嵌入式系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)過程中的研究

廣州工商學(xué)院 梁光華

一、引言

這些年來隨著信息化，智能化，網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)將起著越來越重要作用，其原因有幾個(gè)：一是芯片技術(shù)的發(fā)展，使得單個(gè)芯片具有更強(qiáng)的處理能力，而且使集成多種接口已經(jīng)成為可能，眾多芯片生產(chǎn)廠商已經(jīng)將注意力集中在這方面。另一方面的原因就是應(yīng)用的需要，由于對(duì)產(chǎn)品可靠性、成本、更新?lián)Q代要求的提高，使得嵌入式系統(tǒng)逐漸從純硬件實(shí)現(xiàn)和使用通用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用中脫穎而出。

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用也將獲得更廣泛的發(fā)展空間，無(wú)論是民用還是軍用隨處都可見到嵌入式系統(tǒng)的身影。嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制、交通管理、信息家電、家庭智能管理、網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和機(jī)器人等方面，無(wú)處不在。

當(dāng)前歷史任務(wù)就是：在源于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)上，研究和發(fā)展智能化的現(xiàn)代電子系統(tǒng)時(shí)代的嵌入式系統(tǒng)。

二、嵌入式系統(tǒng)概述

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，將用戶所需的功能嵌入到產(chǎn)品、裝置或大型系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng);它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。

1.嵌入式系統(tǒng)的定義

目前，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義多種多樣，下面給出兩種比較合理定義：

（1）從技術(shù)的角度定義

以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

（2）從系統(tǒng)的角度定義

嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入性、專用性與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的三個(gè)基本要素。對(duì)象系統(tǒng)是指嵌入式系統(tǒng)所嵌入的宿主系統(tǒng)。

2.嵌入式系統(tǒng)的組成

嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控對(duì)象，它可以接受嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。

（1）功能層

應(yīng)用程序：面向應(yīng)用領(lǐng)域，如手機(jī)軟件、路由器軟件、交換機(jī)軟件和飛控軟件等。

（2）軟件層

軟件層由實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（Real-time Operation System,RTOS）、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口(Graphic User Interface,GUI)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺(tái)。

（3）中間層

硬件層與軟件層之間為中間層，也稱為硬件抽象層（Hardware Abstract Layer,HAL）或者板級(jí)支持包（Board Support Package,BSP），它使系統(tǒng)的上層軟件與底層硬件分離開，該層一般包含相關(guān)底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作和硬件設(shè)備的配置功能。

（4）硬件層

硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用設(shè)備接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。在一嵌入式處理器基礎(chǔ)上添加電源電路、時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)器電路，就構(gòu)成了一個(gè)嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以固化在ROM中。

3.嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）幾個(gè)重要特點(diǎn)：

① 系統(tǒng)內(nèi)核小

由于嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置的，系統(tǒng)資源相對(duì)有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。

② 專用性強(qiáng)

嵌入式系統(tǒng)的個(gè)性化很強(qiáng)，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對(duì)硬件進(jìn)行系統(tǒng)的移植，即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進(jìn)行修改。同時(shí)針對(duì)不同的任務(wù)，往往需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行較大更改，程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結(jié)合，這種修改和通用軟件的“升級(jí)”是完全兩個(gè)概念。

③ 系統(tǒng)精簡(jiǎn)

嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的明顯區(qū)分，不要求其功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)上過于復(fù)雜，這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，同時(shí)也利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全。

④ 嵌入式系統(tǒng)代碼質(zhì)量高

由于嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量仍然存在一定程度的限制，另外，由于大部分嵌入式系統(tǒng)必須具有較高的實(shí)時(shí)性，因此軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性。

（2）嵌入式系統(tǒng)的三要素

① 嵌入性：計(jì)算機(jī)嵌入到對(duì)象體系中。

② 內(nèi)含計(jì)算機(jī)：實(shí)現(xiàn)對(duì)象系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)智能化控制。

③ 專用性：軟、硬件按對(duì)象要求裁減，軟件配置必須依據(jù)嵌入對(duì)象的要求設(shè)計(jì)成專用的系統(tǒng)。

4.嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用

嵌入式系統(tǒng)在很多產(chǎn)業(yè)中廣泛的應(yīng)用，包括工業(yè)自動(dòng)化、國(guó)防、運(yùn)輸和航天領(lǐng)域。在日常生活中，幾乎所有帶有一點(diǎn)—智能—的家電（智能手機(jī)、恒溫空調(diào)、全自動(dòng)洗衣機(jī)、電腦電飯煲…）都是嵌入式系統(tǒng)。

在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)手套、頭盔等也都是嵌入式系統(tǒng).嵌入式系統(tǒng)廣泛的適應(yīng)能力和多樣性，使得教學(xué)、娛樂、游戲、視聽、工作場(chǎng)所甚至健身設(shè)備中到處都有嵌入式系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域如圖2所示。

三、嵌入式系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)過程

一是在程序總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和編制中，軟件程序的開發(fā)者應(yīng)當(dāng)盡做好軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的結(jié)合工作，減輕對(duì)硬件系統(tǒng)的依賴。同時(shí)這樣的設(shè)計(jì)還可以提高其實(shí)時(shí)性和可靠性的特征。

二是因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)在實(shí)際的使用中，可以實(shí)現(xiàn)軟件數(shù)據(jù)的初始化過程和格式化過程。這就保證了程序設(shè)計(jì)的整體過程中，提高了整體的工作效率。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的不斷進(jìn)步和嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，可見嵌入式軟件在計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)中發(fā)揮著不可替代的作用。嵌入式是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

因此，在嵌入式軟件應(yīng)用設(shè)計(jì)的過程中，軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)人員需要根據(jù)相關(guān)的流程，掌握嵌入式軟件的應(yīng)用原理，做好各項(xiàng)架構(gòu)劃分、實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式軟件的的控制，并且注意結(jié)合軟硬系統(tǒng)等，提高軟件的可操作性、穩(wěn)定性，進(jìn)而胃我國(guó)當(dāng)前和未來計(jì)算機(jī)高性能的應(yīng)用與發(fā)展打開新的篇章。