断或DMA的办法。不管是前后台程序也好，还是操作系统也好，都有不方便的时候，也许在全局临界内需要打印(关闭了中断)，也许需要在中断里打印(不允许嵌套中断)，也许要在一些驱动里打印(很多配合的设备没有初始化，内存分配和中断并不能很好的工作)。在这些情况下，利用Uart中断输出字符是不明智的。所以调试输出只能使用查询的办法。不要幻想着使用什么牛叉的办法，不必了。一句话，不可靠！既然做调试，那可靠的输出结果是第一要求。也就是因为如此，printf也会影响代码的工作效率，串口最高的波特率115200bps，越快速的CPU越是浪费时间，因为需要等待上一个字符输出完毕，这段时间完全是通过空转消耗这部分时间。所以使用printf要有一些技巧，在不影响一些关键时序的位置下再打印，而不是随意烂打……淹没了bug。以上这两种办法并不能很好的解决全部的问题，在实际中如果嵌入式系统有一两个LED灯，尝试用IO口将其在特殊的情况下点亮熄灭的办法，也可表示程序的状态。这种办法适合调试中断、临界区域这些问题。点量LED灯需要的时间是非常短的，基本上是一条内存读写命令，如果IO口寄存器是CPU统一编址的话。基本上造成的影响微乎其微。在调试一些复杂的时序的时候，还可以使用空闲的IO口，将其在特殊的情况下拉低，拔高，然后利用数字示波器或者逻辑分析仪抓取再具体分析。特别是分析一段代码的执行频度，执行时间，优化效果等。对整体的性能提升等，有非常大的意义。对于简单的单片机，厂商开发软件都有个时序统计的功能。但对于有cache和MMU的单片机，时序统计并不准，往往不如用示波器测得的准。如果没有示波器利用CPU内部的时间计数器也可以实现时间的统计，需要结合printf使用。我一个同事，调试飞利浦的ARM7，由于飞利浦ARM7外扩的RAM全部是静态RAM，即使在CPU死机情况下，只要不断电，SRAM里的数据也不会丢失，由于SRAM和内部的SRAM统一编址，所以，访问起来也就是一条读写指令，速度很快。利用这个特性，他把程序的模块和点全部标记上，当系统运行不正常，将ARM7复位以后，ARM7上电第一个工作就是取出复位前的数据打印出来。由此可调试ARM7的代码，非常巧妙的办法。如果只有SDRAM的朋友们是不能用这种办法的，因为只要系统复位，SDRAM没有刷新，数据即会丢失。

地球人都知道，嵌入式的最大挑战在于硬件和软件同时成熟；出了个问题，不知道是软件问题还是硬件问题。当然，可以通过虚拟的方式解决大部分问题，但虚拟终归是虚拟。不是实际，上了实际的板子，还是有不少问题。嵌入式领域，特别是底层技术，由软件(驱动)和硬件两个部分组成。解决起来，需要两个部分的知识，对人员的素质要求更高。我曾经遇到很多棘手的问题，都是复杂的系统问题。1、一个系统要求连续不断的24小时工作，即使断电，也要保存断电状态。在电源正常时，就必须恢复断电前的状态，继续工作。实际中，我们也这样做了软件，但是实际效果并不是所想得那样。一万次断电，总有那么几十次不正常；又没办法重现，只能是猜来猜去。因为系统断电，这个也不好调试，挂着JTAG，系统现在断电了，目标板也就没电了。也就没办法调试跟踪单步了。本来的设计思路是，控制电路利用电容存储的一些些能量在断电后继续工作，保存状态，保存好后，进入待机状态。测试检测断电的信号后，也是没有问题的。后来，这个问题变成悬疑问题了……这个系统分为两个模块，工作模块和控制模块。控制模块有电容继续供电，而工作模块没有电容工作；所以当发生断电时，全系统不是同一时间断电的。当控制模块检测到断电时，实际上工作模块早都没电了，所以工作模块不能正确的传递相关的数据回来，造成控制模块不能正确的工作。两个断电的时序非常的接近，无法判断其先后。解决的方法也很简单，就是把断电检测模块以工作模块为主进行同步，就没有问题了。2、还是断电保护的问题，我们用继电器模拟断电的情况上万次正常后，终于上整机实验了，结果经常发现断电无法正常保护的现象。仔细查看电路也没有什么异常，都是一样的。结果工程部指责我们研发部没有仔细测试，发出来的东西都是有问题的东西。哎，伤心啊。后来经过仔细的分析，我们认为，软件异常的可能性很小。主要问题还是在硬件上，硬件上的超级电容可能在频繁的断电下，没有存储够足够的能量，使得系统完成保护过程。那么究竟是什么造成频繁的断电呢？按照设计要求，超级电容在3~5s内就会充满到80%的能量，理论上足够了。又有什么会不到3~5s钟频繁的断电呢？说出来都匪夷所思，使用数字示波器不间断跟踪控制板的电源，才发现。原来是三相交流电需要接一个相位保护器，相位保护在系统工作时会频繁的开关(可能和系统的状态有关)。解决方法是，简单的把控制器的电源接在相位保护器前面就好了。这些问题看似都是硬件问题，也是在产品的调试过程中经常碰到的问题。这些问题，需要软件工作人员确认软件中的Bug是否能造成这种情况，然后，还需要硬件工程师确认硬件。当然，硬件的确认过程漫长复杂，并且调试手段非常有限;嵌入式软件的调试相对于硬件来讲，成本和收效都会好一些。所以往往需要嵌入式软件人员花很多时间确认软件问题，最后才怀疑硬件。作为嵌入式开发人员，能了解硬件的基本原理，结合软件的工作原理，和硬件工程师一起配合实验定位错误，是非常有效的办法。网上有些朋友经常问我一些问题。有关于底层的知识，其中不乏一些多处理器的问题。关于多处理器的问题，我也才疏学浅，说来与大家讨论一下，关于嵌入式领域的 多CPU的应用。嵌入式说来说去是计算机科学的应用领域之一。既然是计算科学的应用领域之一，那么要做好这个领域，必须有过硬的计算机理论知识。

首先多处理器分为好几种，处理器是同一型号，大家完全一样，通过一种通讯方式连接，如多口的RAM，rapidIO，千兆级以太网，或者PCI-E等；处理器不同型号，甚至架构都完全不一样。之间通过一种通讯方式连接，同上，如多口RAM、RapidIO等；同一个芯片中集成了多个CPU。这几个CPU什么都共享，属于比多口RAM还要紧耦合的系统。为什么要用多处理器？大规模的并行运算；想利用多个CPU的特点，如DM642这样的方案，应用于复杂的视频方案。想利用DSP的浮点计算能力，同时也使用ARM的事务计算能力；单纯的提高系统的性能。对于普通的应用，提高系统性能是基本出发点。但嵌入式系统应用多处理器并不是一个简单的事情。多处理器的软件设计难度很大，调试也是很大的问题。如果不采用操作系统处理，采用前后台系统。那么自己还要设计一个通信算法，还要设计一个结果整合系统。这样的系统自己设计很多东西，其中总线的可靠和容错设计至关重要。 所以可能的话，利用成熟稳定的操作系统来支持多处理器可以减少不少的开发难度。然而，寻找这样的一个操作系统并非易事。首先要明确自己的应用，需要线程进程迁移吗？需要处理器平衡吗? 对于多处理器，如果不支持线程进程迁移，那也就谈不上处理器任务的动态平衡，不然只能事前指定好线程进程运行于哪个处理器。对于异构型多处理器，线程迁移和进程迁移并没有多大的实际意义。对于追求利益的公司来说，目前还谈不上实用价值。所以，迁移只限于对称处理器。然而，对称处理器也不是什么进程可迁移。对于对称处理器，操作系统封装好底层，让用户开发起来像是对一个CPU再做开发，当然不可能与单个CPU完全一致，但起码减轻了许多难度。很多朋友问我RTEMS可以跑在x86这样的CMP的多处理器上吗？当然。但是，设计起来又不同于普通的对称多处理器。因为，CMP处理器上的CPU共享了许多东西，中断，内存，总线，他们的编址空间基本上都是一致的。对于RTEMS这样的RTOS来说，它采用的是异构型的方式支持对称处理器，即有几个CPU就得跑几个RTEMS。那么通讯显得尤为重要，多个RTEMS需要多个系统的TICK，那么TICK从哪里来，CMP共享着很多资源，那么就要求，使用者必须为RTEMS手动的指定中断源，划分内存空间，这就造成了，CMP上的多个CPU虽然都是跑RTEMS，但是想关于CPU的驱动很多都是不一样的。这种紧耦合的系统是非常难办的。

相对于CMP，同 种CPU组成的SMP就要简单一些，因为全部驱动都是一样的，可能会因为通信方式的问题，通信驱动要特殊处理一下，但这会极大的减轻了开发的压力和调试的难度。总好比每个CPU一个Core，那是要崩溃了。特别是调试问题，所以从经济角度的问题考虑，还是比较喜欢这种多个相同的单个CPU组成的多处理器系统。

很多时候，对于那个异构型的处理器，当然用RTEMS也可以轻松摆平，但是还是一个问题，多个核心需要自己的RTEMS支持，开发多有不便。况且，操作系统的调试还是比较复杂的。所以现实版的方案都是，异构型处理器当中负责事务运算的处理器跑操作系统，而负责计算的处理器采用前后台系统，简单的通过共享内存通讯，响应操作系统的计算请求。这样大大的减小了开发难度，反正操作系统把DSP当作了个硬件的寄存器，写几个寄存器就能得到结果，或者是输入一组天文一样的数据，得到一个复杂的结果。Anyway，总之这样的反应式的处理方式是绝大部分工程中采用的方式。就是简单、可靠、实用。看来，嵌入式系统中的多处理器还是与应用高度的相关

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