嵌入式軟件的發(fā)展

　　第一階段：早期的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通常是采用“硬件優(yōu)先”原則。即在只粗略估計(jì)軟件任務(wù)需求的情況下，首先進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。然后，在此硬件平臺之上，再進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。因而很難達(dá)到充分利用硬件軟件資源，取得最佳性能的效果。同時(shí)，一旦在測試時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，需要對設(shè)計(jì)進(jìn)行修改時(shí)，整個設(shè)計(jì)流程將重新進(jìn)行，對成本和設(shè)計(jì)周期的影響很大。這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法只能改善硬件/軟件各自的性能，在有限的設(shè)計(jì)空間不可能對系統(tǒng)做出較好的性能綜合優(yōu)化，在很大程度上依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)實(shí)驗(yàn)。

　　第二階段：90年代以來隨著電子系統(tǒng)功能的日益強(qiáng)大和微型化，系統(tǒng)設(shè)計(jì)所涉及的問題越來越多，難度也越來越大。同時(shí)硬件和軟件也不再是截然分開的兩個概念，而是緊密結(jié)合、相互影響的。因而出現(xiàn)了軟硬件協(xié)同（codesign）設(shè)計(jì)方法，即使用統(tǒng)一的方法和工具對軟硬件，協(xié)同設(shè)計(jì)軟硬件體系結(jié)構(gòu)，以最大限度地挖掘系統(tǒng)軟硬件能力，避免由于獨(dú)立設(shè)計(jì)軟硬件體系結(jié)構(gòu)而帶來的種種弊病，得到高性能低代價(jià)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

　　嵌入式軟件的開發(fā)流程

　　在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程中，一般采用的方法是現(xiàn)在通用PC機(jī)上編程；然后通過交叉編譯和鏈接，將程序做成目標(biāo)平臺上課運(yùn)行的二進(jìn)制代碼格式；最后將程序下載到目標(biāo)平臺上的特定位置，由目標(biāo)板上啟動代碼運(yùn)行這段二進(jìn)制代碼，從而運(yùn)行起嵌入式系統(tǒng)。

　　嵌入式軟件開發(fā)的基本流程：整個過程中的部分工作在主機(jī)上完成的，另一部分工作在目標(biāo)板上完成。首先，是在主機(jī)上的編程工作。純粹使用匯編代碼編寫源代碼，除了編寫困難外，調(diào)試和維護(hù)困難也是匯編代碼的難題；而c語言可直接對硬件進(jìn)行操作，而且又有高級語言程序結(jié)構(gòu)化、容易移植等優(yōu)點(diǎn)，因而嵌入式系統(tǒng)源代碼主要是由匯編語言和c語言混合編寫。源代碼編寫完成后容易保存為源文件，再用主機(jī)上建立的交叉編譯環(huán)境生成.obj文件，并且將.obj文件按照目標(biāo)板的要求鏈接成合適的.image文件。最后通過重定位機(jī)制和下載過程，將.image文件下載到目標(biāo)板上運(yùn)行。由于無法保證目標(biāo)板一次就可以運(yùn)行編譯、鏈接成功的程序，因此后期的調(diào)試排錯工作就特別重要。調(diào)試只能在運(yùn)行態(tài)完成，因此在主機(jī)和目標(biāo)板之間通過連接，由主機(jī)控制目標(biāo)板上程序的運(yùn)行，可達(dá)到調(diào)試內(nèi)核或者嵌入式應(yīng)用程序的目的。

　　作為從事了5年之久的嵌入式軟件開發(fā)，以下職責(zé)是必須要掌握的，嵌入式軟件工程師能根據(jù)項(xiàng)目管理和工程技術(shù)的實(shí)際要求，按照系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)規(guī)格進(jìn)行軟、硬件實(shí)際，編寫系統(tǒng)開發(fā)規(guī)格說明書等相應(yīng)的文檔;組織和指導(dǎo)嵌入式系統(tǒng)靠法實(shí)施人員實(shí)施硬件電路、編寫和調(diào)試程序，并對嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)備和程序進(jìn)行優(yōu)化和集成測試，開發(fā)出符合系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求的高質(zhì)量嵌入式系統(tǒng);具有工程師的實(shí)際工作能力和業(yè)務(wù)水平。

　　同時(shí)在這樣一個技術(shù)日進(jìn)千里的時(shí)代中，嵌入式軟件開發(fā)工程師該干嘛，我給出大家列一個嵌入式軟件開發(fā)流程，對你一定有所幫助。

　　1.學(xué)習(xí)那些讓因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，建議嵌入式工程師學(xué)習(xí)因特網(wǎng)有關(guān)的技術(shù)，對職業(yè)生涯發(fā)展會有加分效果。

　　2.學(xué)習(xí)利用搜索引擎，不要閉門造車，要善用開放源碼世界的信息，很多常見的設(shè)計(jì)問題其實(shí)透過因特網(wǎng)就能找到同領(lǐng)域菁英貢獻(xiàn)的程序代碼，與同領(lǐng)域的其他工程師們相互交流、互相幫助。

　　3.離開舒適圈，走出舒適圈，挑戰(zhàn)自我、去學(xué)習(xí)原本不熟悉的東西，包括工程以外的知識。

　　4.熟悉實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，嵌入式工程師從一些較小型的系統(tǒng)著手，累積相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

　　5.培養(yǎng)多元化技能與系統(tǒng)觀，嘗試著去開發(fā)手機(jī)應(yīng)用程序、或者是學(xué)習(xí)后端服務(wù)器的相關(guān)技術(shù)，能讓你開啟完全不同的觀點(diǎn)，去熟悉開放性硬件，現(xiàn)在市面上有不少現(xiàn)成的開發(fā)板，能讓工程 師專注于學(xué)習(xí)獨(dú)特算法的開發(fā)。

　　6.了解軟件也要了解新的處理器，除了要深入了解C或C++等基本程序語言，有時(shí)也要認(rèn)識一些熱門的新程序語言以因應(yīng)特殊設(shè)計(jì)需求，但更重要的是了解新的處理器技術(shù);處理器才是嵌入式系統(tǒng)的本質(zhì)。

　　7.要能熟悉開放源碼軟件，建議工程師避免只專長單一領(lǐng)域，因?yàn)槟强赡軙璧K你的成長。對 嵌入式工程師來說，確保自己對軟硬件技術(shù)都很了解，是非常寶貴的價(jià)值。

　　8.建立系統(tǒng)級的工程思維，嵌入式工程師擁有系統(tǒng)導(dǎo)向的思維是很重要的，此外每個嵌入式工程師都應(yīng)該具備優(yōu)良的項(xiàng)目管理技巧，力求準(zhǔn)時(shí)完成負(fù)責(zé)的項(xiàng)目。

　　9.要能明確表達(dá)自己的想法與意見透過文字或繪圖，無論是哪一種工程師，都需要能有效表達(dá)自己的想法與意見。

　　10.學(xué)習(xí)無線連結(jié)技術(shù)，嵌入式工程師需要在接下來1—3年學(xué)習(xí)無線連結(jié)技術(shù)，特別是Wi-Fi與藍(lán)牙低功耗;因?yàn)楝F(xiàn)在的嵌入式設(shè)備與使用者智能手機(jī)連結(jié)的主要方式。

　　嵌入式軟件的調(diào)試

　　在嵌入式軟件開發(fā)過程中，一般來說，花在測試和花在編碼的時(shí)間比為3:1（實(shí)際上可能更多）。這個比例隨著你的編程和測試水平的提高而不斷下降，但不論怎樣，軟件測試對一般人來講很重要。很多年前，一位開發(fā)人員為了對嵌入式有更深層次的理解，向Oracle詢問了這樣的一個問題：我怎么才能知道并懂得我的系統(tǒng)到底在干些什么呢？　Oracle面對這個問題有些吃驚，因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)沒有人這么問過，而同時(shí)代的嵌入式開發(fā)人員問的最多的大都圍繞“我怎么才能使程序跑的更快”、“什么編譯器最好”等膚淺的問題。所以，面對這個不同尋常卻異乎成熟的問題，Oracle感到欣喜并認(rèn)真回復(fù)了他：你的問題很有深度很成熟，因?yàn)橹挥胁粩嗟厝ド钊肜斫獠庞锌赡懿粩嗟靥岣咚健２⑶襉racle為了鼓勵這位執(zhí)著的程序員，把10條關(guān)于嵌入式軟件開發(fā)測試的秘訣告訴了他：

　　1.懂得使用工具

　　2.盡早發(fā)現(xiàn)內(nèi)存問題

　　3.深入理解代碼優(yōu)化

　　4.不要讓自己大海撈針

　　5.重現(xiàn)并隔離問題

　　6.以退為進(jìn)

　　7.確定測試的完整性

　　8.提高代碼質(zhì)量意味著節(jié)省時(shí)間

　　9.發(fā)現(xiàn)它，分析它，解決它

　　10.利用初學(xué)者的思維

　　這十條秘訣在業(yè)界廣為流傳，使很多人受益。本文圍繞這十條秘訣展開論述。

　　1.懂得使用工具

　　通常嵌入式系統(tǒng)對可靠性的要求比較高。嵌入式系統(tǒng)安全性的失效可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，即使是非安全性系統(tǒng)，由于大批量生產(chǎn)也會導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。這就要求對嵌入式系統(tǒng)，包括嵌入式軟件進(jìn)行嚴(yán)格的測試、確認(rèn)和驗(yàn)證。隨著越來越多的領(lǐng)域使用軟件和微處理器控制各種嵌入式設(shè)備，對門益復(fù)雜的嵌入式軟件進(jìn)行快速有效的測試愈加顯得重要。

　　就象修車需要工具一樣，好的程序員應(yīng)該能夠熟練運(yùn)用各種軟件工具。不同的工具，有不同的使用范圍，有不同的功能。使用這些工具，你可以看到你的系統(tǒng)在干些什么，它又占用什么資源，它到底和哪些外界的東西打交道。讓你郁悶好幾天的問題可能通過某個工具就能輕松搞定，可惜你就是不知道。那么為什么那么多的人總是在折騰個半死之后才想到要用測試工具呢？原因很多，主要有兩個。一個是害怕，另一個是惰性。害怕是因?yàn)榧尤霚y試用具或測試模塊到代碼需要技巧同時(shí)有可能引入新的錯誤，所以他們總喜歡寄希望于通過不斷地修改重編譯代碼來消除bug，結(jié)果卻無濟(jì)于事。懶惰是因?yàn)樗麄兞?xí)慣了使用printf之類的簡單測試手段。下面來介紹一些嵌入式常用的測試工具。

　　2.盡早發(fā)現(xiàn)內(nèi)存問題

　　內(nèi)存問題危害很大，不容易排查，主要有三種類型：內(nèi)存泄露、內(nèi)存碎片和內(nèi)存崩潰。對于內(nèi)存問題態(tài)度必須要明確，那就是早發(fā)現(xiàn)早“治療”。在軟件設(shè)計(jì)中，內(nèi)存泄露的“名氣”最大，主要由于不斷分配的內(nèi)存無法及時(shí)地被釋放，久而久之，系統(tǒng)的內(nèi)存耗盡。即使細(xì)心的編程老手有時(shí)后也會遭遇內(nèi)存泄露問題。有測試過內(nèi)存泄露的朋友估計(jì)都有深刻地體驗(yàn)，那就是內(nèi)存泄露問題一般隱藏很深，很難通過代碼閱讀來發(fā)現(xiàn)。有些內(nèi)存泄露甚至可能出現(xiàn)在庫當(dāng)中。有可能這本身是庫中的bug，也有可能是因?yàn)槌绦騿T沒有正確理解它們的接口說明文檔造成錯用。

　　在很多時(shí)候，大多數(shù)的內(nèi)存泄露問題無法探測，但可能表現(xiàn)為隨機(jī)的故障。程序員們往往會把這種現(xiàn)象怪罪于硬件問題。如果用戶對系統(tǒng)穩(wěn)定性不是很高，那么重啟系統(tǒng)問題也不大;但，如果用戶對系統(tǒng)穩(wěn)定很高，那么這種故障就有可能使用戶對產(chǎn)品失去信心，同時(shí)也意味著你的項(xiàng)目是個失敗的項(xiàng)目。由于內(nèi)存泄露危害巨大，現(xiàn)在已經(jīng)有許多工具來解決這個問題。這些工具通過查找沒有引用或重復(fù)使用的代碼塊、垃圾內(nèi)存收集、庫跟蹤等技術(shù)來發(fā)現(xiàn)內(nèi)存泄露的問題。每個工具都有利有弊，不過總的來說，用要比不用好?？傊?，負(fù)責(zé)的開發(fā)人員應(yīng)該去測試內(nèi)存泄露的問題，做到防患于未然。

　　內(nèi)存碎片比內(nèi)存泄露隱藏還要深。隨著內(nèi)存的不斷分配并釋放，大塊內(nèi)存不斷分解為小塊內(nèi)存，從而形成碎片，久而久之，當(dāng)需要申請大塊內(nèi)存是，有可能就會失敗。如果系統(tǒng)內(nèi)存夠大，那么堅(jiān)持的時(shí)間會長一些，但最終還是逃不出分配失敗的厄運(yùn)。在使用動態(tài)分配的系統(tǒng)中，內(nèi)存碎片經(jīng)常發(fā)生。目前，解決這個問題最效的方法就是使用工具通過顯示系統(tǒng)中內(nèi)存的使用情況來發(fā)現(xiàn)誰是導(dǎo)致內(nèi)存碎片的罪魁禍?zhǔn)?，然后改進(jìn)相應(yīng)的部分。

　　由于動態(tài)內(nèi)存管理的種種問題，在嵌入式應(yīng)用中，很多公司干脆就禁用malloc/free的以絕后患。

　　內(nèi)存崩潰是內(nèi)存使用最嚴(yán)重的結(jié)果，主要原因有數(shù)組訪問越界、寫已經(jīng)釋放的內(nèi)存、指針計(jì)算錯誤、訪問堆棧地址越界等等。這種內(nèi)存崩潰造成系統(tǒng)故障是隨機(jī)的，而且很難查找，目前提供用于排查的工具也很少。

　　總之，如果要使用內(nèi)存管理單元的話，必須要小心，并嚴(yán)格遵守它們的使用規(guī)則，比如誰分配誰釋放。

　　3.深入理解代碼優(yōu)化

　　講到系統(tǒng)穩(wěn)定性，人們更多地會想到實(shí)時(shí)性和速度，因?yàn)榇a效率對嵌入式系統(tǒng)來說太重要了。知道怎么優(yōu)化代碼是每個嵌入式軟件開發(fā)人員必須具備的技能。就象女孩子減肥一樣，起碼知道她哪個地方最需要減，才能去購買減肥藥或器材來減掉它?？梢?，代碼優(yōu)化的前提是找到真正需要優(yōu)化的地方，然后對癥下藥，優(yōu)化相應(yīng)部分的代碼。前面提到的profile（性能分析工具，一些功能齊全I(xiàn)DE都提供這種內(nèi)置的工具）能夠記錄各種情況比如各個任務(wù)的CPU占用率、各個任務(wù)的優(yōu)先級是否分配妥當(dāng)、某個數(shù)據(jù)被拷貝了多少次、訪問磁盤多少次、是否調(diào)用了網(wǎng)絡(luò)收發(fā)的程序、測試代碼是否已經(jīng)關(guān)閉等等。

　　但是，profile工具在分析實(shí)時(shí)系統(tǒng)性能方面還是有不夠的地方。一方面，人們使用profile工具往往是在系統(tǒng)出現(xiàn)問題即CPU耗盡之后，而profile工具本身對CPU占用較大，所以profile對這種情況很可能不起作用。根據(jù)Heisenberg效應(yīng)，任何測試手段或多或少都會改變系統(tǒng)運(yùn)行，這個對profiler同樣適用！

　　總之，提高運(yùn)行效率的前提是你必須要知道CPU到底干了些什么干的怎么樣。

　　4.不要讓自己大海撈針

　　大海撈針只是對調(diào)試的一種生動比喻。

　　經(jīng)常聽到組里有人對自己正在調(diào)試的代碼說shit！可以理解，因?yàn)榇a不是他寫的，他有足夠的理由去shit bug百出的代碼，只要他自己不要寫出這種代碼，否則有一天同組的其它人可能同樣會shit他寫的代碼。為何會有大海撈針呢？肯定是有人把針掉到海里咯;那針為何會掉在海里呢？肯定是有人不小心或草率唄。所以當(dāng)你在抱怨針那么難找的時(shí)候，你是否想過是你自己草率地丟掉的。同樣，當(dāng)你調(diào)試個半死的時(shí)候，你是否想過你要好好反省一下當(dāng)初為了尋求捷徑可能沒有嚴(yán)格地遵守好的編碼設(shè)計(jì)規(guī)范、沒有檢測一些假設(shè)條件或算法的正確性、沒有將一些可能存在問題的代碼打上記號呢？關(guān)于如何寫高質(zhì)量請參考林銳的《高質(zhì)量c++/c編程指南》或《關(guān)于C的0x8本“經(jīng)書”》。

　　如果你確實(shí)已經(jīng)把針掉在海里是，為了防止在找到之前刺到自己，你必須要做一些防范工作，比如戴上安全手套。同樣，為了盡能地暴露和捕捉問題根源，我們可以設(shè)計(jì)比較全面的錯誤跟蹤代碼。怎么來做呢？盡可能對每個函數(shù)調(diào)用失敗作出處理，盡可能檢測每個參數(shù)輸入輸出的有效性包括指針以及檢測是否過多或過少地調(diào)用某個過程。錯誤跟蹤能夠讓你知道你大概把針掉在哪個位置。

　　5.重現(xiàn)并隔離問題

　　如果你不是把針掉在大海了，而是掉在草堆里，那要好辦寫。因?yàn)橹辽傥覀兛梢园巡荻逊殖珊芏鄩K，一塊一塊的找。對于模塊獨(dú)立的大型項(xiàng)目，使用隔離方法往往是對付那些隱藏極深bug的最后方法。如果問題的出現(xiàn)是間歇性的，我們有必要設(shè)法去重現(xiàn)它并記錄使其重現(xiàn)的整個過程以備在下一次可以利用這些條件去重現(xiàn)問題。如果你確信可以使用記錄的那些條件去重現(xiàn)問題，那么我們就可以著手去隔離問題。怎么隔離呢？我們可以用#ifdef把一些可能和問題無關(guān)的代碼關(guān)閉，把系統(tǒng)最小化到仍能夠重現(xiàn)問題的地步。如果還是無法定位問題所在，那么有必要打開“工具箱”了?？梢栽囍肐CE或數(shù)據(jù)監(jiān)視器去查看某個可疑變量的變化;可以使用跟蹤工具獲得函數(shù)調(diào)用的情況包括參數(shù)的傳遞;檢查內(nèi)存是否崩潰以及堆棧溢出的問題。

　　6.以退為進(jìn)

　　獵人為了不使自己在森林里迷路，他常常會在樹木上流下一些標(biāo)記，以備自己將來有一天迷路時(shí)可以根據(jù)這些標(biāo)記找到出路。對過去代碼的修改進(jìn)行跟蹤記錄對將來出現(xiàn)問題之后的調(diào)試很有幫助。假如有一天，你最近一次修改的程序跑了很久之后忽然死掉了，那么你這時(shí)的第一反映就是我到底改動了些什么呢，因?yàn)樯洗涡薷闹笆呛玫?。那么如何檢測這次相對于上次的修改呢？沒錯，代碼控制系統(tǒng)SCS或稱版本控制系統(tǒng)VCS（Concurrent Version Control，CVS是VCS的演化版本）。將上個版本check in下來后和當(dāng)前測試版本比較。比較的工具可以是SCS/VCS/CVS自帶的diff工具或其它功能更強(qiáng)的比較工具，比如BeyondCompare和ExamDiff。通過比較，記錄所有改動的代碼，分析所有可能導(dǎo)致問題的可疑代碼。

　　7.確定測試的完整性

　　你怎么知道你的測試有多全面呢？覆蓋測試（coverage testing）可以回答這個問題。覆蓋測試工具可以告訴你CPU到底執(zhí)行了那些代碼。好的覆蓋工具通常可以告訴你大概20%到40%代碼沒有問題，而其余的可能存在bug。覆蓋工具有不同的測試級別，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇某個級別。即使你很確信你的單元測試已經(jīng)很全面并且沒有dead code，覆蓋工具還是可以為你指出一些潛在的問題，看下面的代碼：

　　if （i 》= 0 && （almostAlwaysZero == 0 || （last = i）））

　　如果almostAlwaysZero為非0，那么last=i賦值語句就被跳過，這可能不是你所期望的。這種問題通過覆蓋工具的條件測試功能可以輕松的被發(fā)現(xiàn)。

　　總之，覆蓋測試對于提高代碼質(zhì)量很有幫助。

　　8.提高代碼質(zhì)量意味著節(jié)省時(shí)間

　　有研究表明軟件開發(fā)的時(shí)間超過80%被用在下面幾個方面：

　　調(diào)試自己的代碼（單元測試）

　　調(diào)試自己和其他相關(guān)的代碼（模塊間測試）

　　調(diào)試整個系統(tǒng)（系統(tǒng)測試）

　　更糟糕的是你可能需要花費(fèi)10-200倍的時(shí)間來找一個bug，而這個bug在開始的時(shí)候可能很容易就能找到。一個小bug可能讓你付出巨大的代價(jià)，即使這個bug對整個系統(tǒng)的性能沒有太大的影響，但很可能會影響讓那些你可以看得到的部分。所以我們必須要養(yǎng)成良好的編碼和測試手段以求更高的代碼質(zhì)量，以便縮短調(diào)試的代碼。

　　9.發(fā)現(xiàn)它，分析它，解決它

　　這世界沒有萬能的膏藥。profile再強(qiáng)大也有力不從心的時(shí)候;內(nèi)存監(jiān)視器再好，也有無法發(fā)現(xiàn)的時(shí)候;覆蓋工具再好用，也有不能覆蓋的地方。一些隱藏很深的問題即使用盡所有工具也有可能無法查到其根源，這時(shí)我們能做的就是通過這些問題所表現(xiàn)出來的外在現(xiàn)象或一些數(shù)據(jù)輸出來發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律或異常。一旦發(fā)現(xiàn)任何異常，一定要深入地理解并回溯其根源，直到解決為止。

　　10.利用初學(xué)者的思維

　　有人這樣說過：“有些事情在初學(xué)者的腦子里可能有各種各樣的情況，可在專家的頭腦里可能就很單一”。有時(shí)候，有些簡單的問題會被想的很復(fù)雜，有些簡單的系統(tǒng)別設(shè)計(jì)的很復(fù)雜，就是由于你的“專家思維”。當(dāng)你被問題難住時(shí)，關(guān)掉電腦，出去走走，把你的問題和你的朋友甚至你的小狗說說，或許他們可以給你意想不到的啟發(fā)。

　　總結(jié)：嵌入式調(diào)試也是一門藝術(shù)。就想其它的藝術(shù)一樣，如果你想取得成功，你必須具備智慧、經(jīng)驗(yàn)并懂得使用工具。只要我們能夠很好地領(lǐng)悟Oracle這十條秘訣，我相信我們在嵌入式測試方面就能夠取得成功。