嵌入式軟件在計算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

沈 正，粱鑒如，楊明來

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院，上海 201620；2.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)軌道交通學(xué)院，上海 201418）

0 引言

隨著信息化社會的發(fā)展，諸多計算機(jī)軟件開發(fā)部門對嵌入式軟件應(yīng)用的關(guān)注度逐漸提高，嵌入式軟件與人們的日常生活及工作的聯(lián)系也越來越緊密。相關(guān)研究人員對嵌入式軟件進(jìn)行具體研究與分析時，應(yīng)明確軟件應(yīng)用過程中存在的問題及需要注意的事項，從而為計算機(jī)軟件開發(fā)工作提供參考。針對嵌入式軟件開發(fā)與維護(hù)，很多學(xué)者進(jìn)行了大量研究。如文獻(xiàn)［1］分析了嵌入式實時軟件在計算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用；文獻(xiàn)［2］探討了嵌入式軟件開發(fā)過程，提出嵌入式軟件的應(yīng)用可以提高軟件開發(fā)效率；文獻(xiàn)［3］分析了我國嵌入式軟件發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，并對促進(jìn)嵌入式軟件發(fā)展提出了合理建議；文獻(xiàn)［4］介紹了一種適合嵌入式軟件的單元測試方法，可提高嵌入式軟件的代碼質(zhì)量；文獻(xiàn)［5］提出一種基于模型的嵌入式軟件開發(fā)方法，比較了不同建模工具，并對嵌入式軟件開發(fā)流程進(jìn)行研究，驗證了基于模型驅(qū)動的軟件開發(fā)方法能有效提高嵌入式軟件開發(fā)效率；文獻(xiàn)［6］提出一種基于量子框架與Stateflow 模型的嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計方法，兩者結(jié)合可以實現(xiàn)基于模型的嵌入式軟件開發(fā)方法。

本文主要對嵌入式軟件的概念、類型及開發(fā)過程中使用的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，分析了嵌入式軟件應(yīng)用過程中存在的實際問題，從而為后續(xù)計算機(jī)軟件開發(fā)工作提供參考。

1 嵌入式軟件理論綜述

1.1 概念

嵌入式系統(tǒng)主要是指能夠幫助人們控制與監(jiān)測設(shè)備的裝置，是一套專用的計算機(jī)系統(tǒng)［7］。其涉及多種構(gòu)成部件，例如傳感器、微處理器、存儲器、微控制器以及定時器等，這些微電子芯片及器件與嵌入在存儲器中的控制應(yīng)用、微型操作系統(tǒng)有效融合，共同完成自動化處理任務(wù)［8］。此外，嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用功能作為核心，以計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、通訊技術(shù)及控制技術(shù)等作為基礎(chǔ)，在一定程度上重點強(qiáng)化硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的整合性及協(xié)同性，利用軟件系統(tǒng)及硬件系統(tǒng)可剪裁的性質(zhì)，實現(xiàn)系統(tǒng)對成本、功耗等方面的要求［9］。

其中，簡單的嵌入式系統(tǒng)僅具有設(shè)備控制功能，以單片機(jī)為例進(jìn)行分析，在只讀存儲器（ROM）中只包含具有簡單控制功能的程序，而且不涉及微型操作系統(tǒng)。較復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)主要由諸多小型嵌入式系統(tǒng)組成，具備的功能與PC 基本一致，例如手持電腦及個人數(shù)字助理等。從根本上來說，復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)與PC 之間的主要區(qū)別為：嵌入式系統(tǒng)是將微型操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件嵌入到FLASH 存儲器、ROM 等部件中［10］，而非將其儲存在磁盤等系列載體內(nèi)。

1.2 分類

嵌入式軟件主要包括3 種類型，即嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式支撐軟件以及嵌入式應(yīng)用軟件。

1.2.1 嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)屬于應(yīng)用范圍相對較廣的系統(tǒng)軟件，以往該操作系統(tǒng)大多應(yīng)用于國防控制與工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。嵌入式操作系統(tǒng)需要完成以下工作：①對硬件或軟件的控制管理；②協(xié)調(diào)硬件及軟件相關(guān)工作；③對硬件或軟件進(jìn)行適度調(diào)整及改進(jìn)等。對于嵌入式操作系統(tǒng)而言，其在商業(yè)運(yùn)作中發(fā)揮的價值更加明顯，其中WindRiver、Microsoft以及QNX 是我國普遍應(yīng)用的軟件［11］。

1.2.2 嵌入式支撐軟件

嵌入式支撐軟件主要是指為軟件開發(fā)提供幫助及支持的軟件，如開發(fā)工具及數(shù)據(jù)庫等，其中數(shù)據(jù)庫占比相對較大。隨著移動通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對移動數(shù)據(jù)處理的需求逐漸增多，如今嵌入式數(shù)據(jù)庫技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軍事、教育以及工業(yè)領(lǐng)域等。另外，嵌入式移動數(shù)據(jù)庫也被稱為移動數(shù)據(jù)庫［12］，屬于一種特殊的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，與應(yīng)用系統(tǒng)及操作系統(tǒng)共同運(yùn)行在智能移動設(shè)備中，在智能設(shè)備上進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲與計算。

1.2.3 嵌入式應(yīng)用軟件

嵌入式應(yīng)用軟件主要針對某特定領(lǐng)域，在用戶提供的硬件平臺上運(yùn)行軟件。為滿足用戶相關(guān)需求，部分嵌入式軟件在應(yīng)用期間需要選擇指定的嵌入式操作系統(tǒng)［13］。相比普通軟件，嵌入式應(yīng)用軟件不僅需要具備優(yōu)化功能，同時還應(yīng)具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性以及更高的精準(zhǔn)度，從而有效減少硬件投入成本以及系統(tǒng)資源占用?，F(xiàn)階段，社會上針對嵌入式應(yīng)用軟件的使用場景很多，如上位機(jī)軟件、辦公軟件等，這些軟件雖然規(guī)模較小，但是技術(shù)含量很高，因此得到了廣泛應(yīng)用。

1.3 特點

嵌入式軟件主要為嵌入式系統(tǒng)提供服務(wù)，因此與硬件設(shè)備聯(lián)系密切。嵌入式軟件屬于應(yīng)用系統(tǒng)，所以其將應(yīng)用部分作為核心內(nèi)容，根據(jù)應(yīng)用需求實現(xiàn)定向開發(fā)。其中，每種嵌入式軟件都有其專屬的應(yīng)用環(huán)境。

嵌入式軟件在一般情況下屬于模塊化軟件，可靈活應(yīng)用于各嵌入式系統(tǒng)中，而且不會對原有系統(tǒng)功能進(jìn)行破壞或更改。因其體積較為小巧，所以不會占用過多系統(tǒng)資源或空間。想要確保其具有更強(qiáng)的適用性，需要不斷調(diào)整與完善系統(tǒng)配置，降低其對系統(tǒng)整體的依賴。

2 嵌入式軟件開發(fā)過程及開發(fā)技術(shù)

2.1 開發(fā)步驟

嵌入式軟件在計算機(jī)軟件設(shè)計中的應(yīng)用可以提升計算機(jī)軟件設(shè)計質(zhì)量及可靠性，從而優(yōu)化計算機(jī)軟件設(shè)計開發(fā)流程。當(dāng)應(yīng)用嵌入式軟件時，應(yīng)該先明確其開發(fā)流程，正確掌握計算機(jī)軟件及硬件結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行有效分離，在一定程度上確保二者能夠獨(dú)立運(yùn)作，以增強(qiáng)計算機(jī)軟件的安全性以及可靠性［8］。此外，還應(yīng)對計算機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行格式化處理，從而保證計算機(jī)軟件設(shè)計工作的有效開展。嵌入式軟件開發(fā)步驟如圖1 所示。

Fig.1 Embedded software development steps圖1 嵌入式軟件開發(fā)步驟

嵌入式軟件開發(fā)步驟主要分為3 步：首先，明確計算機(jī)軟件相關(guān)需求，并對其進(jìn)行分析；其次，在全面掌握與了解計算機(jī)軟件需求的基礎(chǔ)上，操作人員編寫程序代碼；最后，檢測計算機(jī)軟件性能，同時對檢測結(jié)果進(jìn)行分析，從而進(jìn)一步調(diào)整與完善軟件設(shè)計工作。

2.2 組織框架

嵌入式軟件組織框架主要應(yīng)用于桌面系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，而嵌入式系統(tǒng)很少運(yùn)用組織框架，主要因為嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，不具備重復(fù)性特征。如今嵌入式軟件逐漸朝系統(tǒng)化、復(fù)雜化等方向發(fā)展，需要對功能作進(jìn)一步完善。因此，在嵌入式基礎(chǔ)上制定軟件組織框架是很有必要的，甚至可以推動計算機(jī)行業(yè)的發(fā)展。嵌入式軟件組織框架如圖2 所示。

Fig.2 Embedded software organization framework圖2 嵌入式軟件組織框架

2.3 開發(fā)技術(shù)

為了實現(xiàn)對其它設(shè)備的監(jiān)視、管理及控制等功能，嵌入式系統(tǒng)分為4 大板塊，分別是嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式微處理器、用戶應(yīng)用程序以及外圍硬件設(shè)備。處理器技術(shù)與IC 技術(shù)則是嵌入式軟件的中樞技術(shù)，各技術(shù)具體內(nèi)容如下：

2.3.1 處理器技術(shù)

處理器技術(shù)與用于實現(xiàn)系統(tǒng)功能的計算引擎結(jié)構(gòu)相互關(guān)聯(lián)，由于不同處理器面向指定功能的專用化程度不同，致使其設(shè)計指標(biāo)也存在差異。

（1）通用處理器。首先，該類型的處理器無法用數(shù)字電路搭建程序，存儲程序無法適用于各種類型的應(yīng)用［15］；其次，為滿足數(shù)據(jù)寄存的需求，需要使用大量寄存器以及建設(shè)一個或多個通用算術(shù)邏輯單元。

（2）單用途處理器。單用途處理器是指加速器、外設(shè)、處理器這種應(yīng)用于指定程序的數(shù)字電路，例如：壓縮或解壓視頻信息，可用JPEG 編碼解碼器執(zhí)行單一程序。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師可通過特有的數(shù)字電路搭建單用途處理器，也可使用事先制作好的單用途處理器。

（3）專用處理器。專用處理器是針對特定應(yīng)用且可進(jìn)行編程的處理器，也即專用指令集處理器（ASIP）。通過權(quán)衡速度、功耗、成本、靈活性等多個方面的設(shè)計約束，設(shè)計者可以定制ASIP 達(dá)到最好的平衡點，從而適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)的需要。

2.3.2 IC 技術(shù)

（1）全定制VLSI。設(shè)計師從晶體管的版圖連線、尺寸及位置開始策劃，以確保其具有芯片面積小、功耗低、利用率高、速度快等優(yōu)越性能，同時需要根據(jù)指定的嵌入式系統(tǒng)完善各項功能，這就是全定制IC 技術(shù)。大規(guī)模集成電路設(shè)計通常也被稱為全定制的IC 設(shè)計，其利用掩膜［18］在芯片制造廠制作芯片，需要花費(fèi)很長時間，具有高昂的NRE成本，適用于對性能要求相對嚴(yán)苛的應(yīng)用。

（2）半定制ASIC［19］。一種限制型設(shè)計方法，包括標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計法和門陣列設(shè)計法。設(shè)計師只需考慮電路各功能模塊的合理連接即可，因為其是芯片制作過程中的通用性元件。

（3）可編程ASIC。由于可編程器件中所有各層都已存在，所以研發(fā)周期大幅縮短，設(shè)計完成后無需IC 廠家參與，即可將芯片在實驗室制作出來。可編程ASIC 的優(yōu)勢在于其消耗NRE 成本［20］較低，但其劣勢為功耗較大、速度較慢以及單位成本較高。

3 嵌入式軟件在計算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

在嵌入式技術(shù)逐漸成熟和穩(wěn)定的條件下，相關(guān)產(chǎn)品也不斷應(yīng)用于各行各業(yè)中。現(xiàn)階段，嵌入式軟件在汽車電子、互聯(lián)網(wǎng)、通訊等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。

3.1 應(yīng)用原理

在計算機(jī)軟件設(shè)計期間，嵌入式軟件可通過組建相關(guān)專業(yè)化技術(shù)模型，將硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)予以整合。嵌入式實時軟件可在一定程度上解決計算機(jī)軟件設(shè)計期間存在的問題，并且達(dá)到遠(yuǎn)程操控計算機(jī)的目的［21］。因此，在計算機(jī)軟件設(shè)計中合理應(yīng)用嵌入式軟件系統(tǒng)，不僅可以完善計算模式以及系統(tǒng)操作流程，而且可以提升軟件設(shè)計的實用性及安全性，定期對計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行更新與優(yōu)化。

3.2 任務(wù)組織及映像存儲設(shè)置

在嵌入式軟件設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)相關(guān)任務(wù)對其予以有效劃分，以提高軟件使用率，在最大程度上發(fā)揮其核心價值。因為任務(wù)組織方式之間存在邏輯關(guān)系，所以其對于優(yōu)化任務(wù)管理及組織功能發(fā)揮了重要作用［22］。嵌入式操作系統(tǒng)與計算機(jī)操作系統(tǒng)存在一定差異，對于嵌入式操作系統(tǒng)而言，其應(yīng)用程序主要存在于只讀內(nèi)存和交互矢量中，想要使嵌入式系統(tǒng)在運(yùn)行過程中始終保持穩(wěn)定，則需要對計算機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行全方位改進(jìn)與調(diào)整。軟件設(shè)計期間的存儲器布局與應(yīng)用屬于核心內(nèi)容，應(yīng)借助物理地址設(shè)置程序指令，同時編寫執(zhí)行代碼［23］。

3.3 應(yīng)用實時性及任務(wù)調(diào)配

嵌入式軟件系統(tǒng)在使用過程中具有較強(qiáng)的實時性，主要表現(xiàn)在兩個方面：硬件實時性及軟件實時性［24］。硬件實時性是指系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)達(dá)到任務(wù)要求，并且不存在延時的情況；軟件實時性是指軟件開始運(yùn)行后，某個進(jìn)程在分配的響應(yīng)時間內(nèi)必須是可執(zhí)行的，并且必須在規(guī)定的響應(yīng)時間內(nèi)執(zhí)行完。通過操縱操作系統(tǒng)優(yōu)先級的調(diào)度方式，可在規(guī)定的時間范圍內(nèi)實現(xiàn)軟件的實時性。假如有若干個任務(wù)作為軟件策劃的優(yōu)先級任務(wù)核心，為了提升軟件整體響應(yīng)效率，保證重要任務(wù)的完成時間，需要分割出相應(yīng)任務(wù)，根據(jù)任務(wù)的緊急程度增加原有的優(yōu)先級數(shù)［25］。

4 結(jié)語

本文對嵌入式軟件概念、分類、開發(fā)過程以及開發(fā)技術(shù)等進(jìn)行研究，并介紹了嵌入式軟件在計算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用。但因嵌入式軟件應(yīng)用研究目前仍處于起步階段，所以還有諸多內(nèi)容需要不斷完善，例如嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu)屬于較新的研究領(lǐng)域，在后續(xù)工作中還需要作進(jìn)一步研究。