淺析電子系統(tǒng)嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)

趙全浩

（山東科技大學(xué)，山東青島，266590）

1 嵌入式計(jì)算機(jī)特點(diǎn)分析

■1.1 嵌入對(duì)象較為廣泛

隨著微電子技術(shù)不斷的深入發(fā)展，嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠完成其他所有系統(tǒng)機(jī)設(shè)備，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了其性能的優(yōu)化與創(chuàng)新發(fā)展。例如，我國(guó)傳統(tǒng)模式下的洗衣機(jī)，通常情況下都是采用人工操作方式實(shí)現(xiàn)，并且其整個(gè)洗衣服的過(guò)程、漂洗、甩干等操作，都是實(shí)行分離式操作，整個(gè)操作過(guò)程相對(duì)較為繁瑣。而嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用，成功的解決了傳統(tǒng)洗衣機(jī)的不足與缺陷，并且在整個(gè)洗衣的過(guò)程完善是采用自動(dòng)化控制，極大的提升了洗衣機(jī)工作效率。

■1.2 嵌入形式多樣化

由于系統(tǒng)以及設(shè)備存在著差異，致使其對(duì)于嵌入式計(jì)算機(jī)的要求，會(huì)在很大程度上存在嚴(yán)重的差異?；诖?，在進(jìn)行嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，必然會(huì)出現(xiàn)嵌入形式多樣化，進(jìn)而滿足不同系統(tǒng)機(jī)設(shè)備的實(shí)際需求。

■1.3 嵌入功能相對(duì)專(zhuān)一

嵌入式計(jì)算機(jī)與其他計(jì)算機(jī)有所不同，嵌入式計(jì)算機(jī)屬于專(zhuān)用型計(jì)算機(jī)。并且嵌入式計(jì)算機(jī)在服務(wù)對(duì)象、以及功能目標(biāo)等方面較為明確。并且嵌入式計(jì)算機(jī)的功能領(lǐng)域，呈現(xiàn)出較為專(zhuān)一性的特點(diǎn)。并且在此過(guò)程當(dāng)中，完全不需要添加其他多余的功能，在一定程度上能夠加強(qiáng)對(duì)其成本的有效控制。

■1.4 具有實(shí)時(shí)的嵌入性能

在發(fā)揮嵌入式計(jì)算機(jī)的性能時(shí)，其具有一定的實(shí)時(shí)性特征。此外，嵌入式計(jì)算機(jī)可以有限的范圍內(nèi)，接受命令信號(hào)，并且能夠及時(shí)的完成其既定的任務(wù)。當(dāng)前的這種操作形式，是嵌入式計(jì)算機(jī)本身所具備的特征。因此，在設(shè)計(jì)與構(gòu)造嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的過(guò)程當(dāng)中，設(shè)計(jì)人員需要加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)軟件的配置進(jìn)行考慮，通過(guò)合理的配置其硬件與軟件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)嵌入式計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)性。

■1.5 可靠的嵌入結(jié)構(gòu)

嵌入式計(jì)算機(jī)具有極強(qiáng)的隱蔽性，通常情況下會(huì)隱藏在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，它并不是孤立存在的，倘若不是專(zhuān)業(yè)用戶，難以直接與嵌入式系統(tǒng)。嵌入式計(jì)算機(jī)當(dāng)前的這種模式，主要的優(yōu)勢(shì)在于充分發(fā)揮系統(tǒng)的功能，能夠有效的避免由于人為因素，為該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)帶來(lái)不必要的影響。此外，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在投入使用后，人們難以對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行直接控制。

2 實(shí)時(shí)分布操作系統(tǒng)

電子系統(tǒng)嵌入式計(jì)算機(jī)的軟件大致上可分為：應(yīng)用軟件、硬件模塊支持軟件、操作系統(tǒng)等三個(gè)層次。其一，硬件模塊支持軟件。主要包括圖像處理、網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)、數(shù)據(jù)處理以及信號(hào)處理等部分內(nèi)容。其二，應(yīng)用軟件層。應(yīng)用軟件層主要是一種電子系統(tǒng)功能性軟件，具體包括電子、導(dǎo)航、通訊、數(shù)據(jù)鏈、雷達(dá)等多方面處理軟件。其三，操作系統(tǒng)。分布式操作系統(tǒng)、功能重組、以及軟件動(dòng)態(tài)下載等，能夠?qū)Πl(fā)生的故障進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，隔離等操作，支持應(yīng)用軟件等動(dòng)態(tài)遷移。

■2.1 安全關(guān)鍵內(nèi)核

安全關(guān)鍵內(nèi)核能夠?qū)Σ僮飨到y(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)控制，并將其與分區(qū)操作系統(tǒng)進(jìn)行空間隔離，促使安全內(nèi)核免于受到應(yīng)用程序的影響，與此同時(shí)，有效的避免了分區(qū)操作之間的相互影響。分區(qū)操作系統(tǒng)擁有其專(zhuān)用的時(shí)間片及內(nèi)存，如同在一個(gè)目標(biāo)機(jī)平臺(tái)上運(yùn)行，進(jìn)而有效的隔離子系統(tǒng)當(dāng)中的軟件邏輯。

■2.2 分區(qū)操作系統(tǒng)

電子系統(tǒng)應(yīng)用軟件的運(yùn)行在分區(qū)操作系統(tǒng)中的組件環(huán)境之上[1]，提升系統(tǒng)的重組能力、以及動(dòng)態(tài)管理。并且利用模型設(shè)計(jì)等進(jìn)行自動(dòng)生成，進(jìn)而有效的提升其系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的效率。通過(guò)對(duì)任務(wù)電子系統(tǒng)資源的接口定義，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)安全關(guān)鍵系統(tǒng)的配置及部署[2]。此外，分區(qū)內(nèi)有時(shí)間片資源、以及獨(dú)立的內(nèi)存空間。還具備獨(dú)立的通信管理、儲(chǔ)存管理、健康性管理等。

3 冗余設(shè)計(jì)及功能重組分析

■3.1 冗余設(shè)計(jì)

電子系統(tǒng)嵌入式計(jì)算機(jī)冗余設(shè)計(jì)主要包括以下4級(jí)內(nèi)容：第1級(jí)：功能模塊內(nèi)部。例如，圖像處理模塊中的處理器、信號(hào)處理模塊、以及數(shù)據(jù)處理模塊等。第2級(jí)：功能模塊之間：圖像處理模塊、信號(hào)處理模塊、大容量存儲(chǔ)器模塊、電源模塊之間等。第3級(jí)：網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)之間。網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)主要是利用雙冗余設(shè)計(jì)，并且雙網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)機(jī)雙供電系統(tǒng)，在同時(shí)出現(xiàn)在每一個(gè)模塊當(dāng)中。第4級(jí)：機(jī)架之間。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像處理、數(shù)據(jù)處理、以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)資源冗余。

■3.2 BIT測(cè)試

BIT電路被嵌入到嵌入式計(jì)算機(jī)的每一個(gè)模塊當(dāng)中，并且發(fā)揮BIT的優(yōu)勢(shì)功能，加強(qiáng)對(duì)該模塊的進(jìn)行測(cè)試。BIT電路主要有三種自檢方式分別為：維護(hù)自檢、周期自檢及加電自檢。

■3.3 測(cè)試方法設(shè)計(jì)

在嵌入式計(jì)算機(jī)的測(cè)試過(guò)程當(dāng)中，主要通過(guò)對(duì)其進(jìn)行定位設(shè)計(jì)以及故障測(cè)試，其中主要包括測(cè)試信號(hào)的主要提取方法、防誤警設(shè)計(jì)、故障方程等。

■3.4 應(yīng)用重構(gòu)

當(dāng)系統(tǒng)當(dāng)中的任意一個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行嘗試應(yīng)用恢復(fù)。一旦嘗試應(yīng)用恢復(fù)出現(xiàn)失敗的情況，則需要根據(jù)實(shí)際情況，加強(qiáng)對(duì)應(yīng)用進(jìn)行遷移或者重構(gòu)。而重構(gòu)主要分為系統(tǒng)重構(gòu)與應(yīng)用重構(gòu)兩種類(lèi)型，例如應(yīng)用重構(gòu)，主要是指對(duì)應(yīng)用軟件之間的關(guān)系加以改變，促使其應(yīng)用功能隨之發(fā)生改變。而靜態(tài)重構(gòu)與動(dòng)態(tài)重構(gòu)作為重構(gòu)的中重要組成部分，具體功能表現(xiàn)在以下方面：其一，動(dòng)態(tài)重構(gòu)。主要是指在應(yīng)用運(yùn)行的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)運(yùn)行組件之間的關(guān)系加以改變，進(jìn)而改變其工作。而靜態(tài)重構(gòu)是針對(duì)應(yīng)用卸載后、或者應(yīng)用為部署的情況下，通過(guò)對(duì)描述文件中的組件連接關(guān)系進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其新的連接方式。此外，系統(tǒng)重構(gòu)主要是指對(duì)系統(tǒng)內(nèi)全部的應(yīng)用，按照系統(tǒng)當(dāng)前的資源狀況進(jìn)行重新的分配部署戰(zhàn)略[2]。而系統(tǒng)重構(gòu)同樣具備動(dòng)態(tài)重構(gòu)與靜態(tài)重構(gòu)兩種形式，所謂的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)是指基于系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)中，對(duì)系統(tǒng)當(dāng)中的運(yùn)行的應(yīng)用進(jìn)行遷移。而系統(tǒng)靜態(tài)重構(gòu)是指對(duì)系統(tǒng)配置描述進(jìn)行修改后，重新啟動(dòng)系統(tǒng)。

4 嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用分析

■4.1 家用電氣系統(tǒng)嵌入式計(jì)算機(jī)

在人們的日常生產(chǎn)生活過(guò)程當(dāng)中，家用電氣系統(tǒng)嵌入式計(jì)算機(jī)較為常見(jiàn)。例如，冰箱、全自動(dòng)洗衣機(jī)、空調(diào)、以及數(shù)字電視等家用電器，雖然，人們不能夠用眼睛觀察，但是家用電氣系統(tǒng)嵌入式計(jì)算機(jī)的存在，為人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)了重大改變。由于嵌入式計(jì)算機(jī)在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，極大的豐富了空調(diào)的自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度、睡眠等功能，不但有效的降低了電能的消耗，而且還有助于節(jié)能環(huán)保，在很大程度上為人們的生活提供了便利。

■4.2 工業(yè)控制嵌入式計(jì)算機(jī)

嵌入式計(jì)算機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠在一定程度上加強(qiáng)對(duì)工業(yè)相關(guān)設(shè)備的控制與管理，極大的提升了設(shè)備的運(yùn)行效率。例如，現(xiàn)階段工業(yè)領(lǐng)域所使用的嵌入式工控機(jī)，是一種針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)而進(jìn)行設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)緊湊型計(jì)算機(jī)[3]。并且在工作環(huán)境及溫度較為惡劣的情況下，嵌入式工控機(jī)仍然能夠保持靈活運(yùn)用，主要包括監(jiān)控等領(lǐng)域的應(yīng)用。

■4.3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)嵌入式計(jì)算機(jī)

嵌入式計(jì)算機(jī)在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)中的應(yīng)用，是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然之舉。當(dāng)前由于編碼的開(kāi)放的原因，導(dǎo)致嵌入式計(jì)算機(jī)在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)中得到廣泛的應(yīng)用后，能夠?qū)^大部分的系統(tǒng)程序進(jìn)行再次編輯，進(jìn)而促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用的便捷性。例如，嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠保障在相同設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，建立不同的系統(tǒng)，并且在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)功能的多樣化。不但可以有效的降低了設(shè)備的硬件成本。而且還通過(guò)數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品使用周期的延緩，為我國(guó)醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)在我國(guó)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程，終于從技術(shù)探索階段走向了技術(shù)成熟的階段，并在我國(guó)社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并且為各行各業(yè)的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的保障基礎(chǔ)。因此，在嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，要給予其足夠的重視，發(fā)揮嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)各行各業(yè)的良好發(fā)展。此外，嵌入式計(jì)算機(jī)對(duì)人們的日常生產(chǎn)生活帶來(lái)了嚴(yán)重的影響，例如家用電氣系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用，發(fā)揮著嵌入式計(jì)算機(jī)不可替代的作用。相信在未來(lái)的發(fā)展歷程當(dāng)中，由于信息技術(shù)的不斷發(fā)函，必然會(huì)將嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)推向新一輪的發(fā)展高峰。