嵌入式系統(tǒng)相關(guān)情況的探究

文/薛凱琳,任鈺

（西安交通工程學(xué)院，陜西西安 710300）

現(xiàn)階段，我國特色嵌入式智能信息化技術(shù)快速發(fā)展，給人們的日常生活及工作學(xué)習(xí)提供了極大的方便。單片的電機(jī)嵌入式開發(fā)系統(tǒng)技術(shù)是基于FPGA的單片機(jī)系統(tǒng)技術(shù)的一種自動(dòng)數(shù)字控制系統(tǒng)。單片機(jī)為其開發(fā)提供了強(qiáng)有力的自動(dòng)計(jì)算控制單元，使其能直接完成對(duì)電機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析與計(jì)算，以及向電機(jī)指令集的執(zhí)行器和系統(tǒng)人員發(fā)送各種數(shù)字控制指令。本文主要論述了單片電機(jī)技術(shù)系統(tǒng)在開發(fā)設(shè)計(jì)過程中可能存在的一些重要技術(shù)問題,以及探討未來有關(guān)單片電機(jī)系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的再開發(fā)設(shè)計(jì)的一些重要影響。

1.背景及相關(guān)情況

1.1 嵌入式系統(tǒng)概述

1.1.1 簡介

嵌入式操作系統(tǒng)就是指非正常通用的子電腦系統(tǒng)，有別于通用計(jì)算機(jī)的非通用電腦功能，但又不能稱之為是非通用電腦計(jì)算機(jī)的外圍硬件控制設(shè)備或通用計(jì)算機(jī)器材。嵌入式操作系統(tǒng)主要是由外圍嵌入式微處理器、外圍應(yīng)用系統(tǒng)具體硬件以及集成控制設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及針對(duì)外圍用戶的具體外圍應(yīng)用程序等部分共同設(shè)計(jì)組成的，是集軟硬件為一體并可同時(shí)獨(dú)立正常運(yùn)行且能系統(tǒng)工作的“器件”。嵌入式操作系統(tǒng)的外圍應(yīng)用軟件包括操作程序具體系統(tǒng)外圍應(yīng)用軟件和外圍應(yīng)用程序具體系統(tǒng)外圍編程。操作程序外圍系統(tǒng)，具有控制外圍應(yīng)用程序的有序的系統(tǒng)編程與外圍系統(tǒng)硬件聯(lián)系的作用，而其外圍應(yīng)用程序系統(tǒng)編程即控制系統(tǒng)能夠正常工作運(yùn)行。

1.1.2 嵌入式系統(tǒng)的分類

傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)由初始硬件、軟件兩大組成部分共同組成。從傳統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)角度來講,嵌入式軟件系統(tǒng)的主要核心部件是微型嵌入式處理器。嵌入式軟件系統(tǒng)的核心硬件主要有以下幾類:嵌入型的單片式微機(jī)主要有控制器（Microcontroller Unit,MCU單片式片上微機(jī)）、嵌入式DSP處理器（Digital Signal Processor,DSP）和一種新型嵌入式片上微機(jī)控制處理系統(tǒng)（System on Chip,SOC）。

1.1.3 嵌入式系統(tǒng)框架

嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以硬件三個(gè)面向設(shè)計(jì)為主，包括對(duì)軟件應(yīng)用、用戶及硬件產(chǎn)品這三個(gè)子部分的三個(gè)面向。通常來講，嵌入式操作系統(tǒng)的硬件框架主要包括四個(gè)子部分，即硬件處理器、硬件存儲(chǔ)器、應(yīng)用軟件、硬件輸入端和輸出端(i/o)。

1.1.4 嵌入式系統(tǒng)的組成

目前,國內(nèi)普遍接受的微綜合嵌入式操作系統(tǒng)的主要控制部分核心層為中央處理器,其中主要控制部分結(jié)構(gòu)包括微綜合運(yùn)算自動(dòng)控制核心單元和最小微運(yùn)算控制器自動(dòng)集成處理模塊這兩大組成部分。并且，在原有AACPU的基礎(chǔ)上，還分別重新配備了存儲(chǔ)模塊、電源模塊和自動(dòng)集成復(fù)位微控制核心模塊，形成了我們目前所謂的最小微控制核心系統(tǒng)。

1.1.5 嵌入式系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

（1）提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可連續(xù)性和裁剪性，支持一個(gè)具有高度開放性和可伸縮性的獨(dú)立產(chǎn)品設(shè)計(jì)體系和多組織產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

（2）強(qiáng)大的實(shí)時(shí)性，可以應(yīng)用于各種電子設(shè)備實(shí)時(shí)控制中。

（3）統(tǒng)一的接口，提供設(shè)備統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)接口。

（4）系統(tǒng)內(nèi)核小。由于這些小型嵌入式操作系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于一些小型化的家用電子裝置中，系統(tǒng)資源相對(duì)有限，所以，系統(tǒng)中的內(nèi)核較一些基于傳統(tǒng)的大型移動(dòng)設(shè)備操作系統(tǒng)的內(nèi)核要小得多。

（5）功能專用性強(qiáng)。精簡嵌入式軟件系統(tǒng)功能的個(gè)性化很強(qiáng)，其中的專用軟件操作系統(tǒng)和專用硬件的相互結(jié)合非常緊密。通常，系統(tǒng)會(huì)對(duì)專用硬件產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化移植。

（6）軟件系統(tǒng)功能精簡。嵌入式軟件系統(tǒng)沒有做到系統(tǒng)控制軟件和其他應(yīng)用程序軟件的明顯功能區(qū)分，不要求其系統(tǒng)功能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣一方面有利于系統(tǒng)控制，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，另一方面也有利于保護(hù)系統(tǒng)安全。

（7）高精度實(shí)時(shí)性。高精度實(shí)時(shí)性的軟件操作處理系統(tǒng)專用軟件性能是嵌入式軟件的基本性能要求。而且專用軟件通常要求通過固化軟件存儲(chǔ)來提高運(yùn)行速度，軟件運(yùn)行代碼一般要求提高質(zhì)量和可靠性。

（8）長期性。嵌入式系統(tǒng)一般為自主研發(fā)，選擇性較強(qiáng)，具有較大的市場(chǎng)銷售額和預(yù)期增長潛力。個(gè)性化融合傳統(tǒng)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)電子設(shè)備遠(yuǎn)程控制管理系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用軟件模塊和系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)方面的復(fù)雜程度較高，通過綜合多種通用型控制系統(tǒng)，在不同應(yīng)用行業(yè)之間的系統(tǒng)兼容性相對(duì)較差。

（9）性能化。嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)部代碼解讀軟件采用統(tǒng)一的系統(tǒng)管理模塊，操作系統(tǒng)功能較多，有較高的系統(tǒng)代碼執(zhí)行處理效率，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1.2 整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)的階段

1.2.1 使用交叉式編譯

該操作過程主要是通過借助各種交叉式的軟件編譯器操作語言軟件對(duì)其進(jìn)行編譯，常用的各種交叉式編譯器操作語言是Java或C++。

1.2.2 鏈接

編譯文件過程中產(chǎn)生的一些文件信息會(huì)直接組成一個(gè)鏈接文件，這就是我們所謂的鏈接。

1.2.3 內(nèi)存地址

一般將一個(gè)內(nèi)存中放置一個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)文件的某個(gè)位置地址稱為內(nèi)存地址，其中經(jīng)常出現(xiàn)的目標(biāo)文件可能屬于一個(gè)嵌入式操作平臺(tái)中正常運(yùn)行的一個(gè)二進(jìn)制目標(biāo)文件。

2.嵌入式系統(tǒng)性能測(cè)試

系統(tǒng)用戶在安裝應(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可能會(huì)經(jīng)常同時(shí)遇到操作系統(tǒng)卡頓、崩潰等情況。造成這種情況的主要技術(shù)原因是，嵌入式操作系統(tǒng)本身無法再次且持續(xù)承載龐大的系統(tǒng)數(shù)據(jù)和信息。

首先，程序員應(yīng)該確保整個(gè)嵌入式系統(tǒng)軟件運(yùn)行虛擬環(huán)境的安全兼容性，最大限度地提高整個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)軟件開發(fā)的服務(wù)質(zhì)量。這就需要測(cè)試整個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)的荷載運(yùn)行狀況，還要測(cè)試真實(shí)虛擬應(yīng)用環(huán)境場(chǎng)景下整個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn)行情況，從而進(jìn)一步要求確保安全嵌入式系統(tǒng)性能測(cè)試的科學(xué)性和合理性。除此之外，程序員還應(yīng)及時(shí)模擬系統(tǒng)用戶長期投入使用后對(duì)其嵌入式操作系統(tǒng)的基本工作運(yùn)行性能情況，并及時(shí)采取各種運(yùn)行測(cè)試。如果兩種性能運(yùn)行測(cè)試檢驗(yàn)結(jié)果之間存在較大差異，那么程序員需要及時(shí)針對(duì)系統(tǒng)干擾源等因素對(duì)其進(jìn)行性能調(diào)整與綜合優(yōu)化，從而保障嵌入式操作系統(tǒng)始終能夠正常運(yùn)行，給系統(tǒng)用戶帶來更好的使用體驗(yàn)感。

3.嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用

3.1 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

微處理器技術(shù)是早期嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。我國在計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟件開發(fā)初期，缺乏對(duì)應(yīng)用微處理器的高度重視，造成了初期計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟件開發(fā)的技術(shù)側(cè)重點(diǎn)與軟硬件結(jié)合應(yīng)用的實(shí)際功能需求不完全相符。如今，計(jì)算機(jī)工作人員逐漸著手開發(fā)各種嵌入式操作系統(tǒng)。

3.2 嵌入式技術(shù)的應(yīng)用

從當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)的技術(shù)發(fā)展應(yīng)用狀況角度來看，嵌入式操作系統(tǒng)軟件技術(shù)的廣泛使用涉及范圍非常寬廣，其主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。

3.2.1 新型工業(yè)過程控制

基于各種嵌入式監(jiān)控芯片的新型工業(yè)過程自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備將獲得長足的市場(chǎng)發(fā)展，包括工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)控制、數(shù)字?jǐn)?shù)控機(jī)床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)電力設(shè)備工程監(jiān)測(cè)、石油化工監(jiān)控系統(tǒng)。

3.2.2 公共交通管理

在公共車輛信息導(dǎo)航、流量管理控制、信息安全監(jiān)測(cè)與公共汽車交通服務(wù)管理方面，嵌入式軟件系統(tǒng)集成技術(shù)已逐漸獲得廣泛的實(shí)際應(yīng)用。嵌入了GPS兩個(gè)模塊、GSM兩個(gè)模塊的微型移動(dòng)汽車定位服務(wù)終端已經(jīng)在各種公共運(yùn)輸交通行業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛使用。

3.2.3 信息家電

目前，嵌入式智能系統(tǒng)最大的應(yīng)用領(lǐng)域是冰箱、空調(diào)等系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、智能化，將引領(lǐng)人們的生活步入一個(gè)嶄新的空間。即使不在家里，你也可以通過電話線、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制智能系統(tǒng)。在這些設(shè)備中，嵌入式系統(tǒng)將大有用武之地。

3.2.4 實(shí)現(xiàn)家庭餐廳智能點(diǎn)餐管理

安全智能防火、防盜監(jiān)控系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程點(diǎn)餐切菜器等已經(jīng)充分展現(xiàn)出傳統(tǒng)嵌入式管理系統(tǒng)的最大特點(diǎn)。

4.結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)一直是各個(gè)系統(tǒng)行業(yè)技術(shù)研究的一大熱點(diǎn)?？萍及l(fā)展水平的不斷增強(qiáng)，推動(dòng)著系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的持續(xù)健康發(fā)展，嵌入式軟件系統(tǒng)的技術(shù)使用領(lǐng)域范疇也在逐步擴(kuò)大。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)廣泛應(yīng)用的創(chuàng)新產(chǎn)品在我們身邊隨處可見，為人們的生活帶來方便。