計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)核心技術(shù)的開(kāi)發(fā)探討

王騰飛 光電控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)主要是為了解決計(jì)算機(jī)系統(tǒng)只能借助其他系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)直接調(diào)控設(shè)備的運(yùn)行這一難題，計(jì)算機(jī)嵌入系統(tǒng)的出現(xiàn)使得計(jì)算機(jī)對(duì)其設(shè)備的調(diào)控變得靈活和便捷，極大的方便了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在我們?nèi)粘Ｉ钪械倪\(yùn)用，也加快了計(jì)算機(jī)技術(shù)的跟新?lián)Q代，計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)對(duì)于計(jì)算機(jī)的發(fā)展具有重要意義。

1 計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)

1.1 什么是計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)一般是以應(yīng)用為中心，相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)的非PC系統(tǒng)，一般包括硬件和軟件兩個(gè)部分。同時(shí)軟件和硬件都可以進(jìn)行裁剪，適用于要求較高得專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)一般包括嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備如存儲(chǔ)器和外設(shè)器、圖形控制器等，軟件系統(tǒng)部分包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)主要是為了用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視和管理。其中嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)較為核心的部分，嵌入式微處理器具有支持多任務(wù)減小任務(wù)執(zhí)行時(shí)間、保護(hù)存儲(chǔ)區(qū)、可擴(kuò)張的處理器結(jié)構(gòu)以及功耗低等特點(diǎn)。

1.2 計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般有通用型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兩種，其中嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一種基于計(jì)算機(jī)的以應(yīng)用為中心的系統(tǒng)，具有建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本低、體積小、功耗小、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。與通用型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1）個(gè)性化。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)設(shè)備主要采用的是通用型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的運(yùn)用功能和運(yùn)用模板基本相似。而隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，慢慢的出現(xiàn)了嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是為特定使用人群所設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)趨于小型化，因嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體積小，其移動(dòng)性能好，集成度高，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是將各行各業(yè)先進(jìn)系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子信息技術(shù)等，因其技術(shù)的先進(jìn)性使其成為技術(shù)、資金高度集中和不斷更新的知識(shí)集成系統(tǒng)。

(2）綜合化。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)涉及行業(yè)和領(lǐng)域眾多，具有較強(qiáng)的綜合性和技術(shù)緊密性。

(3）性能化。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作功能多，執(zhí)行效率和準(zhǔn)確度均較高，具有統(tǒng)一的內(nèi)部系統(tǒng)模塊，自動(dòng)化程度高。

(4）長(zhǎng)期性。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)其技術(shù)要求高，一般隨著相應(yīng)技術(shù)的更新?lián)Q代而做出革新，自主選擇性強(qiáng)，市場(chǎng)潛力大，因其技術(shù)的革新整個(gè)嵌入式系統(tǒng)也在不斷的革新，市場(chǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)更新?lián)Q代速度快。

(5）安全系數(shù)高。與通用型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行速度更快，信息一般儲(chǔ)存在單片機(jī)和芯片中。

2 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程分析

2.1 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程分析

嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程一般有兩個(gè)主體即宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)。宿主機(jī)主要以目標(biāo)任務(wù)編輯、編譯、銜接和執(zhí)行等功能為主，一般是被作為軟件的開(kāi)發(fā)臺(tái)使用。而所謂的目標(biāo)機(jī)主要是指系統(tǒng)中的硬件平臺(tái)，主要作為軟件運(yùn)行平臺(tái)使用。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程一般為：

(1）將系統(tǒng)所需應(yīng)用程序通過(guò)目標(biāo)機(jī)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制代碼。這個(gè)過(guò)程包括編輯應(yīng)用程序、編譯代碼等過(guò)程。編譯時(shí)主要用到編譯器對(duì)相關(guān)操作進(jìn)行執(zhí)行，在使用編譯器處理時(shí)，不僅僅只是將數(shù)據(jù)翻譯為人工可以解讀的代碼，而是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)平臺(tái)發(fā)射設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集然后再對(duì)其進(jìn)行翻譯。

(2）現(xiàn)階段主要采用的編譯器是將源代碼直接轉(zhuǎn)換為目標(biāo)文件的arm-Linux-gcc編譯器。嵌入式軟件移植多通過(guò)儲(chǔ)存器將數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存在特定位置。

(3）最后是將數(shù)據(jù)通過(guò)目標(biāo)文件形式發(fā)送給用戶(hù)，發(fā)送時(shí)應(yīng)保證文件傳輸沒(méi)有發(fā)生偏移，同時(shí)還應(yīng)注意無(wú)論是存儲(chǔ)還是傳輸過(guò)程，執(zhí)行的都是二進(jìn)制代碼。

2.2 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的平臺(tái)數(shù)據(jù)處理過(guò)程分析

平臺(tái)數(shù)據(jù)處理，主要處理的是系統(tǒng)所需軟件。該過(guò)程較為復(fù)雜，涉及面較廣，一般需要在PC機(jī)上操作，當(dāng)寫(xiě)好代碼后再進(jìn)行軟件編寫(xiě)和移植，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為軟件開(kāi)發(fā)模式。對(duì)軟件進(jìn)行編寫(xiě)時(shí)需要注意系統(tǒng)的可移植性，一般移植性能越高的軟件越容易在編程時(shí)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言類(lèi)型的轉(zhuǎn)化，在實(shí)際操作時(shí)需要操作者盡可能降低系統(tǒng)函數(shù)的設(shè)置次數(shù)。對(duì)不相干的內(nèi)容及時(shí)進(jìn)行屏蔽處理，字節(jié)的存放順序和數(shù)據(jù)空間的占用情況息息相關(guān)，因及時(shí)做好屏蔽，同時(shí)對(duì)于大端字節(jié)其位置因放于高地址處，小端字節(jié)其位置因放于低地址處。在實(shí)際操作時(shí)，應(yīng)先做好順序調(diào)整，再進(jìn)行儲(chǔ)存，以免造成工作量和資源的浪費(fèi)。

3 計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)核心技術(shù)

3.1 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的集成電路技術(shù)

嵌入式開(kāi)發(fā)一般涉及嵌入式硬件開(kāi)發(fā)、嵌入式驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和嵌入式軟件開(kāi)發(fā)，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)而言需要開(kāi)發(fā)者熟悉操作系統(tǒng)的原理，比如內(nèi)存管理、線(xiàn)程調(diào)度、文件系統(tǒng)等。對(duì)于操作者而言要求高，開(kāi)發(fā)難度大，市場(chǎng)上大多數(shù)公司都是進(jìn)行系統(tǒng)移植。集成電路技術(shù)的開(kāi)發(fā)是嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中比較重要的部分，集成電路開(kāi)發(fā)主要是采用半導(dǎo)體工藝在單晶硅上對(duì)其導(dǎo)管、電容器等進(jìn)行操作。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，元件有不同的組合要求。集成電路技術(shù)主要解決了嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中元部件的連接和使用問(wèn)題，保證了小型部件的操作需求和操作準(zhǔn)確性，集成電路技術(shù)的運(yùn)用在一定程度上還提高了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全性能。全定制的集成電路技術(shù)中，往往需要先通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)各層級(jí)實(shí)行優(yōu)化，然后再對(duì)其進(jìn)行模擬匹配，在整個(gè)過(guò)程中需要保證過(guò)程的邏輯性和功能性，完成設(shè)計(jì)后需要確保產(chǎn)品的品質(zhì)性能優(yōu)勢(shì)。

3.2 嵌入式新系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中的處理器技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)由嵌入式硬件系統(tǒng)、嵌入式軟件系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、用戶(hù)的應(yīng)用程序和嵌入式微處理器等構(gòu)成。嵌入式微處理器技術(shù)是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中的核心技術(shù)。作為嵌入式系統(tǒng)中的關(guān)鍵性處理技術(shù)，處理器需要對(duì)數(shù)字、聲音、圖像等內(nèi)容進(jìn)行處理，處理成便于用戶(hù)獲取的信息。此外，嵌入式微處理技術(shù)還能增加數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存安全，提升程序執(zhí)行效率。在新系統(tǒng)研發(fā)時(shí)，通用型處理器主要運(yùn)用于通用技術(shù)方面，主要是為了方便系統(tǒng)功能的改造，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸途徑使系統(tǒng)操作流程中運(yùn)用到邏輯單元。針對(duì)具有單一技術(shù)要求的用戶(hù)，需以單一性功能為主，在程序開(kāi)發(fā)時(shí)滿(mǎn)足用戶(hù)指令。在整個(gè)研發(fā)過(guò)程中還應(yīng)充分利用解碼器對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和編碼。對(duì)于專(zhuān)業(yè)技術(shù)而言，嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要是為了滿(mǎn)足用戶(hù)功能的最優(yōu)。

3.3 嵌入式計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)中的智能優(yōu)化

智能化技術(shù)的發(fā)展的研究是時(shí)代發(fā)展的必然產(chǎn)物，嵌入式開(kāi)發(fā)中的智能化技術(shù)將會(huì)對(duì)整體技術(shù)水平產(chǎn)生質(zhì)的影響，在進(jìn)行智能化技術(shù)開(kāi)發(fā)時(shí)需要注意多個(gè)軟件相互配合同時(shí)通過(guò)相應(yīng)的執(zhí)行程序代碼進(jìn)行執(zhí)行。

4 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)所涉及的技術(shù)較多，而且大多數(shù)技術(shù)都為時(shí)代前沿技術(shù)，更新速度快，研究者眾多，因此計(jì)算機(jī)嵌入式技術(shù)也應(yīng)跟隨相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，逐步的提升自己，開(kāi)發(fā)者還應(yīng)及時(shí)對(duì)市場(chǎng)相應(yīng)技術(shù)進(jìn)行關(guān)注，對(duì)于計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)所涉及的專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行完整系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，以保證在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上最大程度的創(chuàng)新。計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用十分廣泛，涉及我們生活的方方面面，包括工業(yè)生產(chǎn)、控制等。本文主要對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的定義和特定進(jìn)行了介紹，然后通過(guò)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程和核心技術(shù)分析，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的核心開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)行了探討和研究，在未來(lái)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)技術(shù)還需要更多的人參與進(jìn)來(lái)，以此保證技術(shù)的及時(shí)更新和相關(guān)領(lǐng)域效率的有效提高。