淺談嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用

郎薇薇

摘 要：本文從嵌入式系統(tǒng)的概念出發(fā)，談到嵌入系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用的廣泛性。從而更深入的闡述嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和其軟件特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；雙師型

1 嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用概述

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)，軟件可編程，硬件可剪裁、重構(gòu)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常嵌入在對象環(huán)境中，并通過其在對象環(huán)境下運(yùn)行的特定程序，完成對外界物理參數(shù)地采集、處理，達(dá)到對控制對象地響應(yīng)或人機(jī)交互的功能[1]。

目前，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向主要是解決接口多樣性、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)應(yīng)用的底層性與對象系統(tǒng)的緊耦合性是其顯著的基本特征。所以，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)是選擇嵌入式系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。

為適應(yīng)技術(shù)發(fā)展需求，嵌入系統(tǒng)在不斷追求結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固可靠、技術(shù)密集、高度分散的同時(shí)，尤以不斷創(chuàng)新為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展核心。使嵌入系統(tǒng)凸現(xiàn)了高技術(shù)門檻，主要表現(xiàn)在軟硬件設(shè)計(jì)的緊密相關(guān)性上，特別是構(gòu)建RTOS系統(tǒng)需透徹了解RTOS的工作機(jī)制和系統(tǒng)資源配制，掌握底層軟件、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)、調(diào)試方法[2]。

隨著對嵌入式系統(tǒng)的智能化愈加關(guān)注，現(xiàn)場可編程、調(diào)試、引腳配置變得非常重要和必不可少。所以，用戶可配置的SCO（在片系統(tǒng)）已成為現(xiàn)階段嵌入式系統(tǒng)的核心發(fā)展技術(shù)。通過現(xiàn)場可編程陣列把接口應(yīng)用設(shè)計(jì)和系統(tǒng)開發(fā)留給系統(tǒng)設(shè)計(jì)者，提供靈活、多樣的片上電路設(shè)計(jì)平臺，使電路板設(shè)計(jì)變成在片的芯片配置，將嵌入系統(tǒng)地設(shè)計(jì)帶入了軟硬件的雙編程時(shí)期，進(jìn)一步縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。而下一代的在片系統(tǒng)還將發(fā)展成一個(gè)MUC數(shù)量可縮放的集合體。

在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，雖然高端產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，但由于應(yīng)用對象、環(huán)境的不同特點(diǎn)，嵌入系統(tǒng)的8位機(jī)產(chǎn)品仍因應(yīng)用對象的有限響應(yīng)時(shí)間、完備的集成開發(fā)環(huán)境、良好的性價(jià)比等優(yōu)勢仍然占據(jù)著低端應(yīng)用系統(tǒng)的主流地位。Cygnel公司的C8051F系列產(chǎn)品就充分印證了這點(diǎn)。

回顧嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程，已經(jīng)歷了由模擬向數(shù)字的演進(jìn)過程，現(xiàn)又逐步演變?yōu)閿?shù)模并存情形。由最初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)），到硬編程主宰的專用集成電路時(shí)代，再到今天的現(xiàn)場可編配置時(shí)代。嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)正沿著“許氏循環(huán)”的浪潮不斷前行。而配套的軟件設(shè)計(jì)平臺也隨著科技進(jìn)步在不斷得到完善?？梢灶A(yù)期，軟硬雙可編程的嵌入式系統(tǒng)時(shí)代必會帶來更加便捷的開發(fā)環(huán)境和技術(shù)支持。

2 嵌入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的針對性，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。需解決好軟硬件的同步與集成設(shè)計(jì)問題，要結(jié)合具體應(yīng)用進(jìn)行綜合考慮，保證設(shè)計(jì)工作的一致性與正確性。在針對具體應(yīng)用系統(tǒng)的功能目標(biāo)分析基礎(chǔ)上，分解整個(gè)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能指標(biāo)和技術(shù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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)品綜合成本等多方面因素進(jìn)行權(quán)衡考慮。

2.1 在明確系統(tǒng)性能需求的基礎(chǔ)上，細(xì)化以下考慮因素

1）系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)手段的軟硬件分配。

2）器（部）件選擇和系統(tǒng)構(gòu)建。包括微處理器芯片、外圍接口電路、各種驅(qū)動電路形式、器部件類型、前后向通道處理方式、人機(jī)界面和手段等。

3）控制算法設(shè)計(jì)以及軟件系統(tǒng)的架構(gòu)形式。

4）語言選擇。依據(jù)設(shè)計(jì)者熟練程度和習(xí)慣、開發(fā)環(huán)境和控制功能要求選取。

5）抗干擾問題的解決與設(shè)計(jì)。包括軟件的和硬件的、常規(guī)的和特定的。

6）實(shí)現(xiàn)工藝和方式。包括印制板設(shè)計(jì)、走線安裝、裝配工藝、新材料或新技術(shù)的應(yīng)用等。

在各實(shí)施階段，對項(xiàng)目進(jìn)度、關(guān)鍵技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)因素必須進(jìn)行審查評估，評價(jià)軟一硬件的功能設(shè)計(jì)與分配，以及實(shí)現(xiàn)的技術(shù)性能、工作量和時(shí)間進(jìn)度。明確電路之間的接口參數(shù)、軟一硬件功能銜接，以及項(xiàng)目中存在的問題和缺陷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵部位或矛盾突出點(diǎn)的瓶頸問題，將隱患排除在早期設(shè)計(jì)階段[3]。

2.2 嵌入系統(tǒng)中微處理器選擇應(yīng)考慮

1）MCU的算術(shù)、邏輯處理能力；運(yùn)算速度和時(shí)鐘頻率；總線控制功能、中斷方式和仲裁機(jī)制；RAM和FLASHROM容量；軟件加密保護(hù)。

2）外圍接口功能的可重構(gòu)配置能力；數(shù)據(jù)通訊模式；前后向通道類型；端口電壓的適應(yīng)能力等；

3）開發(fā)工具的在線調(diào)試或仿真能力；FLASH代碼讀寫環(huán)境；編程語言的支持程度；代碼的可移植性等。

4）電源電壓；功耗等。

3 嵌入系統(tǒng)的軟件特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)是可利用資源有限、專用性很強(qiáng)、實(shí)時(shí)性要求也很高的應(yīng)用控制系統(tǒng)。故在軟件設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)手段上，嵌入系統(tǒng)軟件同PC機(jī)軟件存在很大差異，主要表現(xiàn)在：

3.1 實(shí)時(shí)性的控制方法

PC軟件提升速率方法，極大依賴處理器性能提升，還體現(xiàn)在緩存方案、動態(tài)分配等技術(shù)手段上。但在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用這些技術(shù)就存在硬件資源不足、工作頻率低的現(xiàn)實(shí)問題，會降低系統(tǒng)的可靠性。

3.2 特定的異構(gòu)特征

嵌入式控制軟件設(shè)計(jì)既要考慮特定的硬件固有部分，也要考慮來自系統(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(shí)時(shí)期望和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的異步并發(fā)事件處理能力。因此不同的硬件系統(tǒng)或控制目標(biāo)，將會產(chǎn)生不同的系統(tǒng)構(gòu)建方案。

3.3 系統(tǒng)的性能目標(biāo)

編寫嵌入式軟件必須著重考慮與硬件系統(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，實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用環(huán)境下的控制功能、實(shí)時(shí)性響應(yīng)的目標(biāo)要求。因此，嵌入系統(tǒng)要在借鑒通用軟件技術(shù)，遵循軟件工程理論，規(guī)范軟件開發(fā)過程的同時(shí)。還應(yīng)根據(jù)嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)研究開發(fā)技術(shù)和算法結(jié)構(gòu)，提高開發(fā)效率，確保系統(tǒng)軟件的質(zhì)量和可靠性，以及軟件的復(fù)用性、可移植性和易維護(hù)性?？v觀嵌入式軟件設(shè)計(jì)方法的發(fā)展歷程，走過了從結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)、面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)、基于構(gòu)件的設(shè)計(jì)階段，經(jīng)歷了單任務(wù)到多任務(wù)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)語

隨著嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展，數(shù)字時(shí)代的到來，嵌入式系統(tǒng)及其產(chǎn)品獲得了巨大的發(fā)展力量。嵌入式系統(tǒng)的軟硬件成本更低，更加協(xié)調(diào)，算法更加精簡，系統(tǒng)功耗更加低，人機(jī)界面更加友好，功能更加強(qiáng)大，應(yīng)用也越來越廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1]方爾正，王燕.嵌入式技術(shù)及其應(yīng)用[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[2]王志英，李宗伯.嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)[M].高等教育出版社，2007.

[3]慕春棣.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社，2012.