嵌入式系統/嵌入式系統基礎

嵌入式系統編程與普通個人計算機的編程很不一樣。從很多方面來說，在一個嵌入式系統上編程，就如同在一台十幾年前的計算機上編程一樣。

通常，工程師為了儘可能降低成本而選擇系統的硬件。「物盡其用」，幾乎沒有任何多餘。如果你想在一個部件上多花一塊錢，而使設計、編程的工作簡化（比如用一塊微控制器代替一些簡單電子開關），那麼整個產品的生產就可能因此多耗資百萬。相較之下，僱傭一位額外的工程師，會更划算。這種得失取捨會伴隨在整個設計、製造、維護過程中。

這種情況，意味着程式設計師必須付出很多額外的努力，以應對很慢的處理器和非常有限的內存，同時達到很高的效用和符合要求的功能。嵌入式系統編程與通用計算機編程的不同點主要歸結為：更少、更弱的硬件資源；更複雜、更難的功能需求。

工具

嵌入式開發是整個編程開發領域的一部分，具有編程開發的通性，同時又有自身特色。

嵌入式系統擁有眾多架構，51、AVR、AVR32、ARM、Freescale等等，從8位到16位，直至32位。而通用計算只有有限幾種，PC被x86佔去超過90%的份額。

這意味着，開發工具將會很少，也更難以獲得，其效能也難令人滿意。至今不少AVR開發者還在使用1997年推出的ICC AVR 7.x開發工具，它簡陋、緩慢，而且還有很多編譯器缺陷，但價格不菲。ARM開發者常使用Keil，Keil昂貴且非常難用，但他們沒有選擇。

用於AVR單片機的JTAG調試器

程序調試是個大難題。我們編譯好的程序並不是在我們的電腦上運行，而是在另一個嵌入式微處理器裏面運行，通常「測試」是指通過物理設備（如JTAG調試器）連接兩個部分，以控制斷點暫停和繼續。由於調試設備和實際運行的設備是分離的，我們無法保證在任何情況下進行測試。並且斷點會影響系統運行，有時我們是無法讓設備暫停的，比如一個正處於高速運轉狀態的馬達。這為測試工作帶來了極大的困難，有時僅能通過系統的運行狀態和一些指示燈來判斷是哪裏出了問題。因此有時要藉助一些不同尋常的方法：通過一些端口來輸出當前運行狀態到指示燈、顯示器或者揚聲器。相應地，在代碼中要增加一些輸出狀態的冗餘代碼，這些代碼和指示器或許並不會出現在最終的產品中，但它們是測試過程中不可或缺的。

資源

處理器

為了節約成本，嵌入式系統通常採用能完成任務的最廉價的處理器。這意味着您的程序需要非常高效。當處理大數據時，一些高速緩存不足的情況會給您帶來極大困擾，而您在PC編程的時候幾乎不會遇到這種問題。幸運的是，這種情況在嵌入式系統中也並不是很頻繁地出現，您只需使用儘可能高效的算法，並在必要的時候加以優化就好了。然而，性能分析工具(Profiler)通常不會起到很大的作用，有時甚至會產生致命錯誤。同樣的，程序調試工具(Debugger)作用也非常有限。因此關鍵在於開發者對軟件和硬件細節的理解程度。

存儲

存儲同樣是一個短板。同樣是由於成本原因，嵌入式系統通常只有能完成任務的最少存儲。越少的存儲意味着越低的成本，但同時也對軟件和數據提出了更高的要求。算法需要儘可能節約內存（RAM），數據儘可能被壓縮。內存泄露(Memory leak)是毀滅性的，應當在被杜絕。嵌入式系統中通常採用決定性內存管理技術(deterministic memory technique)，避免使用默認的「new」和「malloc」方法。因此內存泄露問題能更容易被發現和剔除。

其他

其他資源可能是不存在的，比如單獨的顯示卡，片外存儲，浮點運算單元(FPU)等等。缺少資源，迫使開發者另闢蹊徑。嵌入式系統設計充滿了挑戰和創造性。

實時

嵌入式系統要頻繁地控制硬件，系統必須能夠進行即時的響應。如果不能在規定時間內完成響應，會引發系統誤差、錯誤，甚至毀滅性損傷。

由於資源限制，這項要求變得更具挑戰性：低端的處理器往往很難在短時間內完成複雜運算並響應。為任務設定優先級可以保證那些最關鍵的任務被優先執行，從而避免錯誤的發生。

定點算術

浮點運算單元(FPU)並不是所有嵌入式微處理器的必要組成部分。也就是說一些底端嵌入式微處理器是沒有浮點運算單元的。為此，編程時，不得不使用定點運算以達到同樣目的。

一種常用的技術便是：改變存儲數據的大小，使之包含在定點數所能表示的範圍內。比如，你有一些數據要存儲：0.1，0.023，1.01。而定點數有兩個字節，只能表示0~65536的整數。那麼我們就可以將這些數據等比例放大，變成100，23，1010，這樣便能夠通過定點數進行表示。這項技術需要你提前知道數據會有多大，這有時會很困難。

雖然有很多困難，但定點運算還是能幫助我們實現大部分功能。