基于嵌入式設計的軟硬件開發(fā)分析

門殿卿

（南京國電南自軟件工程有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著計算機技術的不斷發(fā)展和進步，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)規(guī)模在全面擴大，為發(fā)揮嵌入式設計的優(yōu)勢作用，要優(yōu)化軟硬件協(xié)同開發(fā)的效能，在滿足開發(fā)應用要求的同時，實現(xiàn)深入挖掘嵌入式硬件和軟件開發(fā)技術的目標。

1 嵌入式系統(tǒng)概述

依據(jù)國際IEEE標準可知，嵌入式系統(tǒng)指的是用于控制、監(jiān)視或者是輔助操作設備的裝置，將相應的元件直接嵌入到研究對象的專用計算機系統(tǒng)內。嵌入式系統(tǒng)本身就是軟件和硬件的綜合體，要將應用作為核心，配合可剪裁的軟硬件，最大程度上提升系統(tǒng)統(tǒng)籌分析的能力[1]。嵌入式系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 嵌入式系統(tǒng)結構

嵌入式系統(tǒng)具有內核小、專用性強、系統(tǒng)精簡的特點，要想保證其應用效果，就要選取適宜的開發(fā)工具和環(huán)境，具體分類見表1。

表1 嵌入式系統(tǒng)分類

2 嵌入式設計的軟硬件開發(fā)要點

2.1 設計模型

在嵌入式設計軟硬件開發(fā)工作中，為保證開發(fā)效果和控制水平，就要對嵌入式軟硬件設計模型予以深入研究，主要是從IP構件開發(fā)和基于交叉開發(fā)技術的開發(fā)兩個方面入手，探討對應場景下開發(fā)工作落實的要點和規(guī)范。

2.1.1 IP構件開發(fā)

所謂IP構件開發(fā)，是基于組件的開發(fā)應用模式，要想保證嵌入式軟件開發(fā)順利開展，就要對基礎開發(fā)平臺進行監(jiān)督，從而更好地滿足嵌入式系統(tǒng)應用要求。其中的IP核能有效對芯片系統(tǒng)核心功能進行整合處理，配合單一芯片系統(tǒng)實現(xiàn)附屬功能的協(xié)同控制，從而提高芯片內部應用處理的實效性。并且在建立集成化構件開發(fā)工作方案的同時，配合IP構件開發(fā)還能減少系統(tǒng)開發(fā)的周期，實現(xiàn)業(yè)務學習成本的合理化控制[2]。

2.1.2 交叉開發(fā)

相較于傳統(tǒng)意義上的軟件開發(fā)形式，嵌入式軟件開發(fā)模式中，目標機和宿主機之間要利用資源分配的處理方式完成工作，如圖2所示。

圖2 目標機與宿主機關系

宿主機要全面分析硬件資源，并匹配資源結構和應用要求開展定址編譯，滿足功能模塊開發(fā)的處理要求，但是整個流程的處理和控制都將最終的嵌入式軟件運行平臺視為目標機。配合交叉式軟件開發(fā)技術，就能利用宿主機應用程序轉變二進制代碼。另外，在實際的編譯過程中，要配合交叉編譯程序實現(xiàn)實時性開工，并在編譯完成的文件上標識為目標編譯文件，以便于目標機運行的規(guī)范性。

除此之外，在定址處理的基礎上，要利用合理化的控制模式完成宿主機程序和目標機程序位置偏移定位，從而為目標機程序運行管理予以保障。

2.2 設計方法

在嵌入式設計開發(fā)應用控制模式中，嵌入式系統(tǒng)設計的重點就是對軟硬件予以劃分和判斷，配合設計和開發(fā)流程，在全面分析硬件特性的同時就能實現(xiàn)功能目標[3]。目前，多數(shù)的嵌入式芯片開發(fā)都要配合軟件予以落實，這就使得軟件和硬件劃分界限較為模糊。為更好地提升其應用效能，就要建立去中心化應用控制體系，對原有的軟硬件劃分過程進行重構，秉持去中心化思想，建立完整的嵌入式系統(tǒng)軟硬件設計控制模式。

第一，實現(xiàn)去中心化設計，在新的應用控制模式中，中央處理器（Central Processing Unit，CPU）已經(jīng)不再是嵌入式系統(tǒng)整體結構的處理單元，而是實現(xiàn)不同獨立模塊溝通控制的關鍵，配合相應的處理環(huán)節(jié)就能建構完整的處理體系，從原有的單處理器模式轉變?yōu)槎嗵幚砥髂Ｊ?，維持良好的應用效能，還能提升去中心化嵌入式系統(tǒng)軟硬件設計的完整性。

第二，均衡負載處理，在嵌入式軟硬件開發(fā)處理控制環(huán)境中，CPU要承載的是多個CPU流轉模式協(xié)同任務，針對復雜數(shù)據(jù)和大量重復邏輯業(yè)務，則要借助定制化數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）芯片完成實時性控制，從而維持實際應用過程和通信接口的一致性，確保嵌入式設計軟硬件開發(fā)處理的整體效果滿足標準[4]。

第三，模塊化處理，在嵌入式設計軟硬件開發(fā)體系中，每個功能模塊的內部都要匹配對應的處理環(huán)節(jié)，將可實現(xiàn)嵌入式開發(fā)功能的芯片和電路予以協(xié)同控制，配合獨立且可實行復用的運行模式，最大程度上提高嵌入式軟硬件處理水平，實現(xiàn)模塊固化和高度聚合，并借助接口和外部模塊予以實時性連接。

第四，控制和顯示分離處理，在整個設計體系中，顯示環(huán)節(jié)具有獨立性，能實現(xiàn)和控制相的分離，配合接口程序就能獲取其他模塊發(fā)送的控制信息，滿足顯示信令應用要求的同時維持功能的規(guī)范性[5]。

第五，芯片固化處理環(huán)節(jié)，主要是借助專用芯片建立工作模式，能對網(wǎng)絡接口單位予以控制，并配合應用要求實現(xiàn)工作目標。在連接的過程中，不限于以太網(wǎng)、藍牙互聯(lián)以及無線網(wǎng)等連接方式，就能打造更加可控且實時性的連接處理方案，提升信息傳遞的可靠性和安全性。

綜上所述，在去中心化設計處理環(huán)節(jié)中，要整合具體的管理要素，確保應用方案能滿足嵌入式設計中軟硬件開發(fā)的基本需求。

3 實 例

本文以電子溫度計設計研發(fā)為例，基于應用要求完成嵌入式設計軟硬件開發(fā)工作。

3.1 基本內容

第一，設計對應的處理模式，能滿足電子溫度計的應用需求，并且能借助人體紅外測量等工作有效進行實時性溫度參數(shù)的讀取，保證在數(shù)據(jù)顯示功能的基礎上還能維持數(shù)據(jù)集的匯總處理[6]。

第二，電容顯示屏能結合實時獲取的數(shù)據(jù)信息完成人體當前體溫測定，基于嵌入式設計軟硬件開發(fā)的應用要求，能匹配完整的數(shù)據(jù)記錄模式，記錄至多16組的體溫數(shù)據(jù)，并且能匯總相關數(shù)據(jù)生成歷史周期曲線等[7]。

第三，電子溫度計還能實現(xiàn)和互聯(lián)網(wǎng)的連接處理，確保溫度得以實時上傳和匯總。建立前方信息管理和后臺預警系統(tǒng)的實時性連接模式，一旦出現(xiàn)溫度超出標準范圍的情況，后臺系統(tǒng)就能完成警報的發(fā)出工作。與此同時，匯總的信息會直接與應急指揮中心聯(lián)動，配合防控聯(lián)動機制，最大程度上提高測溫控制管理的及時性和規(guī)范性[8]。

3.2 模塊設計

整體溫度計嵌入式開發(fā)設計方案的規(guī)范結構見圖3。依據(jù)溫度計應用要求，要設定對應的處理模塊，確保不同模塊能發(fā)揮其實際作用。

圖3 溫度計嵌入式開發(fā)設計

（1）溫度測量模塊。將溫度測量過程和模數(shù)轉換（Analog-to-Digital Converter，ADC）電路的轉換功能予以集成管理，配合溫差處理單元，就能匹配CPU完成計算和處理，最大程度上維持應用控制的合理性和規(guī)范性。

（2）觸摸屏模塊。觸控模式和液晶顯示模塊共同組成觸摸屏終端，借助CPU集成化處理過程和應用標準，配合集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，I2C）和RGB接口實現(xiàn)實時性處理。

（3）網(wǎng)絡接口模塊。主要是借助CPU完成傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）處理控制工作，打造可控化應用運行模式，維持應用的實效性，還能匹配輕型IP協(xié)議（Light Weigh IP Protocol，LWIP） 接口對接應用模式，從而保證溫度計嵌入式開發(fā)設計的規(guī)范效果符合預期[9]。

（4）圖形顯示模塊。主要是借助CPU完成UCGUI圖形顯示庫的調用和管理。

（5）內存模塊。配合使用NAND完成存儲工作，能有效完成內存和顯存單位的提取。

3.3 優(yōu)化效果

結合嵌入式設計軟硬件開發(fā)的應用要求，在構建去中心化設計模式后，對應的模塊能發(fā)揮其實際作用，尤其是測溫模塊，匹配電路應用標準就能添加獨立的微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）控制組件，配合偏差處理固化應用模式，無須調用CPU資源，就能建立獨立封閉接口運行控制機制，保證開發(fā)效果的最優(yōu)化[10]。

4 結 論

嵌入式設計軟硬件開發(fā)控制體系中，要整合具體應用單元的要求，保證設計處理環(huán)節(jié)的可控性和規(guī)范性，從根本上滿足集成化處理的標準，在簡化開發(fā)流程的同時，發(fā)揮去中心化設計的優(yōu)勢作用，為模塊功能優(yōu)化提供保障，也為嵌入式產(chǎn)品開發(fā)研究水平的全面提升奠定基礎。