嵌入式實(shí)時(shí)軟件在計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中的運(yùn)用分析

摘 要：隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為人們工作、學(xué)習(xí)和生活中不可缺少的重要工具。嵌入式實(shí)時(shí)軟件在計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，有助于實(shí)時(shí)處理計(jì)算機(jī)軟件故障，簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜流程，提高計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)質(zhì)量。在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，嵌入式實(shí)時(shí)軟件在計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景將更加廣泛。本文簡(jiǎn)要介紹了計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)運(yùn)用嵌入式實(shí)時(shí)軟件，分析了計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)嵌入式實(shí)時(shí)軟件的開(kāi)發(fā)流程和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，闡述了嵌入式實(shí)時(shí)軟件在計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中的運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：嵌入式；實(shí)時(shí)軟件；計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)；運(yùn)用

中圖分類號(hào)：TP311.52

近年來(lái)，我國(guó)信息化進(jìn)程逐漸加快，計(jì)算機(jī)水平快速提升，計(jì)算機(jī)軟件被廣泛的應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域。嵌入式實(shí)時(shí)軟件在計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，可以有效地優(yōu)化計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，減少軟件產(chǎn)品缺陷，改善計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的使用性能。在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)軟件時(shí)，結(jié)合嵌入式實(shí)時(shí)軟件的特點(diǎn)，進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

1 計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)運(yùn)用嵌入式實(shí)時(shí)軟件概述

1.1 特點(diǎn)

嵌入式實(shí)時(shí)軟件可以運(yùn)用在計(jì)算機(jī)軟件的預(yù)測(cè)指令執(zhí)行、動(dòng)態(tài)分配、緩存機(jī)制等設(shè)計(jì)中，提升計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性和實(shí)時(shí)處理功能。嵌入式實(shí)時(shí)軟件在計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用包括軟件和硬件兩部分，由應(yīng)用程序控制計(jì)算機(jī)軟件的運(yùn)行，通過(guò)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)編寫軟件控制程序，實(shí)現(xiàn)軟件和硬件之間的交互。嵌入式微處理器是嵌入式實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)的核心，可以實(shí)時(shí)地支持軟件系統(tǒng)的多任務(wù)，在短時(shí)間內(nèi)可以快速中斷相應(yīng)，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)操作[1]，并且具有較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。嵌入式實(shí)時(shí)軟件系統(tǒng)是模塊化結(jié)構(gòu)，便于軟件系統(tǒng)的修復(fù)和檢測(cè)，并且嵌入式實(shí)時(shí)軟件系統(tǒng)中的處理器結(jié)構(gòu)具有良好的擴(kuò)展性，嵌入式實(shí)時(shí)軟件的低功耗設(shè)計(jì)將會(huì)在計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中發(fā)揮更重要的作用。

1.2 應(yīng)用原理

嵌入式實(shí)時(shí)軟件在計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，通過(guò)將計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和實(shí)時(shí)處理技術(shù)相融合，從而建立實(shí)時(shí)的CORBA模型。同時(shí)，在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)軟件時(shí)應(yīng)用嵌入式實(shí)時(shí)軟件，可以在計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)遠(yuǎn)程調(diào)用過(guò)程中實(shí)現(xiàn)更多的設(shè)計(jì)服務(wù)，例如在設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)CORBA模型軟件過(guò)程中，嵌入式實(shí)時(shí)軟件可以對(duì)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有效的支持，并且優(yōu)化計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)模式，全面提升計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的實(shí)用性、安全性和獨(dú)立性。

2 計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)嵌入式實(shí)時(shí)軟件的開(kāi)發(fā)流程和設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在嵌入式實(shí)時(shí)軟件在計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，可以簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)流程，首先設(shè)計(jì)人員通過(guò)分析計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)需求，從而解析嵌入式實(shí)時(shí)軟件的設(shè)計(jì)需求，然后，在這個(gè)基礎(chǔ)上對(duì)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，并且編寫應(yīng)用程序代碼，最后，對(duì)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，完善和優(yōu)化計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)。在計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)用嵌入式實(shí)時(shí)軟件，通過(guò)簡(jiǎn)潔流暢的開(kāi)發(fā)流程，提升計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計(jì)效率，提升計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中嵌入式實(shí)時(shí)軟件的應(yīng)用水平。

在運(yùn)用嵌入式實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員要按照計(jì)算機(jī)軟件的設(shè)計(jì)流程，盡量避免人為的設(shè)計(jì)失誤。例如，在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)軟件結(jié)構(gòu)時(shí)，設(shè)計(jì)人員要注意將計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)分離開(kāi)來(lái)，降低計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)對(duì)硬件的依賴性，有效提高計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。另外，嵌入式實(shí)時(shí)軟件在計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，有助于實(shí)現(xiàn)格式化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和初始化的軟件數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)時(shí)，可以直接操作軟件資源和硬件設(shè)備，豐富計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)功能。

3 嵌入式實(shí)時(shí)軟件在計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

3.1 任務(wù)劃分

應(yīng)用軟件是嵌入式系統(tǒng)的最高層，也是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要基礎(chǔ)。嵌入式RTOS微內(nèi)核在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)承擔(dān)著資源管理、任務(wù)互斥與同步、任務(wù)間通信、任務(wù)控制、任務(wù)管理等多種功能，其是開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用程序的基礎(chǔ)平臺(tái)，基于嵌入式實(shí)時(shí)軟件，將計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)合理劃分為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的任務(wù)，是簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)、優(yōu)化嵌入式RTOS模型、協(xié)調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵[2]。在劃分計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)并行任務(wù)時(shí)，要深入分析應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，確定數(shù)據(jù)執(zhí)行順序和數(shù)據(jù)并行轉(zhuǎn)換，將一個(gè)或者多個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換劃分為一個(gè)任務(wù)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的異步關(guān)系是任務(wù)劃分的和總要因素，主要從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮：一方面是系統(tǒng)內(nèi)部功能，計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)并行任務(wù)可以分為用戶接口任務(wù)、應(yīng)用控制任務(wù)、異步和同步任務(wù)、周期任務(wù)等，將事件激活任務(wù)和同一時(shí)間段完成的系統(tǒng)功能整合為一個(gè)任務(wù)，將一些聯(lián)系緊密的任務(wù)合并為一個(gè)任務(wù)，由相同事件驅(qū)動(dòng)，共享計(jì)算機(jī)軟件資源，簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程。另一方面，I/O功能，計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)通過(guò)中斷方式和應(yīng)用程序輪詢來(lái)驅(qū)動(dòng)I/O事件，由于應(yīng)用程序輪詢需要占用大量的計(jì)算機(jī)CPU資源，為了滿足計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)使用性和實(shí)時(shí)性的要求，多采用中斷方式。

3.2 存儲(chǔ)映像布局和任務(wù)組織

應(yīng)用嵌入式實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，在劃分為獨(dú)立的任務(wù)后，任務(wù)之間的邏輯關(guān)系和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系對(duì)于任務(wù)組織方式有著重要影響，任務(wù)的管理和組織功能主要取決于嵌入式操作系統(tǒng)。和微機(jī)操作系統(tǒng)相比，嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用程序保存在FLASH和ROM，為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定、協(xié)調(diào)地運(yùn)行，因此要優(yōu)化計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)布局。計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)布局要重點(diǎn)考慮存儲(chǔ)器的使用和存儲(chǔ)映像的布局。計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)從物理零地址調(diào)取程序指令，在物理地址上設(shè)置執(zhí)行代碼，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)從ROM開(kāi)始啟動(dòng)，ROM初始化時(shí)位于物理零地址，將中斷向量存儲(chǔ)在零地址之后。這種存儲(chǔ)映像布局和任務(wù)組織形式可以有效加快處理器調(diào)取中斷向量的速度[3]。

3.3 任務(wù)調(diào)度和應(yīng)用實(shí)時(shí)性

嵌入式實(shí)時(shí)軟件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性主要分為硬實(shí)時(shí)性和軟實(shí)時(shí)性，硬實(shí)時(shí)性要求在一定的時(shí)間段內(nèi)必須完成系統(tǒng)任務(wù)，軟實(shí)時(shí)性要求在一定時(shí)限內(nèi)完成任務(wù)，可以允許一定的時(shí)間延遲。計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度要盡量采用基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度方式。當(dāng)某一優(yōu)先級(jí)的軟件系統(tǒng)任務(wù)較多時(shí)，微內(nèi)核會(huì)根據(jù)任務(wù)的緊急程序，自動(dòng)增加優(yōu)先級(jí)級(jí)數(shù)，按照不同的優(yōu)先級(jí)將系統(tǒng)任務(wù)拆分為多個(gè)任務(wù)隊(duì)列，有效減少系統(tǒng)關(guān)鍵任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間。

3.4 任務(wù)與時(shí)鐘間通信

在計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)用嵌入式實(shí)時(shí)軟件，設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的時(shí)鐘服務(wù)，位系統(tǒng)任務(wù)設(shè)置自己的時(shí)鐘，定期控制執(zhí)行動(dòng)作。嵌入式實(shí)時(shí)軟件系統(tǒng)具有信號(hào)量、信號(hào)、隊(duì)列等機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)軟件資源和系統(tǒng)任務(wù)之間的同步與通信。

3.5 系統(tǒng)初始化

計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用嵌入式實(shí)時(shí)軟件要充分考慮到軟件系統(tǒng)的初始化執(zhí)行，在嵌入式操作系統(tǒng)底層硬件和微內(nèi)核之間的硬件抽象層編寫初始化代碼，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化和引導(dǎo)。嵌入式實(shí)時(shí)軟件系統(tǒng)包含BIOS，通過(guò)一系列固定指令序列執(zhí)行系統(tǒng)初始化工作，如，轉(zhuǎn)換處理器狀態(tài)、初始化RAM變量、設(shè)置異常中斷向量、定義系統(tǒng)入口點(diǎn)等，通過(guò)加載嵌入式軟件系統(tǒng)，設(shè)置程序計(jì)數(shù)器的程序指令，從而便于系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度。

4 結(jié)束語(yǔ)

嵌入式實(shí)時(shí)軟件在計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，在底層硬件和應(yīng)用軟件構(gòu)建虛擬視圖，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的具體應(yīng)用功能，為底層硬件和高層應(yīng)用設(shè)置系統(tǒng)接口，簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，提高計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的靈活性和可擴(kuò)展性，增強(qiáng)系統(tǒng)功能。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：曹道柱（1980-），男，江蘇南京人，助理工程師，本科，研究方向：計(jì)算機(jī)軟件。

作者單位：江蘇聯(lián)宏自動(dòng)化系統(tǒng)工程有限公司，南京 210000