基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及實(shí)踐要點(diǎn)研究論述

張志

摘要：嵌入式系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心設(shè)計(jì)的一種專(zhuān)用系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)可編程控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程傳輸以及檢測(cè)等功能。分析嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，研究在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中如何讓軟件編碼有效實(shí)現(xiàn)其功能，希望可以有效提高單片機(jī)的運(yùn)行性能。

關(guān)鍵詞： 單片機(jī)；嵌入式系統(tǒng)；操作系統(tǒng)；微內(nèi)核結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）01-0258-02

單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的遠(yuǎn)程調(diào)度、遠(yuǎn)程控制、通信信息同步以及資源儲(chǔ)存管理等等，嵌入式系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的專(zhuān)用系統(tǒng)，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要以計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)作為平臺(tái)。近幾年隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)目前還沒(méi)有完整的開(kāi)發(fā)方法。通過(guò)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行分析，研究基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及實(shí)踐要點(diǎn)，希望可以使單片機(jī)的操作運(yùn)行實(shí)現(xiàn)集成化發(fā)展。

1 嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介及其發(fā)展?fàn)顩r

嵌入式系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的專(zhuān)用系統(tǒng)，主要由嵌入式處理器、外圍硬件設(shè)備和操作系統(tǒng)共同組成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制、操作和管理。嵌入式系統(tǒng)的核心主要是嵌入式處理器，可以將外圍功能全部集成在一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集成操作。嵌入式系統(tǒng)需要根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境來(lái)定制，有效地提高了設(shè)備運(yùn)行效率。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)必須要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，在系統(tǒng)上安裝各種網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。

我國(guó)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)仍然處于初級(jí)階段，在嵌入式系統(tǒng)微內(nèi)核、集成軟件方面都存在很多問(wèn)題，另外嵌入式系統(tǒng)的體積比較小，所以存儲(chǔ)容量不是特別大，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要對(duì)其存儲(chǔ)功能方面進(jìn)行改進(jìn)，以便滿(mǎn)足復(fù)雜化的應(yīng)用需求。基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，可以提高我國(guó)PLC使用性能，使PLC的使用可以滿(mǎn)足更多功能需求。

2 基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用CAD軟件和PCB軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要根據(jù)嵌入式系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，將功能進(jìn)行細(xì)致區(qū)分，劃分成不同的模塊，對(duì)各個(gè)模塊來(lái)分配具體的功能。嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是根據(jù)實(shí)際使用過(guò)程中的性能參數(shù)需求，對(duì)相關(guān)的元件進(jìn)行組合劃分，以便達(dá)到最佳的使用效果，所以不同設(shè)備應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)在功能上都是不同的。在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要將系統(tǒng)內(nèi)的資源進(jìn)行調(diào)配，并編制具體的應(yīng)用編碼，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要使嵌入式系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)控制和信息處理能力，所以需要將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和網(wǎng)絡(luò)接口等全部集成在一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的遠(yuǎn)程控制、信息同步、資源存儲(chǔ)等功能。

基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以將應(yīng)用與驅(qū)動(dòng)的接口設(shè)置為統(tǒng)一的接口，使嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，也方便了在多個(gè)單片機(jī)之間重復(fù)使用。在對(duì)驅(qū)動(dòng)程序和硬件組成進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用EDA工具進(jìn)行模擬調(diào)試開(kāi)發(fā)，將設(shè)計(jì)程序在EDA工具上進(jìn)行模擬運(yùn)行，保證了嵌入式系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的合理性，縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間。

在單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，可以先將程序的運(yùn)行流程和運(yùn)行邏輯進(jìn)行測(cè)試，分析嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，以及各類(lèi)訪問(wèn)周期信息。這些信息的測(cè)試可以使系統(tǒng)的調(diào)試階段更加順利。利用EDA工具對(duì)單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，降低了開(kāi)發(fā)人員的工作難度，在計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)完成后，直接將軟件移植到嵌入式系統(tǒng)中，基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)即為開(kāi)發(fā)完成。

3 基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)微內(nèi)核

3.1 嵌入式系統(tǒng)的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)部分組成，分別是資源管理調(diào)度系統(tǒng)和硬件映射系統(tǒng)。資源管理調(diào)度系統(tǒng)可以對(duì)單片機(jī)的控制程序進(jìn)行存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通信功能。硬映射系統(tǒng)可以將單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)映射在操作平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的系統(tǒng)功能。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)降低了單片機(jī)整體的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，并提高了內(nèi)核的集成性能，使單片機(jī)嵌入系統(tǒng)的移植性能和擴(kuò)展性能都得到了極大程度的提高。單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的微內(nèi)核一般沒(méi)有shell以及圖形用戶(hù)接口，所以嵌入式微內(nèi)核的部分功能是可以去掉的；嵌入式系統(tǒng)微內(nèi)核的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序不是特別明確，也可以說(shuō)操作系統(tǒng)也屬于應(yīng)用程序中的一部分；嵌入式系統(tǒng)微內(nèi)核的內(nèi)存容量比較小，存儲(chǔ)模塊非常簡(jiǎn)單，一般都是使用實(shí)際的物理地址，所以結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。嵌入式微內(nèi)核的任務(wù)劃分不是特別詳細(xì)，很多操作人員都具有可預(yù)見(jiàn)性。

3.2 微內(nèi)核結(jié)構(gòu)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)整體性能的影響

微內(nèi)核結(jié)構(gòu)雖然提高了單片機(jī)嵌入系統(tǒng)的移植性和擴(kuò)展性，但是隨著單片機(jī)系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜， 使微內(nèi)核的體積不斷增加，影響了單片機(jī)的整體性能，降低了嵌入式系統(tǒng)在單片機(jī)中的通用性。使用者在使用單片機(jī)的過(guò)程中是利用遠(yuǎn)程設(shè)備來(lái)進(jìn)行操作，在操作過(guò)程中，微內(nèi)核全程參與，對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行頻發(fā)拷貝，增加了單片機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)嵌入式微內(nèi)核受到傳統(tǒng)操作內(nèi)核的限制，會(huì)對(duì)單片機(jī)的操作系統(tǒng)帶來(lái)不利影響，所以需要對(duì)嵌入式微內(nèi)核的性能進(jìn)行改進(jìn)，以便提高單片機(jī)的運(yùn)行效率。

單片機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，嵌入式微內(nèi)核是基于時(shí)鐘對(duì)內(nèi)部模塊進(jìn)行控制，當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，可以自動(dòng)提取微內(nèi)核內(nèi)的運(yùn)行程序，同時(shí)也可以自行書(shū)寫(xiě)，提高了嵌入式系統(tǒng)的擴(kuò)展性能， 使嵌入式微內(nèi)核的通用性得到了極大的提高。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)中各個(gè)系統(tǒng)服務(wù)全部由內(nèi)核進(jìn)行控制，主要利用消息機(jī)制進(jìn)行通信，所以微內(nèi)核核心性能的優(yōu)劣主要取決于系統(tǒng)通信開(kāi)銷(xiāo)的大小，為了保證微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的能效，需要對(duì)單片機(jī)的系統(tǒng)程序庫(kù)進(jìn)行優(yōu)化，保證嵌入式的應(yīng)用程序可以直接對(duì)庫(kù)內(nèi)程序進(jìn)行使用，這種結(jié)構(gòu)有效地提高了單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可裁剪性，使微內(nèi)核的使用靈活性大大提高。

4 基于單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)編碼程序的實(shí)現(xiàn)

在單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)編碼程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要對(duì)單片機(jī)的使用環(huán)境進(jìn)行分析，確定單片機(jī)具體的使用需求，再針對(duì)相應(yīng)的功能需求進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)需要經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、程序編寫(xiě)、編碼功能實(shí)現(xiàn)、集成檢測(cè)等幾個(gè)步驟，嵌入式系統(tǒng)編碼程序的開(kāi)發(fā)與普通的軟件開(kāi)發(fā)沒(méi)有太大差異，但是嵌入式系統(tǒng)編碼程序的開(kāi)發(fā)屬于跨平臺(tái)的編碼開(kāi)發(fā)，編碼程序需要直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行操控，所以對(duì)于程序準(zhǔn)確性要求比較高，對(duì)整個(gè)編碼過(guò)程的時(shí)序要求也異常精準(zhǔn)。很多單片機(jī)的運(yùn)行不能對(duì)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行重現(xiàn)，所以編碼程序的開(kāi)發(fā)要求特別高，為了保證程序開(kāi)發(fā)的有效性，需要在程序不同的設(shè)計(jì)階段使用不同的工具包。對(duì)單片機(jī)初期運(yùn)行階段的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用電路模擬器，分析單片機(jī)程序輸入端和輸出端，避免單片機(jī)電路運(yùn)行不穩(wěn)定造成程序編寫(xiě)的混亂，同時(shí)開(kāi)發(fā)人員也能清晰的觀測(cè)到整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程，避免程序編寫(xiě)需要從最底層進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)。

目前我國(guó)單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)越來(lái)越成熟，開(kāi)發(fā)環(huán)境逐漸完善，使嵌入式系統(tǒng)的功能也更加全面。在對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，可以利用程序編輯器、連接設(shè)備、編碼運(yùn)行模擬器、調(diào)試儀器進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的虛擬開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)人員可以忽略掉單片機(jī)的使用環(huán)境，直接進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)。硬件的開(kāi)發(fā)可以單獨(dú)進(jìn)行，嵌入式系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)完成后，利用網(wǎng)絡(luò)串口將軟件模型直接傳輸?shù)接布到y(tǒng)中即可，節(jié)省了硬件開(kāi)發(fā)完成后的調(diào)試時(shí)間，優(yōu)化了單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，使單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)編碼程序能夠更好的實(shí)現(xiàn)。

基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)在實(shí)踐過(guò)程中要采用相應(yīng)的抗干擾措施，避免對(duì)嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件造成干擾。在硬件抗干擾方面可以利用光電耦合器來(lái)進(jìn)行控制電路的切斷，實(shí)現(xiàn)電磁隔離功能，降低電磁對(duì)嵌入式系統(tǒng)硬件的影響，也可以將金屬箱體對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行隔離，消除外界的電磁干擾。利用指令冗余技術(shù)也可以對(duì)嵌入式系統(tǒng)的軟件操作進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免嵌入式程序出現(xiàn)跑飛現(xiàn)象，影響嵌入式系統(tǒng)軟件程序的正常運(yùn)行。

5 基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)功能測(cè)試和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展

5.1 梯形圖指令測(cè)試

單片機(jī)主要應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制裝置上，所以單片機(jī)的主要使用人員為電氣技術(shù)人員，在對(duì)單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)功能進(jìn)行測(cè)試時(shí)，可以利用梯形圖語(yǔ)言以及相關(guān)的邏輯功能圖和邏輯方程進(jìn)行測(cè)試。例如在對(duì)工業(yè)運(yùn)料小車(chē)進(jìn)行控制時(shí)，運(yùn)料小車(chē)在A點(diǎn)進(jìn)行裝料，運(yùn)送到B點(diǎn)，至B點(diǎn)之后小車(chē)?yán)^續(xù)返回到A點(diǎn)，小車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中可以自動(dòng)和手動(dòng)的進(jìn)行控制（如圖1所示）。

圖1 運(yùn)料小車(chē)往返行進(jìn)示意圖

在小車(chē)行進(jìn)過(guò)程中，為了滿(mǎn)足相關(guān)的自動(dòng)和手動(dòng)控制，需要對(duì)小車(chē)進(jìn)行I/O指令分配，該套行進(jìn)流程內(nèi)需要設(shè)置2個(gè)啟動(dòng)按鈕和行程開(kāi)關(guān)，并設(shè)置1個(gè)總啟停按鈕，對(duì)運(yùn)料小車(chē)的

往返運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，小車(chē)的運(yùn)行一共需要設(shè)置9個(gè)I/O控制點(diǎn)，如圖2所示為I/O控制點(diǎn)的實(shí)際接線圖。

圖2 小車(chē)往返運(yùn)行I/O控制點(diǎn)實(shí)際接線圖

按照此接線圖來(lái)實(shí)行小車(chē)的往返運(yùn)行控制可以保證小車(chē)的運(yùn)行邏輯正確，保證了單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)，所以證明了嵌入式系統(tǒng)可以滿(mǎn)足單片機(jī)的運(yùn)行需求。

5.2 單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展

在對(duì)單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，可以將不同的設(shè)備全部連入同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)備操作，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)之間的通訊互聯(lián)，以便企業(yè)對(duì)單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行集中管理。在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展時(shí)可以進(jìn)行CAN網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。CAN網(wǎng)絡(luò)是一種主從結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，主從結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是指系統(tǒng)中具有主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)發(fā)布執(zhí)行命令，而從節(jié)點(diǎn)可以接受命令進(jìn)行具體的操作。通過(guò)對(duì)主節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，可以對(duì)整個(gè)單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)單片機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，保證單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

6 結(jié)論

單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)踐已經(jīng)成為了嵌入式系統(tǒng) （下轉(zhuǎn)第262頁(yè)）

（上接第259頁(yè)）

的研究核心，隨著單片機(jī)的應(yīng)用逐漸普及，嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)也越來(lái)越重要。通過(guò)對(duì)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行分析，研究單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)編碼程序的實(shí)現(xiàn)，希望可以提高單片機(jī)運(yùn)行性能，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的集成化發(fā)展。

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