淺談嵌入式系統的應用

郎薇薇

摘 要：本文從嵌入式系統的概念出發，談到嵌入系統的實際應用的廣泛性。從而更深入的闡述嵌入式系統的設計原則和其軟件特點。

關鍵詞：嵌入式系統；雙師型

1 嵌入式系統及其應用概述

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件可編程，硬件可剪裁、重構的專用計算機系統。該系統通常嵌入在對象環境中，并通過其在對象環境下運行的特定程序，完成對外界物理參數地采集、處理，達到對控制對象地響應或人機交互的功能[1]。

目前，嵌入式系統的發展方向主要是解決接口多樣性、適應性、靈活性和集成開發環境等的特定應用問題。嵌入式系統應用的底層性與對象系統的緊耦合性是其顯著的基本特征。所以，最大限度的滿足對象數據采集、控制、開發環境、功耗，以及適應能力、可靠性等品質因數是選擇嵌入式系統的標準。

為適應技術發展需求，嵌入系統在不斷追求結構緊湊、堅固可靠、技術密集、高度分散的同時，尤以不斷創新為嵌入式系統的發展核心。使嵌入系統凸現了高技術門檻，主要表現在軟硬件設計的緊密相關性上，特別是構建RTOS系統需透徹了解RTOS的工作機制和系統資源配制，掌握底層軟件、系統軟件和應用軟件的設計、調試方法[2]。

隨著對嵌入式系統的智能化愈加關注，現場可編程、調試、引腳配置變得非常重要和必不可少。所以，用戶可配置的SCO（在片系統）已成為現階段嵌入式系統的核心發展技術。通過現場可編程陣列把接口應用設計和系統開發留給系統設計者，提供靈活、多樣的片上電路設計平臺，使電路板設計變成在片的芯片配置，將嵌入系統地設計帶入了軟硬件的雙編程時期，進一步縮短了產品開發周期。而下一代的在片系統還將發展成一個MUC數量可縮放的集合體。

在嵌入式應用系統中，雖然高端產品不斷涌現，但由于應用對象、環境的不同特點，嵌入系統的8位機產品仍因應用對象的有限響應時間、完備的集成開發環境、良好的性價比等優勢仍然占據著低端應用系統的主流地位。Cygnel公司的C8051F系列產品就充分印證了這點。

回顧嵌入式系統的發展歷程，已經歷了由模擬向數字的演進過程，現又逐步演變為數模并存情形。由最初軟件編程主宰的微處理器（嵌入式微處理器、數字信號處理器、單片機），到硬編程主宰的專用集成電路時代，再到今天的現場可編配置時代。嵌入式系統的核心技術正沿著“許氏循環”的浪潮不斷前行。而配套的軟件設計平臺也隨著科技進步在不斷得到完善。可以預期，軟硬雙可編程的嵌入式系統時代必會帶來更加便捷的開發環境和技術支持。

2 嵌入系統的設計原則

嵌入系統設計具有很強的針對性，軟硬件協同設計是系統設計的關鍵。需解決好軟硬件的同步與集成設計問題，要結合具體應用進行綜合考慮，保證設計工作的一致性與正確性。在針對具體應用系統的功能目標分析基礎上，分解整個系統的各項功能指標和技術要求，結合系統的實時響應要求、接口功能定義與標準、嵌入芯片的處理能力、編程語言、開發環境、產品的升級與維護問題、開發投入能力、產品綜合成本等多方面因素進行權衡考慮。

2.1 在明確系統性能需求的基礎上，細化以下考慮因素

1）系統功能實現手段的軟硬件分配。

2）器（部）件選擇和系統構建。包括微處理器芯片、外圍接口電路、各種驅動電路形式、器部件類型、前后向通道處理方式、人機界面和手段等。

3）控制算法設計以及軟件系統的架構形式。

4）語言選擇。依據設計者熟練程度和習慣、開發環境和控制功能要求選取。

5）抗干擾問題的解決與設計。包括軟件的和硬件的、常規的和特定的。

6）實現工藝和方式。包括印制板設計、走線安裝、裝配工藝、新材料或新技術的應用等。

在各實施階段，對項目進度、關鍵技術的風險因素必須進行審查評估，評價軟一硬件的功能設計與分配，以及實現的技術性能、工作量和時間進度。明確電路之間的接口參數、軟一硬件功能銜接，以及項目中存在的問題和缺陷，及時發現關鍵部位或矛盾突出點的瓶頸問題，將隱患排除在早期設計階段[3]。

2.2 嵌入系統中微處理器選擇應考慮

1）MCU的算術、邏輯處理能力；運算速度和時鐘頻率；總線控制功能、中斷方式和仲裁機制；RAM和FLASHROM容量；軟件加密保護。

2）外圍接口功能的可重構配置能力；數據通訊模式；前后向通道類型；端口電壓的適應能力等；

3）開發工具的在線調試或仿真能力；FLASH代碼讀寫環境；編程語言的支持程度；代碼的可移植性等。

4）電源電壓；功耗等。

3 嵌入系統的軟件特點

嵌入式系統是可利用資源有限、專用性很強、實時性要求也很高的應用控制系統。故在軟件設計方法和實現手段上，嵌入系統軟件同PC機軟件存在很大差異，主要表現在：

3.1 實時性的控制方法

PC軟件提升速率方法，極大依賴處理器性能提升，還體現在緩存方案、動態分配等技術手段上。但在嵌入式系統中應用這些技術就存在硬件資源不足、工作頻率低的現實問題，會降低系統的可靠性。

3.2 特定的異構特征

嵌入式控制軟件設計既要考慮特定的硬件固有部分，也要考慮來自系統之外的各種通訊、傳感器的專用信號處理接口，以及不同控制目標的實時期望和執行機構的異步并發事件處理能力。因此不同的硬件系統或控制目標，將會產生不同的系統構建方案。

3.3 系統的性能目標

編寫嵌入式軟件必須著重考慮與硬件系統相匹配的功耗、不間斷運行、故障恢復、高可靠性等方面的約束條件，實現特定應用環境下的控制功能、實時性響應的目標要求。因此，嵌入系統要在借鑒通用軟件技術，遵循軟件工程理論，規范軟件開發過程的同時。還應根據嵌入式系統特點研究開發技術和算法結構，提高開發效率，確保系統軟件的質量和可靠性，以及軟件的復用性、可移植性和易維護性。縱觀嵌入式軟件設計方法的發展歷程，走過了從結構化設計、面向對象設計、基于構件的設計階段，經歷了單任務到多任務的系統轉變。

4 結語

隨著嵌入式系統的不斷發展，數字時代的到來，嵌入式系統及其產品獲得了巨大的發展力量。嵌入式系統的軟硬件成本更低，更加協調，算法更加精簡，系統功耗更加低，人機界面更加友好，功能更加強大，應用也越來越廣泛。

參考文獻

[1]方爾正，王燕.嵌入式技術及其應用[M].哈爾濱工業大學出版社，2008.

[2]王志英，李宗伯.嵌入式系統原理與設計[M].高等教育出版社，2007.

[3]慕春棣.嵌入式系統設計[M].清華大學出版社，2012.