基于嵌入式架構(gòu)的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

喬峰

摘 要：單片微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是占用面積小，耗能較少，投資成本低等，其具備各種各樣的功能。單片微型計(jì)算機(jī)被應(yīng)用于很多的領(lǐng)域，尤其是工業(yè)控制領(lǐng)域。筆者在下文中將從分析嵌入式架構(gòu)的單片機(jī)的架構(gòu)概念和特點(diǎn)出發(fā)，簡要的探討現(xiàn)如今單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的情況以及嵌入式架構(gòu)的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：嵌入式；架構(gòu)；單片機(jī)；系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

一、嵌入式架構(gòu)簡述

（一）嵌入式架構(gòu)的概念。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速推進(jìn)的背景下，嵌入式架構(gòu)也發(fā)展成為一門學(xué)科，很多高等院校也順應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求開設(shè)了這個(gè)學(xué)科課程?，F(xiàn)在很多產(chǎn)品的開發(fā)都離不開計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)，然而這些工作又需要操作人員具備足夠的的嵌入式架構(gòu)知識(shí)。以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為標(biāo)志的第三次工業(yè)革命發(fā)展至今，電子信息領(lǐng)域一直都很受各國的重視，我國雖然積極的融入到科技革命發(fā)展的浪潮之中，但是由于經(jīng)濟(jì)的改革開放時(shí)間較晚，科技發(fā)展的步伐也較慢，所以，我國在該領(lǐng)域的技術(shù)水平還落后于西方發(fā)達(dá)國家。最近這些年以來，我國電子信息相關(guān)領(lǐng)域也逐漸受到國家的重視，得到很多經(jīng)濟(jì)上和政策上的扶持。隨之，嵌入式架構(gòu)的研究也得到了前所未有的發(fā)展，就目前我國的單片機(jī)等設(shè)備的生產(chǎn)情況來看，我國技術(shù)人員雖然能夠?qū)纹⑿陀?jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行研究和開發(fā)，但是很多先進(jìn)的單片機(jī)相關(guān)設(shè)備還依賴國外進(jìn)口，這就極大的限制了我國嵌入式架構(gòu)的發(fā)展。對(duì)于嵌入式架構(gòu)的概念，國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)給出了具體的解釋，是控制、監(jiān)視等輔助設(shè)備工作的系統(tǒng)，現(xiàn)在對(duì)嵌入式架構(gòu)這個(gè)概念來說，還是主要基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，通常時(shí)候，一個(gè)帶有控制程序的處理器就可以被稱作是一個(gè)嵌入式架構(gòu)，也就是說，在計(jì)算機(jī)發(fā)展的不同階段，嵌入式架構(gòu)概念闡釋也是各有不同的。

（二）嵌入式架構(gòu)的特點(diǎn)。嵌入式架構(gòu)的單片機(jī)的很多特點(diǎn)是對(duì)傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)的一種發(fā)展：首先，這種小體積的嵌入式架構(gòu)出現(xiàn)的時(shí)候就主要是在計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷精進(jìn)的背景下，嵌入式架構(gòu)也隨之得到發(fā)展，特別是單片機(jī)等微型計(jì)算機(jī)研發(fā)出來之后，嵌入式架構(gòu)就得到極大的推廣。也就是說，先是嵌入式架構(gòu)應(yīng)用和發(fā)展在很大程度上推動(dòng)了單片機(jī)的出現(xiàn)；其次，嵌入式架構(gòu)能夠完成邏輯較強(qiáng)的控制活動(dòng)。而電子信息化發(fā)展過程中很大一部分機(jī)械設(shè)備都在通過智能芯片的使用將特定的控制程序植入到系統(tǒng)中去，從而實(shí)現(xiàn)特殊的控制目的。隨著軟件技術(shù)的日益發(fā)展，特別是人工專家模塊的研發(fā)工作取得進(jìn)展之后，計(jì)算機(jī)軟件的智能化就達(dá)到很大程度的發(fā)展，比如，以前計(jì)算機(jī)出現(xiàn)問題的時(shí)候還需要技術(shù)管理人員進(jìn)行檢查和修整，智能化的計(jì)算機(jī)軟件則可以自動(dòng)的檢索該問題曾經(jīng)的處理辦法，自動(dòng)的完成問題的修復(fù)，也就是說這樣的智能化技術(shù)植入到嵌入式架構(gòu)之后工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化控制就能夠?qū)崿F(xiàn)了。所以說，單片機(jī)等微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展就是推進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)發(fā)展的十分重要的因素，而單片機(jī)在該自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用效率要得到提高也需要在嵌入式架構(gòu)中植入一些比較具有針對(duì)性的硬件和軟件的設(shè)計(jì)。

二、基于嵌入式架構(gòu)的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

（一）單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)組成。單片機(jī)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，其中I/O接口、CPU、RAM及外圍接口等組成了硬件部分。在整個(gè)系統(tǒng)中單片機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的程序的運(yùn)行和數(shù)據(jù)的處理，是整個(gè)系統(tǒng)的核心；I/O接口主要負(fù)責(zé)與外部的輸入輸出是與外部進(jìn)行信息交換的通道。RAM用于系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。 對(duì)一個(gè)系統(tǒng)而言，僅僅只有硬件是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。打個(gè)比方硬件就好比一個(gè)人的四肢，而軟件就好比一個(gè)人的大腦。如果沒有軟件，整個(gè)系統(tǒng)就無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)軟件可分為實(shí)時(shí)軟件和開發(fā)軟件。其中針對(duì)控制系統(tǒng)功能所編寫的軟件為實(shí)時(shí)軟件，在開發(fā)，調(diào)試時(shí)使用的軟件為開發(fā)軟件，具體如編譯軟件，調(diào)試軟件，仿真軟件，編程下載軟件等。

（二）單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 。單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模塊化、規(guī)范化便于分析查找故障；（2）優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，盡可能減少不必要的節(jié)點(diǎn)，以減少產(chǎn)生的可能；（3）選用可靠性高的器件，減少內(nèi)部電路帶來的不確定因素。

（三）單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。完整的單片機(jī)的系統(tǒng)的開發(fā)可分為5個(gè)階段：第一階段：系統(tǒng)的功能性分析，只有對(duì)要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的功能進(jìn)行全面的分析，才能知道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要什么，不需要什么。第二階段：確定系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，這一階段主要是根據(jù)系統(tǒng)的功能進(jìn)入更深入的各個(gè)模塊設(shè)計(jì)選型，并最終統(tǒng)一協(xié)調(diào)完成系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，并不針對(duì)系統(tǒng)各方面進(jìn)行深入設(shè)計(jì)；第三階段：由系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中確定的各模塊的設(shè)計(jì)原則，對(duì)各模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)深入。該階段主要完成系統(tǒng)各部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)，最終歸結(jié)到系統(tǒng)的硬件原理圖和系統(tǒng)軟件各模塊設(shè)計(jì)上來；第四階段：在前面基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)硬件和軟件系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)，這個(gè)過程是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在調(diào)試過程中往往會(huì)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的一些問題，包括硬件上和軟件上存在的諸多問題等；第五階段：針對(duì)系統(tǒng)調(diào)試進(jìn)一步完善系統(tǒng)硬件和軟件；第六階段：系統(tǒng)程序的固化，文件編制，性能測(cè)定，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試報(bào)告和說明等的完善。

（四）基于嵌入式架構(gòu)的單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。單片機(jī)的早期設(shè)計(jì)主要是針對(duì)現(xiàn)有的生產(chǎn)線進(jìn)行一些細(xì)微的改進(jìn)或者改造，通過在生產(chǎn)線上適當(dāng)增加或者減少一些設(shè)備，利用單片機(jī)進(jìn)行控制，這時(shí)候的單片機(jī)還沒有形成嵌入式架構(gòu)概念。隨著社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)已不能滿足單一的系統(tǒng)控制。因此單一單片機(jī)一對(duì)一的架構(gòu)已無法滿足生產(chǎn)的需要，因此嵌入式架構(gòu)的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)便逐漸得到的推廣和發(fā)展。具體而言就是，將單片機(jī)放到生產(chǎn)中的各個(gè)環(huán)節(jié)，并將它們連接到一個(gè)服務(wù)器上，同時(shí)又將無數(shù)個(gè)服務(wù)器連接到一起，這樣形成一個(gè)分層式龐大系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)的全面控制。即所謂的單片機(jī)系統(tǒng)的嵌入式架構(gòu)設(shè)計(jì)。

（五）基于嵌入式架構(gòu)的單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。和傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)最大特點(diǎn)就是多了輔助設(shè)備，如早期單片機(jī)往往作為單一模塊，單獨(dú)使用來處理復(fù)雜問題，亦或控制設(shè)備，沒有任何輔助設(shè)備。而嵌入式架構(gòu)下，單片機(jī)，輔助設(shè)備統(tǒng)一連接到計(jì)算機(jī)服務(wù)器中，通過將一條系統(tǒng)的分層分級(jí)式的管理每個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)完成某一塊功能，而又通過整個(gè)架構(gòu)將各個(gè)系統(tǒng)連接起來組成一個(gè)完整整體。而在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)就也應(yīng)考慮系統(tǒng)各個(gè)架構(gòu)的功能，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)不同程序，實(shí)現(xiàn)不同控制功能。

結(jié)束語 ：作為以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的技術(shù)，嵌入式架構(gòu)的發(fā)展是和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是分不開的，就上世紀(jì)計(jì)算機(jī)剛問世的時(shí)候，其使用性能還不如簡單的電子計(jì)算器，只能適用于科研實(shí)驗(yàn)之中，但是電子信息技術(shù)發(fā)展的今天，計(jì)算機(jī)已經(jīng)普及到人們的日常工作和生活之中，計(jì)算機(jī)能夠處理的實(shí)際問題越來越多而且其處理效率也在不斷的提高。人們對(duì)其植入的操控程序也在不斷的升級(jí)，通過上文的分析，計(jì)算機(jī)的實(shí)際應(yīng)用需要推動(dòng)了嵌入式架構(gòu)和單片機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，反之，單片機(jī)的發(fā)展也推動(dòng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，只是，在實(shí)際應(yīng)用的過程中，還存在很多的技術(shù)性問題，如何不斷的使得嵌入式架構(gòu)的應(yīng)用提高單片機(jī)系統(tǒng)的使用的效果還需要進(jìn)行更多的研發(fā)工作。

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