探究嵌入式系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)問(wèn)題及解決

尚曉平

【摘要】 隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，在很多領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始使用嵌入式系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)軟件在使用過(guò)程中存在的一些問(wèn)題也逐漸凸顯。系統(tǒng)軟件出現(xiàn)錯(cuò)誤后會(huì)造成巨大損失。本文在分析該系統(tǒng)軟件特點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討了軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題，并提出了相應(yīng)解決措施。

【關(guān)鍵詞】 嵌入式系統(tǒng) 軟件實(shí)現(xiàn) 常見(jiàn)問(wèn)題 解決方法

計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)是當(dāng)今社會(huì)科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步的產(chǎn)物，其中，嵌入式系統(tǒng)軟件在國(guó)防、通信、電子信息和互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。據(jù)有關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前世界范圍內(nèi)嵌入式設(shè)備運(yùn)行總量呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，并且已經(jīng)突破30億臺(tái)?？梢?jiàn)其對(duì)社會(huì)發(fā)展影響越來(lái)越大，因此，有必要對(duì)該系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)中常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行分析，并探討相應(yīng)解決措施。

一、嵌入式系統(tǒng)概述

1.1嵌入式系統(tǒng)的概念

嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱嵌入式系統(tǒng)，是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)并以應(yīng)用為中心，同時(shí)具有多種功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這種專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本和體積等要求嚴(yán)格，表現(xiàn)在其硬件和軟件必須支持裁剪功能等。具體來(lái)說(shuō)，它是集各種先進(jìn)技術(shù)，如通信技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、語(yǔ)音圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和微電子技術(shù)等于一體的綜合產(chǎn)物，具有十分強(qiáng)大的功能和作用。

1.2嵌入式系統(tǒng)的特征

同普通計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)表現(xiàn)出的特征有所不同，具體如下：①嵌入式系統(tǒng)是各種先進(jìn)技術(shù)的集成，包括先進(jìn)的電子技術(shù)、半導(dǎo)體工藝、計(jì)算機(jī)技術(shù)等，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要投入密集的技術(shù)和資金，并且高度分散。②嵌入式系統(tǒng)以較低的成本和能耗、較小的體積以及高實(shí)時(shí)性和高集成度，可以實(shí)現(xiàn)在芯片內(nèi)部有機(jī)地集成由板卡完成的任務(wù)。③嵌入式系統(tǒng)可有機(jī)結(jié)合具體應(yīng)用，同步更新具體產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)的升級(jí)。所以該系統(tǒng)產(chǎn)品在市場(chǎng)中一般具有較長(zhǎng)的生命周期。④嵌入系統(tǒng)中的軟件一般在處理器內(nèi)部存儲(chǔ)器件或存儲(chǔ)器芯片中固定，而不會(huì)在外部載體中進(jìn)行存儲(chǔ)，這樣就可有效提高執(zhí)行速度的同時(shí)，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。

二、嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程分析與常用方法

2.1嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程

一般情況下，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程可按圖1所示的步驟實(shí)現(xiàn)。

具體來(lái)講，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容為：①產(chǎn)品定義。明確定義需要完成的任務(wù)，就需要對(duì)分析和細(xì)化應(yīng)用的實(shí)際需求，同時(shí)列出表格，顯示出需要完成的各種功能。②劃分硬件和軟件。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)要從兩方面入手，一是硬件，二是軟件。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)之前，需要重點(diǎn)考慮硬件和軟件各自需要完成的功能，確定后再行實(shí)施。③迭代實(shí)現(xiàn)。在完成硬件和軟件的劃分后，就開(kāi)始延續(xù)至迭代實(shí)現(xiàn)階段。對(duì)硬件和軟件進(jìn)行初步劃分后，相關(guān)設(shè)計(jì)小組就開(kāi)始對(duì)硬件和軟件分別建模。隨著建模工作的深入，硬件和軟件劃分界限便可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件和軟件更加合理的劃分。④詳盡的硬件和軟件設(shè)計(jì)。迭代實(shí)現(xiàn)階段完成后，系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分就得到了合理的劃分，在此基礎(chǔ)上就可分別實(shí)現(xiàn)該階段系統(tǒng)的硬件和軟件。⑤產(chǎn)品測(cè)試和發(fā)布階段。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行必要的測(cè)試，讓系統(tǒng)性能達(dá)到最佳運(yùn)行效果，同時(shí)保證嵌入式系統(tǒng)能夠達(dá)到成本目標(biāo)。另外嚴(yán)格的測(cè)試產(chǎn)品性能，還可提高嵌入式系統(tǒng)可靠性要求。⑥系統(tǒng)維護(hù)及升級(jí)。產(chǎn)品發(fā)布之后，還需做好后續(xù)的維護(hù)和升級(jí)工作。因?yàn)楫a(chǎn)品在使用過(guò)程中可能會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題，這些問(wèn)題可能是設(shè)計(jì)階段考慮不周引發(fā)的，另外，用戶在使用過(guò)程中還可能提出更多的需求，這就需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和升級(jí)，以解決這些在使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。

2.2嵌入式系統(tǒng)常用分析方法

嵌入式系統(tǒng)一般為實(shí)時(shí)系統(tǒng)，同系統(tǒng)資源關(guān)系密切，且對(duì)時(shí)間要求較高，系統(tǒng)時(shí)限響應(yīng)和并發(fā)處理較為困難，因此有必要對(duì)該系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。嵌入式軟件設(shè)計(jì)常用方法有：流程圖、結(jié)構(gòu)圖、數(shù)學(xué)分析及語(yǔ)言描述、編程設(shè)計(jì)語(yǔ)言、數(shù)據(jù)流圖和有限狀態(tài)機(jī)等。各自的優(yōu)缺點(diǎn)比較如下表1所示。

三、嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)問(wèn)題及解決

衡量一個(gè)系統(tǒng)軟件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是，看其是否具備穩(wěn)定性和可靠性，以及能否實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能需求。系統(tǒng)軟件如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，可能會(huì)造成系統(tǒng)功能喪失，甚至可能引發(fā)嚴(yán)重后果。比如對(duì)國(guó)家安全而言至關(guān)重要的國(guó)防系統(tǒng)軟件如果出錯(cuò)，其控制的導(dǎo)彈系統(tǒng)出現(xiàn)紊亂，后果不堪設(shè)想。對(duì)于嵌入式軟件

表1

而言，其本身具有較強(qiáng)的專業(yè)性，需借助專業(yè)計(jì)算機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)軟件的特定設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)難度可想而知，這在一定程度上制約了軟件開(kāi)發(fā)進(jìn)程，使得系統(tǒng)軟件難以及時(shí)投入應(yīng)用。下面針對(duì)嵌入式系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行分析。

3.1余量問(wèn)題及解決

就硬件載體而言，嵌入式系統(tǒng)軟件運(yùn)行速度與存儲(chǔ)余量必須在20%以上。該系統(tǒng)軟件一般采用中斷或周期運(yùn)行方式， 因?yàn)槠鋵?duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，且這樣可保證在預(yù)留20%余量的前提下執(zhí)行完所有的實(shí)時(shí)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)處理與系統(tǒng)操作，進(jìn)而確保該系統(tǒng)能安全可靠運(yùn)行。如果所有實(shí)時(shí)任務(wù)無(wú)法在有效執(zhí)行周期內(nèi)完成，那么系統(tǒng)性能就會(huì)受到影響，甚至癱瘓。此外，系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器須占用一定空間，所以嵌入式系統(tǒng)必須預(yù)留不少于20%的余量。嵌入式系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)中，設(shè)計(jì)人員常常對(duì)余量的設(shè)計(jì)要求不夠重視，或者計(jì)算機(jī)精度達(dá)不到相關(guān)規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致該系統(tǒng)隱患普遍存在。①存儲(chǔ)余量。程序存儲(chǔ)器余量比較容易統(tǒng)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，即嵌入式軟件在連接匯編及編譯后，可分析內(nèi)存映射文件，獲取軟件對(duì)存儲(chǔ)器占用方法，進(jìn)而采用代碼優(yōu)化方法滿足余量要求。目前無(wú)法直接使用靜態(tài)分析的方法對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)余量情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在這方面，多數(shù)設(shè)計(jì)人員僅統(tǒng)計(jì)出內(nèi)存映射文件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，這樣所獲得的余量就不全面，即統(tǒng)計(jì)上出的文件只能反映全局變量的占用情況，難以反映動(dòng)態(tài)時(shí)臨時(shí)變量對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和函數(shù)調(diào)用過(guò)程軟堆棧占用情況，此時(shí)20%的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)余量就難以得到保證。針對(duì)動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況，基于對(duì)動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請(qǐng)及釋放的考慮，函數(shù)嵌套調(diào)用會(huì)增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用及統(tǒng)計(jì)的復(fù)雜性，證實(shí)軟件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器余量與既定要求相符的方法是逆向方法，即嵌入式軟件位置申請(qǐng)占20%數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的全局?jǐn)?shù)組，之后進(jìn)行軟件的仿真運(yùn)行。如果系統(tǒng)運(yùn)行無(wú)異常，加上運(yùn)行過(guò)程數(shù)組存儲(chǔ)內(nèi)容未被更改，那么數(shù)據(jù)存區(qū)儲(chǔ)余量就能滿足既定要求。②運(yùn)行速度余量。程序的最大執(zhí)行路徑往往難以通過(guò)實(shí)施任務(wù)執(zhí)行周期監(jiān)實(shí)現(xiàn)，因此根本難以確定系統(tǒng)軟件分支組合狀態(tài)，這樣就很難確定程序動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)間。出現(xiàn)這種情況時(shí)，可采用逆向方法證實(shí)軟件運(yùn)行速度余量狀況，即對(duì)軟件運(yùn)行起始位置做延時(shí)處理，運(yùn)行周期時(shí)間控制在20%左右為宜，之后進(jìn)行程序的仿真運(yùn)行，系統(tǒng)工作不出現(xiàn)異常時(shí)，則證明系統(tǒng)運(yùn)行速度滿足余量運(yùn)行要求。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)某些編譯器延時(shí)函數(shù)容易中斷及周期計(jì)數(shù)的現(xiàn)象，這樣就會(huì)造成統(tǒng)計(jì)的錯(cuò)誤。解決辦法是禁止采用編譯器自帶延時(shí)函數(shù)，此時(shí)的延時(shí)函數(shù)實(shí)現(xiàn)最好采用循環(huán)空操作方法。影響運(yùn)行速度余量的因素相對(duì)較多，比如軟件的功能實(shí)現(xiàn)、計(jì)算方式以及時(shí)序調(diào)度等，其中影響力較大的是軟件的時(shí)序調(diào)度。此外實(shí)時(shí)系統(tǒng)規(guī)定的全部任務(wù)都應(yīng)做到按時(shí)完成，因此必須控制好單位時(shí)間內(nèi)的任務(wù)量，此時(shí)為確保算法和余量符合要求，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)算法優(yōu)先級(jí)別和功能的重要性合理安排不同任務(wù)的執(zhí)行速率。

3.2中斷問(wèn)題及解決

嵌入式系統(tǒng)軟件一般是通過(guò)中斷技術(shù)控制來(lái)響應(yīng)外部事件，同時(shí)在中斷服務(wù)程序運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)響應(yīng)的處理功能。從本質(zhì)上來(lái)講，嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)事件首先應(yīng)有中斷服提供運(yùn)行環(huán)境，通過(guò)該服務(wù)程序調(diào)度相關(guān)功能的模塊，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不同功能。另外，嵌入式系統(tǒng)還可通過(guò)中斷控制實(shí)現(xiàn)更加靈活和方面的應(yīng)用。但是嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中，也會(huì)在不知覺(jué)中留下隱患，在這一過(guò)程中，中斷的嵌套會(huì)增加軟件的結(jié)構(gòu)層次，加上軟件在設(shè)計(jì)時(shí)，中斷的恢復(fù)和保護(hù)都具有很高的要求，此時(shí)就需要充分考慮計(jì)算機(jī)的硬件特性，否則中斷系統(tǒng)中的變量問(wèn)題極易發(fā)生。如果在嵌入式系統(tǒng)中存在多個(gè)中斷源，且存在與之對(duì)應(yīng)的中斷源，那么不同中斷服務(wù)程序之間的公用變量就成為需要特備注意的問(wèn)題。中斷服務(wù)程序存在的公用變量比較容易受人們的忽視，加上中斷和中斷源之間聯(lián)系非常密切，所以這種錯(cuò)誤就會(huì)造成較大的危害。如果想要徹底消除掉這類錯(cuò)誤，可采用如下方法：在嵌入式系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制全局變量的使用，且變量不能公用于不同服務(wù)模塊，如果變量必須要在不同中斷服務(wù)模塊中公用，就需對(duì)該變量賦值。

四、結(jié)束語(yǔ)

嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的獨(dú)特性主要通過(guò)系統(tǒng)的特殊性和專用性表現(xiàn)出來(lái)。嵌入式系統(tǒng)軟件在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，可采用分析的方法解決，但問(wèn)題出現(xiàn)頻率比較高，而且其成因也是多種多樣，這樣就會(huì)制約系統(tǒng)的正常開(kāi)發(fā)與安全運(yùn)行。因此就需要規(guī)范系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程，盡可能減少設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的各種錯(cuò)誤。同時(shí)強(qiáng)化管理研制過(guò)程，尤其要注意那些易出錯(cuò)的部位，以保證軟件的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

參 考 文 獻(xiàn)

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