嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用與開發(fā)

鄭曉霞　曹劍英　劉凌云

摘要：嵌入式技術(shù)具有很強(qiáng)的應(yīng)用價值，近年許多人開始對這類技術(shù)進(jìn)行研究，就是為了使這類技術(shù)更具實(shí)用性，應(yīng)用領(lǐng)域更廣，也使得這類技術(shù)能在科技進(jìn)步中不斷得到優(yōu)化發(fā)展。文中對嵌入式技術(shù)概述、系統(tǒng)的設(shè)計原則以及軟件的特點(diǎn)等方面內(nèi)容進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù)；軟件特點(diǎn)；設(shè)計原則

中圖分類號：G648 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1672-1578（2016）02-0001-01

1.嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

就目前而言，中國嵌入式系統(tǒng)市場進(jìn)入快速增長期。在過去幾年和未來幾年，為幾乎所有的電子設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展注入了新的活力，由于飛速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)趨勢和微處理器以廉價的形式出現(xiàn)使嵌入式系統(tǒng)在我們?nèi)粘５纳钪行纬梢粋€更大的應(yīng)用領(lǐng)域。中國嵌入式系統(tǒng)的主要客戶集中在消費(fèi)電子，通信，醫(yī)療，安防等行業(yè)。中國目前的嵌入式系統(tǒng)市場，幾大熱點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域包括：汽車和電力系統(tǒng)的電源管理，高清晰度數(shù)字電視和數(shù)字機(jī)頂盒，智能手機(jī)與智能工業(yè)設(shè)備，終端和聯(lián)網(wǎng)能力。嵌入式工業(yè)設(shè)備將融入更多的智能功能，如通信和網(wǎng)絡(luò)，并在汽車電子市場，醫(yī)療電子市場，機(jī)械和電子產(chǎn)品市場，視頻電子市場和數(shù)碼電子產(chǎn)品市場已越來越廣泛的應(yīng)用。

1.1 消費(fèi)類電子產(chǎn)品。環(huán)球資源2004年聯(lián)合研究，這項報告顯示，在亞太地區(qū)的嵌入式系統(tǒng)最迫切的需求行業(yè)是消費(fèi)電子行業(yè)。近年來FPGA技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用程序和嵌入式消費(fèi)類電子產(chǎn)品。全球數(shù)字和高清晰度廣播和電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)，游戲和多媒體娛樂系統(tǒng)，液晶和等離子顯示技術(shù)，家庭DVR和DVD-W技術(shù)，汽車駕駛室娛樂系統(tǒng)和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，信息，通信和安全系統(tǒng)及其他持續(xù)上升的需求和應(yīng)用，標(biāo)志著前者在消費(fèi)類電子產(chǎn)品是普遍深入人們的生活。

1.2 汽車和動力系統(tǒng)，智能電源管理技術(shù)。隨著搭載CPU的汽車電子設(shè)備要求電源電壓變得更加多樣化，需要更低的電壓和更強(qiáng)大的功能，電源管理也變得越來越重要，電源管理的要求也在不斷變化。汽車電子設(shè)備變得更大，屏幕分辨率變高，但在同一時間，其規(guī)模要小得多。所有這些新的應(yīng)用程序?qū)⑿枰呒啥龋咝阅埽咝实碾娫垂芾怼＼囕d電源延長便攜式設(shè)備的電池壽命，它也需要設(shè)法消除自動開關(guān)電源敏感電路的干擾。電力系統(tǒng)，變電站點(diǎn)多面廣，以及減員增效適應(yīng)現(xiàn)代管理要求的，有很大一部分的無人值守變電站，同時也為基于嵌入式Web服務(wù)器的配置管理技術(shù)的設(shè)備提供了良好的條件。可以大大減少勞動力，設(shè)備運(yùn)行，設(shè)備管理，及時了解變電站運(yùn)行信息，設(shè)備故障的處理也更迅速和有效。隨著國家電網(wǎng)的發(fā)展，基于嵌入式Web服務(wù)器設(shè)備的維護(hù)比基于傳統(tǒng)的撥號遠(yuǎn)程維護(hù)方法更有利。

1.3 工業(yè)控制嵌入式設(shè)備。全球各行業(yè)各領(lǐng)域迅速發(fā)展時，在中國工業(yè)控制領(lǐng)域，醫(yī)療電子市場，與國民生產(chǎn)總值，機(jī)械和電子產(chǎn)品市場，視頻和數(shù)碼電子產(chǎn)品市場的電子產(chǎn)品市場，航空航天，運(yùn)輸相關(guān)的嵌入式應(yīng)用程序也快速增長起來。近年來，嵌入式網(wǎng)絡(luò)解決方案，已經(jīng)發(fā)生了重大的變化：首先是小設(shè)備，如手持式掃描儀；其次是具有更高的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和便攜無線功能要求；需求再度降低功耗；最后需要進(jìn)行數(shù)據(jù)安全和加密。

2.嵌入系統(tǒng)的設(shè)計原則

嵌入系統(tǒng)設(shè)計具有很強(qiáng)的針對性，軟硬件協(xié)同設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。需解決好軟硬件的同步與集成設(shè)計問題，要結(jié)合具體應(yīng)用進(jìn)行綜合考慮，保證設(shè)計工作的一致性與正確性。在針對具體應(yīng)用系統(tǒng)的功能目標(biāo)分析基礎(chǔ)上，分解整個系統(tǒng)的各項功能指標(biāo)和技術(shù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)時響應(yīng)要求、接口功能定義與標(biāo)準(zhǔn)、嵌入芯片的處理能力、編程語言、開發(fā)環(huán)境、產(chǎn)品的升級與維護(hù)問題、開發(fā)投入能力、產(chǎn)品綜合成本等多方面因素進(jìn)行權(quán)衡考慮。

2.1 在明確系統(tǒng)性能需求的基礎(chǔ)上，細(xì)化以下考慮因素。

2.1.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)手段的軟硬件分配。

2.1.2 器（部）件選擇和系統(tǒng)構(gòu)建。包括微處理器芯片、外圍接口電路、各種驅(qū)動電路形式、器部件類型、前后向通道處理方式、人機(jī)界面和手段等。

2.1.3 控制算法設(shè)計以及軟件系統(tǒng)的架構(gòu)形式。

2.1.4 語言選擇。依據(jù)設(shè)計者熟練程度和習(xí)慣、開發(fā)環(huán)境和控制功能要求選取。

2.1.5 抗干擾問題的解決與設(shè)計。包括軟件的和硬件的、常規(guī)的和特定的。

2.1.6 實(shí)現(xiàn)工藝和方式。包括印制板設(shè)計、走線安裝、裝配工藝、新材料或新技術(shù)的應(yīng)用等。

在各實(shí)施階段，對項目進(jìn)度、關(guān)鍵技術(shù)的風(fēng)險因素必須進(jìn)行審查評估，評價軟一硬件的功能設(shè)計與分配，以及實(shí)現(xiàn)的技術(shù)性能、工作量和時間進(jìn)度。明確電路之間的接口參數(shù)、軟一硬件功能銜接，以及項目中存在的問題和缺陷，及時發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵部位或矛盾突出點(diǎn)的瓶頸問題，將隱患排除在早期設(shè)計階段。

2.2 嵌入系統(tǒng)中微處理器選擇應(yīng)考慮。

2.2.1 MCU的算術(shù)、邏輯處理能力；運(yùn)算速度和時鐘頻率；總線控制功能、中斷方式和仲裁機(jī)制；RAM和FLASHROM容量；軟件加密保護(hù)。

2.2.2 外圍接口功能的可重構(gòu)配置能力；數(shù)據(jù)通訊模式；前后向通道類型；端口電壓的適應(yīng)能力等；

2.2.3 開發(fā)工具的在線調(diào)試或仿真能力；FLASH代碼讀寫環(huán)境；編程語言的支持程度；代碼的可移植性等。

2.2.4 電源電壓；功耗等。

3.嵌入系統(tǒng)的軟件特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)是可利用資源有限、專用性很強(qiáng)、實(shí)時性要求也很高的應(yīng)用控制系統(tǒng)。故在軟件設(shè)計方法和實(shí)現(xiàn)手段上，嵌入系統(tǒng)軟件同PC機(jī)軟件存在很大差異，主要表現(xiàn)在：

3.1 實(shí)時性的控制方法。PC軟件提升速率方法，極大依賴處理器性能提升，還體現(xiàn)在緩存方案、動態(tài)分配等技術(shù)手段上。但在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用這些技術(shù)就存在硬件資源不足、工作頻率低的現(xiàn)實(shí)問題，會降低系統(tǒng)的可靠性。

3.2 特定的異構(gòu)特征。嵌入式控制軟件設(shè)計既要考慮特定的硬件固有部分，也要考慮來自系統(tǒng)之外的各種通訊、傳感器的專用信號處理接口，以及不同控制目標(biāo)的實(shí)時期望和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的異步并發(fā)事件處理能力。因此不同的硬件系統(tǒng)或控制目標(biāo)，將會產(chǎn)生不同的系統(tǒng)構(gòu)建方案。

3.3 系統(tǒng)的性能目標(biāo)。編寫嵌入式軟件必須著重考慮與硬件系統(tǒng)相匹配的功耗、不間斷運(yùn)行、故障恢復(fù)、高可靠性等方面的約束條件，實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用環(huán)境下的控制功能、實(shí)時性響應(yīng)的目標(biāo)要求。因此，嵌入系統(tǒng)要在借鑒通用軟件技術(shù)，遵循軟件工程理論，規(guī)范軟件開發(fā)過程的同時。還應(yīng)根據(jù)嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)研究開發(fā)技術(shù)和算法結(jié)構(gòu)，提高開發(fā)效率，確保系統(tǒng)軟件的質(zhì)量和可靠性，以及軟件的復(fù)用性、可移植性和易維護(hù)性。縱觀嵌入式軟件設(shè)計方法的發(fā)展歷程，走過了從結(jié)構(gòu)化設(shè)計、面向?qū)ο笤O(shè)計、基于構(gòu)件的設(shè)計階段，經(jīng)歷了單任務(wù)到多任務(wù)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。

4.結(jié)語

嵌入式技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展對社會生產(chǎn)、人民生活都有著不同尋常的影響，為了更好的發(fā)展嵌入式計算機(jī)技術(shù)，必須要緊跟世界先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，適時調(diào)整、完善自身的嵌入式計算機(jī)技術(shù)水平，以期能在不久的將來，使嵌入式計算機(jī)技術(shù)能在更多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)其最大化的綜合效益。

參考文獻(xiàn)：

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