單片機(jī)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

李涵鑫　鐘月棋

摘要：在現(xiàn)代社會(huì)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)日益發(fā)展的今天，嵌入式系統(tǒng)得到了更多廣泛的應(yīng)用，成為當(dāng)今社會(huì)飽受關(guān)注的領(lǐng)域之一。其帶來的后pc時(shí)代，將嵌入式系統(tǒng)的便捷性、實(shí)時(shí)性、智能性帶入生活家電、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，信息計(jì)算、工業(yè)技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域中。本文就此探討單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的有關(guān)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：嵌入式 ARM 單片機(jī)

引言

計(jì)算機(jī)行業(yè)自上個(gè)世紀(jì)八十年代起開始蓬勃發(fā)展，無論是從軟件的更新迭代，還是硬件的功能開發(fā)都有不小的應(yīng)用領(lǐng)域，而嵌入式技術(shù)的發(fā)展在工業(yè)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信，物流管理，日常家具都帶來了巨大的變革，所以本文先行對(duì)于單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行總結(jié)，從而牽引出單片機(jī)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1單片機(jī)簡(jiǎn)述

1.1單片機(jī)概述

單片機(jī)，意指在一塊電路板上實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。由于基于半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的逐漸成熟，作為計(jì)算機(jī)工業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)，單片機(jī)也由理論概念成為具備可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。從早期僅以微處理器為核心，加以外圍電路形成一塊電路模板，到現(xiàn)在一塊徽控制器中，集成了CPU、內(nèi)存儲(chǔ)器、通用I/O，計(jì)數(shù)器，串行通信等，已經(jīng)成為一個(gè)具備較好實(shí)用性的MCU。單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展成熟極大的促進(jìn)了社會(huì)各領(lǐng)域的發(fā)展，尤其是針對(duì)于一些傳統(tǒng)領(lǐng)域無疑是巨大的節(jié)省了其人力與物力的開支。，社會(huì)需求的不斷提升，也不斷加速了先進(jìn)技術(shù)的提高。作為全球最大的RISC芯片設(shè)計(jì)公司，ARM公司在嵌入式技術(shù)主要以精簡(jiǎn)指令集為主，但由與社會(huì)要求的不斷提高，嵌入式技術(shù)也具備了相應(yīng)的調(diào)整，例如對(duì)Java的支持、中斷技術(shù)，流水線處理等，此后ARM公司推出CortexA、CortexR、CortexM系列芯片，分別針對(duì)微處理器，實(shí)時(shí)控制，微處理器進(jìn)行了分類應(yīng)用，這樣重大的技術(shù)更新，既是對(duì)以往技術(shù)的整理，也是更好的進(jìn)行功效更好的技術(shù)開發(fā)。

1.2單片機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

目前嵌入式技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入成熟階段，目前所有的芯片設(shè)計(jì)廠商都在針對(duì)現(xiàn)有的指令集進(jìn)行不斷地優(yōu)化，比如ARM公司自ARM7開始增加到Thumb指令集，但其作為一個(gè)16位RISC指令集并不能很好的完成所有的32位標(biāo)準(zhǔn)指令集的功能，因此ARM公司將16位與32位指令集集合在一起，平衡了性能和成本以及低功耗的矛盾，這樣的方式也是未來指令集發(fā)展的主要趨勢(shì)。

目前單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)更加的趨于集成與嵌入式，從早期的單板模型到后來的MCU微控制器，以至于到現(xiàn)在的soc嵌入式系統(tǒng)式單片機(jī)，無一不體現(xiàn)出集成與嵌入的設(shè)計(jì)思想。嵌入式技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，就不可避免的提到指令集的優(yōu)化與ARM的v4到v7架構(gòu)，比如流水線技術(shù)的更新，從ARM7的三級(jí)流水到ARM9的五級(jí)流水，以及增加的分支預(yù)測(cè)，但值得一題的是，并不是架構(gòu)的越高，便代表著低版本的架構(gòu)便可以拋棄，ARM各版本的架構(gòu)其定位于設(shè)計(jì)不一致，就導(dǎo)致了其各有各的特色功能，比如ARM9雖然采用五級(jí)流水，但其更多的針對(duì)于定位能力的優(yōu)化，但對(duì)于一些實(shí)時(shí)性高要求的應(yīng)用中，大多采用ARM7架構(gòu)。

2嵌入式系統(tǒng)概述

2.1嵌入式系統(tǒng)基本特點(diǎn)

在IEEE定義中，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器和車間運(yùn)行的裝置”，是指以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁減、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)。

2.1.1特定功能性

嵌入式系統(tǒng)面向于特定機(jī)器有特定功能，具有低功耗、體積小，集成度好的特點(diǎn)。

2.1.2知識(shí)集成結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)集合了計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體技術(shù)、以及先進(jìn)的電子技術(shù)。其是各種高新技術(shù)的優(yōu)秀集合。

2.1.3高集合性

由于單片機(jī)體積小，因此就必須在小范圍內(nèi)做到最多功能的實(shí)現(xiàn)，因此精簡(jiǎn)度高。

2.1.4環(huán)境不可開發(fā)

嵌入式系統(tǒng)需要借助一套完整的開發(fā)工具和環(huán)境進(jìn)行開發(fā)。

2.2嵌入式系統(tǒng)組成部分

2.2.1嵌入式系統(tǒng)處理器

嵌入式系統(tǒng)處理器作為嵌入式系統(tǒng)的核心，具備優(yōu)秀的信息處理能力。由于嵌入式系統(tǒng)具備高集成度特點(diǎn)，嵌入式系統(tǒng)處理器具有良好的可靠性和安全性。在單片機(jī)的不斷發(fā)展中嵌入式系統(tǒng)從開始復(fù)雜指令集（CISC）到精簡(jiǎn)指令集（RISC），和完全精簡(jiǎn)指令集的變化，其中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在上文中也提到目前逐漸向soc嵌入式系統(tǒng)化方向發(fā)展的趨勢(shì)。

目前ARM處理器推出了了ARMlI后，不再開始向下進(jìn)行兼容，從而推出了Cortex系列，其中包括A系列，R系列，M系列，分別針對(duì)微處理器，實(shí)時(shí)控制，微處理器進(jìn)行了分類應(yīng)用。Cortex將完全采用Thumb-2指令集進(jìn)行完全的指令精簡(jiǎn)操作，不僅如此其還推出了NVIC（可嵌入式中斷向量控制器），從而達(dá)到中斷控制，

2.2.2嵌入式系統(tǒng)外圍設(shè)備

基本存儲(chǔ)設(shè)備其中包括SRAM和DRAM，還有FLASH，根據(jù)其特點(diǎn)在嵌入式系統(tǒng)中采用不同的存儲(chǔ)設(shè)備。通信接口則包括USB接口、RS—232接口、Ethernet、GPIO等。

2.3嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與發(fā)展前景

2.3.1嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)應(yīng)用

（1）家用電器

隨著智能家居概念的不斷火熱，嵌入式系統(tǒng)與傳統(tǒng)家電的結(jié)合不斷被人們所提到。在傳統(tǒng)的家電中，單片機(jī)在其中僅僅承擔(dān)著保持功能正常運(yùn)行的目的，并不會(huì)去根據(jù)實(shí)際問題做出相應(yīng)的調(diào)整，而更多的需要人工的幫助，在這樣的一種情況下，人工的壓力并沒有因此而減少。由于嵌入式系統(tǒng)的智能性，人們更多的寄于能盡可能少的減少人工的成分，因此嵌入式系統(tǒng)與家電的結(jié)合將帶領(lǐng)人們進(jìn)入_個(gè)嶄新的領(lǐng)域。

（2）工業(yè)技術(shù)

工業(yè)生產(chǎn)中，精度會(huì)成為必不可少的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一，而人工的進(jìn)行將因?yàn)槿肆Φ谋厝蝗毕?，例如肉眼局限，精力有限等，這樣生產(chǎn)的出來的產(chǎn)品并不符合產(chǎn)品規(guī)范而且也會(huì)給企業(yè)帶來巨大損失，而嵌入式系統(tǒng)與工業(yè)相結(jié)合，其高度可靠性和唯一確定性，將確保每一個(gè)產(chǎn)品的規(guī)范符合要求，而且也大大減少了企業(yè)人力的開支。

（3）環(huán)境監(jiān)測(cè)

環(huán)境監(jiān)測(cè)站使用無人機(jī)，傳感器等檢測(cè)設(shè)備對(duì)惡劣環(huán)境，復(fù)雜地形進(jìn)行針對(duì)性監(jiān)測(cè)。其中包括水文環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，天氣狀況監(jiān)測(cè)，空氣質(zhì)量檢測(cè)，以及針對(duì)防洪體系以及堤壩安全進(jìn)行相應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)。

2.3.2嵌入式系統(tǒng)發(fā)展前景

如今嵌入式系統(tǒng)發(fā)展更加的趨于提供更加生動(dòng)的人機(jī)交互界面;對(duì)于更多小型電子產(chǎn)品具備更好的移植性，從而實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化，低功耗，智能化。

3基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用

3.1嵌入式系統(tǒng)在WEB服務(wù)器中的實(shí)例

在工業(yè)設(shè)計(jì)中，軟硬件的精簡(jiǎn)性對(duì)于服務(wù)器有較高的要求，而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器并不具有簡(jiǎn)潔性，且支持網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)中實(shí)現(xiàn)對(duì)于計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程操控。而采用將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備嵌入到嵌入式設(shè)備中，將大大減少用戶的訪問時(shí)間，以及能夠精準(zhǔn)的控制外部I/O。而嵌入式WEB服務(wù)器不采用傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議連入互聯(lián)網(wǎng)，而是選擇了由TCP/IP簡(jiǎn)化的UIP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)嵌入式WEB服務(wù)器。這樣的嵌入式WEB服務(wù)器不僅具有簡(jiǎn)潔性，而且使MCU具有更多的空間去控制外部I/O。

3.2基于嵌入式系統(tǒng)的傳感技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域從2009年溫家寶總理提出建立中國傳感信息中心開始便逐漸成為眾多學(xué)者企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，而傳感技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的重要一環(huán)自然是必不可少。作為承擔(dān)著信息收集角色的傳感器，必然要與嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合。智能傳感技術(shù)具有優(yōu)秀的信息傳遞能力，智能傳感器具備物與物之間的信息交換、物與計(jì)算機(jī)之間的信息傳遞能力，將廣泛應(yīng)用與計(jì)算機(jī)、通信等方面的信息交流和數(shù)據(jù)傳遞。嵌入式智能傳感器在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1]李新奇.單片機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展[J].電子世界，2017（15）：92.

[2]彭侃，基于ARM9的嵌入式軟件平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].東華大學(xué)，2008.

[3]王建勛，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2008，03，16-20.

[4]李振，張勤，王磊.基于ARM的嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（22）：177.

[5]宋俊飛，盧鵬羽，賀茂恩.嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（02）：196.