嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用與開發(fā)

梁正*

（河北省唐山市第二中學(xué)，河北唐山，063000）

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用與開發(fā)

梁正*

（河北省唐山市第二中學(xué)，河北唐山，063000）

嵌入式系統(tǒng)隨著經(jīng)濟(jì)與社會的發(fā)展在日常生活中變得越來越重要。無論是熱門領(lǐng)域還是相對比較不起眼的領(lǐng)域都應(yīng)用了嵌入式系統(tǒng)，就像消費(fèi)電子產(chǎn)品、航天工業(yè)，熱門的電子應(yīng)用（如智能手機(jī)和平板電腦等）以及人造衛(wèi)星等領(lǐng)域，對人們生活的方方面面產(chǎn)生了直接或間接地影響。嵌入式系統(tǒng)在各個領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應(yīng)用，究其原因是其具有優(yōu)質(zhì)的軟硬件平臺，從而可以使控制系統(tǒng)更加快捷又科學(xué)。本文在闡述嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用實現(xiàn)于多種系統(tǒng)中的基礎(chǔ)上，又對嵌入式系統(tǒng)的實用價值和推廣前景做了研究論述。

計算機(jī)；系統(tǒng)；軟件開發(fā)

引言

嵌入式系統(tǒng)在各種電子設(shè)備中被廣泛應(yīng)用，我國的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用技術(shù)也日趨成熟，很多公司都自主研發(fā)和應(yīng)用于電子產(chǎn)品之中，嵌入式系統(tǒng)的前景依然是無限的。

1 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展與應(yīng)用概述

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)有很多方面的要求，其中就包括性能和設(shè)計，它的設(shè)計不僅僅只是簡單的軟件系統(tǒng)或硬件系統(tǒng)，而是由軟硬件密切結(jié)合、相互影響的系統(tǒng)設(shè)計。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的核心是應(yīng)用，并且它的技術(shù)是建立在微電子技術(shù)、控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)基礎(chǔ)之上的，做到了軟硬件的協(xié)同、整合和可剪裁，在滿足目標(biāo)應(yīng)用的情況下對功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面也進(jìn)行嚴(yán)格要求的一種專用計算機(jī)系統(tǒng)。它的特點主要有軟件可編程，硬件可剪裁、可重構(gòu)。該系統(tǒng)在對象環(huán)境中常常被嵌入，并通過它在此環(huán)境下運(yùn)行的特定程序，完成采集、處理外界物理參數(shù)步驟，實現(xiàn)控制對象響應(yīng)或人機(jī)交互功能[1]。

就當(dāng)前發(fā)展趨勢，嵌入式系統(tǒng)主要向解決特定應(yīng)用問題發(fā)展，類似于接口多樣性、適應(yīng)性、靈活性和集成開發(fā)環(huán)境等的特定應(yīng)用問題。嵌入式系統(tǒng)最顯著的基本特征有應(yīng)用的底層性和對象系統(tǒng)的緊耦合性。因此選擇嵌入式系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)就是最大限度的滿足對象數(shù)據(jù)采集、控制、開發(fā)環(huán)境、功耗，以及適應(yīng)能力、可靠性等品質(zhì)因數(shù)。

嵌入系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)設(shè)計緊密結(jié)合、堅固可靠，技術(shù)的密集、高度分散不斷追求，目的在于適應(yīng)技術(shù)發(fā)展需求，這就需要系統(tǒng)不斷的創(chuàng)新研究。軟硬件設(shè)計的緊密相關(guān)性歸屬于嵌入系統(tǒng)的高技術(shù)，尤其以RTOS系統(tǒng)設(shè)計為主，其需透徹了解RTOS的工作機(jī)制、系統(tǒng)資源配制以及底層軟件，掌握相應(yīng)系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的設(shè)計、調(diào)試方法。

嵌入式系統(tǒng)智能化的關(guān)注度在社會上變得越來越高，隨之變得愈加重要、必不可少的是可在現(xiàn)場進(jìn)行編程、調(diào)試、引腳配置。因此現(xiàn)階段嵌入式系統(tǒng)的核心發(fā)展技術(shù)已變?yōu)橛脩艨膳渲玫腟CO(在片系統(tǒng))。系統(tǒng)開發(fā)者通過現(xiàn)場可編程陣列進(jìn)行接口應(yīng)用設(shè)計和系統(tǒng)開發(fā)，在靈活、多樣的片上進(jìn)行電路設(shè)計使電路板設(shè)計變成在片的芯片配置，嵌入系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)入了軟硬件可同時編程階段，產(chǎn)品開發(fā)周期得到了一定程度的縮短。而下一代的在片系統(tǒng)將有可能發(fā)展成一個MUC數(shù)量可縮放的集合體[2]。

高端產(chǎn)品在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中出現(xiàn)的頻率較高，但因其應(yīng)用對象、環(huán)境的不同特點，嵌入系統(tǒng)的8位機(jī)產(chǎn)品仍因其優(yōu)勢在低端應(yīng)用系統(tǒng)中占據(jù)主流地位，例如其應(yīng)用對象的有限響應(yīng)時間、完備的集成開發(fā)環(huán)境、良好的性價比等都是它所具有的優(yōu)勢。

嵌入式系統(tǒng)在發(fā)展歷程中成功完成了由模擬演進(jìn)為數(shù)字的過程，如今又開始向數(shù)模并存情形演進(jìn)。起初它是軟件編程主宰的微處理器(嵌入式微處理器、數(shù)字信號處理器、單片機(jī))，接著到了硬編程主宰的專用集成電路時代，最后便是如今的現(xiàn)場可編配置時代?！霸S氏循環(huán)”已成為嵌入式系統(tǒng)核心技術(shù)不斷發(fā)展的趨勢所向，而隨著科技的逐漸進(jìn)步，配套的軟件設(shè)計也得到了不斷的完善。由此可以預(yù)想到，更加快捷方便的開發(fā)環(huán)境和技術(shù)支持將會隨著軟硬雙可編程的嵌入式系統(tǒng)時代的到來而實現(xiàn)。

2 嵌入系統(tǒng)設(shè)計原則與步驟

嵌入系統(tǒng)設(shè)計最大特點是具有很強(qiáng)針對性，其設(shè)計關(guān)鍵在于軟硬件協(xié)同設(shè)計。軟硬件的同步與集成設(shè)計問題的解決要結(jié)合具體應(yīng)用進(jìn)行綜合考慮，以確保設(shè)計工作的正確性與一致性。對整個系統(tǒng)的各項功能指標(biāo)和技術(shù)要求進(jìn)行分解時，要針對具體應(yīng)用系統(tǒng)的功能目標(biāo)分析，對多方面的因素進(jìn)行權(quán)衡考慮，如結(jié)合系統(tǒng)的實時響應(yīng)要求、接口功能定義與標(biāo)準(zhǔn)、嵌入芯片的處理能力、編程語言、開發(fā)環(huán)境、產(chǎn)品的升級與維護(hù)問題、開發(fā)投入能力、產(chǎn)品綜合成本等因素。

嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對象體系中的專用的計算機(jī)系統(tǒng)，所以嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的基本原則主要是物盡其用。這個原則在一定程度上表明嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計必須都得高效率完成，將冗余部分盡最大可能去除，在實現(xiàn)最小成本的前提下達(dá)到性能最大化，同時為提高系統(tǒng)的整體性能應(yīng)盡可能的采用高效率的設(shè)計算法，完成最高性價比嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計。

嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計步驟可以用以下幾個過程來加以描述，即需求分析，體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，硬件設(shè)計，軟件設(shè)計，執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)集成和系統(tǒng)測試。在各個階段之間需要進(jìn)行反復(fù)修改，不斷完善，這些操作過程到設(shè)計目標(biāo)的最終完成才可終止。

3 嵌入系統(tǒng)的特點

嵌入式系統(tǒng)是一個應(yīng)用控制系統(tǒng)，它可利用資源是有限的，專用性特點很強(qiáng)的同時對實時性要求也相當(dāng)高。這就意味著嵌入系統(tǒng)軟件在軟件設(shè)計方法和實現(xiàn)手段上和PC機(jī)軟件就會存在很大差異，其差異主要有以下幾個方面：

3.1 實時性的控制方法

PC軟件很大程度上通過處理器性能的提升來提高速率，其中還依靠緩存方案、動態(tài)分配等技術(shù)手段。而嵌入式系統(tǒng)就完全不同，這些技術(shù)若被應(yīng)用到此系統(tǒng)中，就會出現(xiàn)種種問題，如硬件資源不足、工作頻率低等，從而系統(tǒng)的可靠性有所降低。

3.2 特定的異構(gòu)特征

設(shè)計嵌入式控制軟件需要全方位考慮，如對特定的硬件固有部分考慮的同時，也要對來自系統(tǒng)之外的各種通訊、傳感器的專用信號處理接口，以及不同控制目標(biāo)的實時期望和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的異步并發(fā)事件處理能力進(jìn)行考慮。因此系統(tǒng)構(gòu)建方案將會根據(jù)不同的硬件系統(tǒng)或控制目標(biāo)產(chǎn)生不一樣的地方。

3.3 系統(tǒng)的性能目標(biāo)

嵌入式軟件編寫必須將與硬件系統(tǒng)相匹配的功耗、不間斷運(yùn)行、故障恢復(fù)、高可靠性等方面的約束條件作為首要考慮的對象，以達(dá)到控制功能、實時性響應(yīng)在特定應(yīng)用環(huán)境下的目標(biāo)要求[3]。嵌入系統(tǒng)要對通用軟件技術(shù)取精華，遵循軟件工程理論，對軟件開發(fā)過程進(jìn)行開發(fā)，在此基礎(chǔ)上，研究開發(fā)技術(shù)和算法結(jié)構(gòu)需要依據(jù)嵌入式系統(tǒng)特點，來對開發(fā)效率進(jìn)行提高的同時，還應(yīng)給系統(tǒng)軟件的質(zhì)量和可靠性提供保障，以及軟件的復(fù)用性、可移植性和易維護(hù)性?；厥浊度胧杰浖O(shè)計方法的發(fā)展經(jīng)歷了多個階段，由最初的結(jié)構(gòu)化設(shè)計，發(fā)展為面向?qū)ο笤O(shè)計，最后是基于構(gòu)件的設(shè)計階段，經(jīng)歷了從單任務(wù)到多任務(wù)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變[4]。

若嵌入式系統(tǒng)與通用型計算機(jī)系統(tǒng)相比，它所特有的特點是：

（1）嵌入式系統(tǒng)一般是面向特定應(yīng)用的

嵌入型CPU與通用型最大的不同之處就在于它是被應(yīng)用到給特定用戶群設(shè)計系統(tǒng)中，其低耗、體積小、集成度高等特點使通用CPU中使用卡板完成的任務(wù)讓其集成在芯片內(nèi)部，讓嵌入式系統(tǒng)趨于小型化的同時，大大提高移動能力和網(wǎng)絡(luò)的耦合緊密程度。

（2）嵌入式系統(tǒng)是集計算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)和各個行業(yè)的具體應(yīng)用于一體的系統(tǒng)，這就決定了它技術(shù)與資金的緊密以及它高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。

（3）硬件與軟件設(shè)計的高效率性。在同樣大小的硅片上實現(xiàn)更高的性能，使其在具體應(yīng)用中對處理器的選擇更具競爭力。

（4）嵌入式系統(tǒng)與具體應(yīng)用有機(jī)融合使其升級換代也與具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，因此，一旦嵌入式產(chǎn)品進(jìn)入市場，它的生命周期就會很長。

（5）嵌入式系統(tǒng)軟件固化在存儲器芯片或單片機(jī)本身，這就使其執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性得到一定程度的提升，但需要強(qiáng)調(diào)的是，嵌入式系統(tǒng)本身不具有自舉開發(fā)能力，即使已經(jīng)設(shè)計成功用戶也不能對其中的程序功能進(jìn)行修改，開發(fā)的前提是必須有一套開發(fā)工具和應(yīng)用的開發(fā)環(huán)境。

4 結(jié)束語

由以上理論總結(jié)，嵌入式系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在社會的各個領(lǐng)域的設(shè)備中，它憑借其軟件的獨特優(yōu)點以及設(shè)計原則使其擁有開拓的開發(fā)前景與廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，而且它還將軟件和硬件巧妙地結(jié)合在一起，因此我們絕對不能停止對嵌入式系統(tǒng)的研究，反而需要我們更深入的對其進(jìn)行研究，尤其是在開發(fā)設(shè)計上，讓系統(tǒng)成本得到更大程度的降低的同時系統(tǒng)性價比得到提高，達(dá)到系統(tǒng)軟硬件完美配合的要求，以設(shè)計出一門新興技術(shù)來滿足人類新的控制要求，讓人類得到更安全、便捷、可靠的服務(wù)。

[1]王麗麗,蘇立獻(xiàn). 嵌入式應(yīng)用軟件設(shè)計[J]. 電腦知識與技術(shù),2010,(09)： 2166-2168.

[2]杜海江,李玉凱. 小型嵌入式系統(tǒng)的分析方法——IFSM[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2006,(04)： 17-19.

[3]何立民. 從嵌入式系統(tǒng)視角看物聯(lián)網(wǎng)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2010,(10)： 5-8.

[4]張玢,孟開元,田澤. 嵌入式系統(tǒng)定義探討[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2011,(01)： 6-8.

Application and Development of Embedded System

LIANG Zheng*
(Tangshan City second middle school,Hebei,Hebei Tangshan,063000,China)

with the development of economy and society,embedded system becomes more and more important in daily life. It is a hot field is still relatively obscure field of application of the embedded system,like consumer electronics,aerospace industry,electronic applications popular (such as smart mobile phone and tablet computer) and satellites and other fields,on all aspects of people's lives have direct or indirect influence. Embedded system is widely used in various fields,the reason is that it has a high quality hardware and software platform,which can make the control system more efficient and scientific. This paper expounds the application of embedded system in a variety of systems,and discusses the practical value and promotion prospect of embedded system.

computer; system; software development

TP311

A

1672-9129(2017)06-0044-02

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.014

梁正. 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用與開發(fā)[J]. 數(shù)碼設(shè)計,2017,6(6)： 44-45.

Cite：LIANG Zheng. Application and Development of Embedded System[J]. Peak Data Science,2017,6(6)： 44-45.

2017-02-05；

2017-03-11。

梁正（1999-），男，河北唐山， 唐山市第二中學(xué) 高三學(xué)生研究方向：電子信息。

Email：651348489@qq.com