Cơ Sở Kỹ Thuật Của Phần Mềm Nhúng Là Gì, Lập Trình Nhúng Là Gì Update 07/2021

Phần mềm nhúng là gì?

Phần mềm nhúng là một chương trình được viết, biên dịch trên máy tính và nạp vào một hệ thống khác (gọi tắt là KIT) bao gồm một hoặc nhiều bộ vi xử lý đã được cài sẵn một hệ điều hành, bộ nhớ ghi chép được, các cổng giao tiếp với các phần cứng khác…

Phần mềm nhúng là phần mềm tạo nên phần hồn, phần trí tuệ của các sản phẩm nhúng. Phần mềm nhúng ngày càng có tỷ lệ giá trị cao trong giá trị của các sản phẩm nhúng.

Đang xem: Phần mềm nhúng là gì

Hiện nay phần lớn các phần mềm nhúng nằm trong các sản phẩm truyền thông và các sản phẩm điện tử tiêu dùng (consumer electronics), tiếp đến là trong các sản phẩm ô tô, phương tiện vận chuyển, máy móc thiết bị y tế, các thiết bị năng lượng, các thiết bị cảnh báo bảo vệ và các sản phẩm đo và điều khiển.

Để có thể tồn tại và phát triển, các sản phẩm công nghiệp và tiêu dùng cần phải thường xuyên đổi mới và ngày càng có nhiều chức năng tiện dụng và thông minh hơn. Các chức năng này phần lớn do các chương trình nhúng tạo nên. Phần mềm nhúng là một lĩnh vực công nghệ then chốt cho sự phát triển kinh tế của nhiều quốc gia trên thế giới như Nhật Bản, Hàn Quốc, Phần Lan và Trung quốc. Tại Mỹ có nhiều chương trình hỗ trợ của Nhà nước để phát triển các hệ thống và phần mềm nhúng. Hàn Quốc có những dự án lớn nhằm phát triển công nghệ phần mềm nhúng như các thiết bị gia dụng nối mạng Internet, hệ thống phần mềm nhúng cho phát triển thành phố thông minh, dự án phát triển ngành công nghiệp phần mềm nhúng, trung tâm hỗ trợ các ngành công nghiệp hậu PC…. Thụy Điển coi phát triển các hệ nhúng có tầm quan trọng chiến lược cho sự phát triển của đất nước. Phần Lan có những chính sách quốc gia tích cực cho nghiên cứu phát triển các hệ nhúng đặc biệt là các phần mềm nhúng. Những quốc gia này còn thành lập nhiều viện nghiên cứu và trung tâm phát triển các hệ nhúng.

Xem thêm: Đầu Tư Forex: Hướng Dẫn Cách Chơi Fx, Hướng Dẫn Chơi Forex Cho Người Mới Bắt Đầu

Đặc điểm của phần mềm nhúng

Hiện nay phần mềm nhúng có một số đặc điểm sau nổi bật:

Phần mềm nhúng phát triển theo hướng chức năng hóa đặc thù. Hạn chế về tài nguyên bộ nhớ. Yêu cầu thời gian thực.

Quy trình phát triển của phần mềm nhúng

*

Hình 4.1: Quá trình biên dịch và phát triển phần mềm nhúng

Quá trình biên dịch (Computing):

Nhiệm vụ chính của bộ biên dịch là chuyển đổi chương trình được viết bằng ngôn ngữ thân thiện với con người ví dụ như C, C++,…thành tập mã lệnh tương đương có thể đọc và hiểu bởi bộ vi xử lý đích. Theo cách hiểu này thì bản chất một bộ hợp ngữ cũng là một bộ biên dịch để chuyển đổi một – một từ một dòng lệnh hợp ngữ thành một dạng mã lệnh tương đương cho bộ vi xử lý có thể hiểu và thực thi. Chính vì vậy đôi khi người ta vẫn nhầm hiểu giữa khái niệm bộ hợp ngữ và bộ biên dịch. Tuy nhiên việc biên dịch của bộ hợp ngữ sẽ được thực thi đơn giản hơn rất nhiều so với các bộ biên dịch cho các mã nguồn viết bằng ngôn ngữ bậc cao khác.

Mỗi một bộ xử lý thường có riêng ngôn ngữ máy vì vậy cần phải chọn lựa một bộ biên dịch phù hợp để có thể chuyển đổi chính xác thành dạng mã máy tương ứng với bộ xử lý đích. Đối với các hệ thống nhúng, bộ biên dịch là một chương trình ứng dụng luôn được thực thi trên máy chủ (môi trường phát triển chương trình) và còn có tên gọi là bộ biên dịch chéo (cross – compiler). Vì bộ biên dịch chạy trên một nền phần cứng để tạo ra mã chương trình chạy trên môi trường phần cứng khác. Việc sử dụng bộ biên dịch chéo này là một thành phần không thể thiếu trong quá trình phát triển phần mềm cho hệ nhúng. Các bộ biên dịch chéo thường có thể cấu hình để thực thi việc chuyển đổi cho nhiều nền phần cứng khác nhau một cách linh hoạt. Và việc lựa chọn cấu hình biên dịch tương ứng với các nền phần cứng đôi khi cũng khá độc lập với chương trình ứng dụng của bộ biên dịch.

Kết quả đầu tiên của quá trình biên dịch nhận được là một dạng mã lệnh được biết tới với tên gọi là tệp đối tượng (object file). Nội dung của tệp đối tượng này có thể được xem như là một cấu trúc dữ liệu trung gian và thường được định nghĩa như một định dạng chuẩn COFF (Common Object File Format) hay định dạng của bộ liên kết mở rộng ELF (Extended Linker Format)… Nếu sử dụng nhiều bộ biên dịch cho các modul mã nguồn của một chương trình lớn thì cần phải đảm bảo rằng các tệp đối tượng được tạo ra phải có chung một kiểu định dạng.

Hầu hết nội dung của các tệp đối tượng đều bắt đầu bởi một phần header để mô tả các phần theo sau. Mỗi một phần sẽ chứa một hoặc nhiều khối mã hoặc dữ liệu như được sử dụng trong tệp mã nguồn. Tuy nhiên các khối đó được nhóm lại bởi bộ biên dịch vào trong các phần liên quan. Ví dụ như tất cả các khối mã được nhóm lại vào trong một phần được gọi là text, các biến toàn cục đã được khởi tạo (cùng các giá trị khởi tạo của chúng) vào trong phần dữ liệu, và các biến toàn cục chưa được khởi tạo vào trong phần bss.

Cũng khá phổ biến thường có một bảng biểu tượng chứa trong nội dung của tệp đối tượng. Nó chứa tên và địa chỉ của tất cả các biến và hàm được tham chiếu trong tệp mã nguồn. Các phần chứa trong bảng này không phải lúc nào cũng đầy đủ vì có một số biến và hàm được định nghĩa và chứa trong các tệp mã nguồn khác. Chính vì vậy cần phải có bộ liên kết để thực thi xử lý vấn đề này.

Quá trình liên kết (Linking):

Tất cả các tệp đối tượng nhận được sau bước thực hiện biên dịch đầu tiên đều phải được tổ hợp lại theo một cách đặc biệt trước khi nó được nạp và chạy ở trên môi trường phần cứng đích. Như đã thấy ở trên, bản thân các tệp đối tượng cũng có thể là chưa hoàn thiện vì vậy bộ liên kết phải xử lý để tổ hợp các tệp đối tượng đó với nhau và hoàn thiện nốt phần còn khuyết cho các biến hoặc hàm tham chiếu liên thông giữa các tệp mã nguồn được biên dịch độc lập.

Kết quả đầu ra của bộ liên kết là một tệp đối tượng mới có chứa tất cả mã và dữ liệu trong tệp mã nguồn và cùng kiểu định dạng tệp.

Xem thêm: cách chơi xổ số điện toán vietlott

Nó thực thi được điều này bằng cách tổ hợp một cách tương ứng các phần text, dữ liệu và phần bss …từ các tệp đầu vào và tạo ra một tệp đối tượng theo định dạng mã máy thống nhất. Trong qúa trình bộ liên kết thực hiện tổ hợp các phần nội dung tương ứng nó còn thực hiện thêm cả vấn đề hoàn chỉnh các địa chỉ tham chiếu của các biến và hàm chưa được đầy đủ trong bước thực hiện biên dịch.

Các bộ liên kết có thể được kích hoạt thực hiện độc lập với bộ biên dịch và các tệp đối tượng được tạo ra bởi bộ biên dịch được coi như các tham biến vào. Đối với các ứng dụng nhúng nó thường chứa phần mã khởi tạo đã được biên dịch cũng phải được gộp ở trong danh sách tham biến vào này.

Nếu cùng một biểu tượng được khai báo hơn một lần nằm trong một tệp đối tượng thì bộ liên kết sẽ không thể xử lý. Nó sẽ kích hoạt cơ chế báo lỗi để người phát triển chương trình xem xét lại. Hoặc khi một biểu tượng không thể tìm được địa chỉ tham chiếu thực trong toàn bộ các tệp đối tượng thì bộ liên kết sẽ cố gắng tự giải quyết theo khả năng cho phép dựa vào các thông tin ví dụ như chứa trong phần mô tả của thư viện chuẩn. Điều này cũng thường hoặc có thể gặp với trường hợp các hàm tham chiếu trong chương trình.

Rất đáng tiếc là các hàm thư viện chuẩn thường yêu cầu một vài thay đổi trước khi nó có thể được sử dụng trong chương trình ứng dụng nhúng. Vấn đề ở đây là các thư viện chuẩn cung cấp cho các bộ công cụ phát triển chỉ dừng đến khả năng định dạng và tạo ra tệp đối tượng. Hơn nữa chúng ta cũng rất ít khi có thể truy nhập được vào mã nguồn của các thư viện chuẩn để có thể tự thay đổi. Hiện nay cũng có một số nhà cung cấp dịch vụ phần mềm hỗ trợ công cụ chuyển đổi hay thay đổi thư viện C chuẩn để ứng dụng cho các ứng dụng nhúng, ví dụ như Cygnus. Gói phần mềm này được gọi là newlib và được cung cấp miễn phí. Chúng ta có thể tải về trang web của Cygnus. Nó sẽ hỗ trợ chúng ta giải quyết vấn đề mà bộ liên kết có thể gặp phải khi chương trình sử dụng các hàm thuộc thư viện C chuẩn.

Sau khi đã hợp nhất thành công tất cả các thành phần mã và phần dữ liệu tương ứng cũng như các vấn đề về tham chiếu tới các biểu tượng chưa được thực thi trong quá trình biên dịch đơn lẻ, bộ liên kết sẽ tạo ra một bản sao đặc biệt của chương trình có khả năng định vị lại (relocatable). Hay nói cách khác, chương trình được hoàn thiện ngoại trừ một điều: Không có địa chỉ bộ nhớ nào chưa được gán bên trong các phần mã và dữ liệu. Nếu chúng ta không phải là đang phát triển phần mềm cho hệ nhúng thì quá trình biên dịch có thể kết thúc tại đây. Tuy nhiên, với hệ nhúng ngay cả hệ thống nhúng đã bao gồm cả hệ điều hành chúng ta vẫn cần phải có một mã chương trình (image) nhị phân được định vị tuyệt đối. Thực tế nếu có một hệ điều hành thì phần mã và dữ liệu cũng thường gộp cả vào bên trong chương trình có khả năng định vị lại. Toàn bộ ứng dụng nhúng bao gồm cả hệ điều hành thường liên kết tĩnh với nhau và thực hiện như một mã chương trình nhị phân thống nhất.

Quá trình định vị (Locating)

Công cụ thực hiện việc chuyển đổi một chương trình có khả năng định vị lại thành một dạng mã chương trình nhị phân có thể thực thi được gọi là bộ định vị. Nó sẽ đảm nhiệm vai trò của bước đơn giản nhất trong các bước thực thi biên dịch nói chung. Thực tế chúng ta phải tự làm hầu hết công việc của bước này bằng cách cung cấp thông tin về bộ nhớ đã được cấu hình trên nền phần cứng mà chúng ta đang phát triển và đó chính là tham số đầu vào cho việc thực thi của bộ định vị. Bộ định vị sẽ sử dụng thông tin này để gán các địa chỉ vật lý cho mỗi phần mã lệnh và dữ liệu bên trong chương trình được thực thi mà có thể định vị lại. Tiếp theo nó sẽ tạo ra một tệp có chứa chương trình bộ nhớ nhị phân để có thể nạp trực tiếp vào bộ nhớ chương trình trên nền phần cứng thực thi.

Trong nhiều trường hợp bộ định vị là một chương trình khá độc lập với các phần công cụ khác trong hệ thống phần mềm phát triển. Tuy nhiên trong các bộ công cụ phát triển GNU chức năng này được tích hợp luôn trong bộ liên kết. Tuy nhiên không nên nhầm lẫn về chức năng của chúng trong quá trình thực thi biên dịch. Thông thường chương trình chạy trên các máy tính mục đích chung thì hệ điều hành sẽ thực hiện việc chuyển đổi và gán chính xác địa chỉ thực cho các phần mã và dữ liệu trong chương trình ứng dụng, còn với chương trình phát triển chạy trên hệ nhúng thì việc này phải được thực hiện bởi bộ định vị. Đây cũng chính là điểm khác biệt cơ bản khi thực hiện biên dịch một chương trình ứng dụng cho hệ nhúng.

Thông tin về bộ nhớ vật lý của hệ thống phần cứng phát triển mà cần phải cung cấp cho bộ định vị GNU phải được định dạng theo kiểu biểu diễn của bộ liên kết. Thông tin này đôi khi được sử dụng để điều khiển một cách chính xác thứ tự trong các phần mã chương trình và dữ liệu bên trong chương trình có thể định vị lại. Nhưng ở đây chúng ta cần phải thực hiện nhiều hơn thế, tức là phải thiết lập chính xác khu vực của mỗi phần trong bộ nhớ.