基于工程化流程的嵌入式系統開發方法分析

吳文慶

摘? ?要：嵌入式系統在目前計算機技術的發展過程中逐漸得到了廣泛應用，作為一種專用計算機系統，具有專用性與實時性強的特點。在嵌入式系統的開發過程中，采取工程化流程進行系統開發，更有利于高效完成嵌入式系統開發工作。本文對嵌入式系統及其主要特征作出簡單概述，而后分析了基于工程化流程的嵌入式系統開發方法，為相關研究人員提供參考。

關鍵詞：工程化流程? 嵌入式? 系統開發

中圖分類號：TP311.52? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）06（c）-0114-02

Abstract： Embedded system has been widely used in the development of computer technology. As a special computer system， it has the characteristics of special and real-time. In the development process of embedded system， engineering process is adopted to develop the system， which is more conducive to the efficient completion of embedded system development. This paper gives a brief overview of embedded system and its main features， and then analyzes the development method of embedded system based on engineering process. To provide reference for related researchers.

Key Words： Engineering process; Embedded; System development

1? 嵌入式系統概述

1.1 嵌入式系統及其組成

根據目前對計算機系統的分類方法，計算機系統可以分為通用計算機系統、專用計算機系統兩類。嵌入式系統屬于一種專用的計算機系統，也就是嵌入到對象體系中的專用計算機應用系統，其設計目的主要是為了完成某種特定功能，其主要特征可以概括為嵌入性、專用性和有CPU[1]。目前，嵌入式系統在包括家電、工業控制、通信和商業在內的許多領域都得到了推廣和應用，具備重要的應用價值。嵌入式系統的組成部分可以分為硬件和軟件兩部分。硬件部分主要包括嵌入式微處理器、外設接口與操作控制臺，其中嵌入式微處理器具有很高集成性，主要集成了ROM、RAM、串口、總線接口等[2]。外設接口包括具有輸入、輸出及通信等功能的普通外設，以及具有語音編解碼、信道編碼等特定功能的專用外設。操作控制臺主要作用是實現人機交互，組成部分包括開關、指示燈、顯示屏等。軟件系統包含嵌入式操作系統與用戶程序兩部分，與硬件系統相互配合，其中實時操作系統發揮著主要作用。

1.2 嵌入式系統的特點

相對于通用計算機來說，嵌入式系統還具有以下幾方面特點：第一是專用性強，是針對于某種特定應用所設計的系統，相對于通用計算機系統，在系統的可靠性、成本、體積與功耗等方面也具有更高要求。第二是具備較強的實時性，主要應用于過程控制，因此需要采用實時系統，更有利于系統的實時反應。第三是軟件與硬件之間結合密切，軟件需要隨著硬件平臺的變化作出相應更改。第四是系統資源比較有限，相對于通用計算機具有更高的集成度。上述特點也決定了嵌入式系統的開發與通用計算機軟件的開發存在較大的差異性。

2? 基于工程化流程的嵌入式系統開發方法

2.1 系統工程化開發總體流程

系統工程化開發是指采用系統化、規范化和數量化等工程原則與操作方法進行系統的開發與維護[3]。其中主要包括開發技術、項目管理兩方面，開發技術可以具體分為開發工具、開發方法以及工程環境;項目管理主要包括項目估算、項目計劃、進度控制、人員和配置管理等。系統工程化開發的總體流程與建筑工程的實施流程之間具有一定程度的相似性，主要包括項目需求提出、任務分配、需求分析、概要設計、任務細分、詳細設計、開發實施、集成測試、試運行等環節[4]。系統工程化開發流程圖如圖1所示。

2.2 嵌入式系統工程化開發方法

在嵌入式系統的工程化開發過程中，需要采取上述工程化開發流程，并根據嵌入式系統自身的特點，采取有效的技術手段完成系統的開發。具體開發流程如下。

2.2.1 立項與調研

嵌入式系統開發項目的立項與調研階段，需要重點解決以下兩方面的問題，一方面要充分考慮市場因素，全面了解用戶的需求，同時對生產成本加以最大程度的控制，從而提升經濟效益。另一方面需要全面考慮產品開發過程的可行性，在開發過程中選擇合適的技術手段，確保產品運行的穩定性。針對于以上兩方面問題，需要采取調研的方式進行詳細研究，使得上述問題得到合理解決。在此階段還需要制作相應的書面材料對調研結果加以落實，其中包括《市場需求調研報告》以及《可行性分析報告》等[5]。

2.2.2 系統需求分析

在項目立項完成后，需要開展相關的分析工作。其中需要將用戶對于產品的需求作出歸納總結，而后制作成《用戶需求說明書》，對系統的功能等相關要求進行描述。在制作過程中，需要最終用戶提出意見并進行修改。最后由系統分析員根據用戶需求，為產品開發設計人員編寫《系統需求說明書》。

系統需求的分析過程中，由于嵌入式系統常具有某些特殊要求，因此需要重點考慮以下幾方面內容。第一是系統是否能夠滿足應用環境對溫度、濕度以及相關安全標準等的要求，在此基礎上對設備的體積、功耗、成本與開發周期作出合理安排。第二是對系統的規模極其復雜程度作出合理評估，從而為系統開發工作量以及開發進度的判斷提供依據。其中可以從系統能夠提供的功能以及系統的技術規模兩方面進行有效評價。在上述工作的基礎上制定系統需求規格表，對系統需求作出詳細記錄。

2.2.3 系統設計與實現

嵌入式系統的設計方面，具體包括軟件設計、硬件設計、協調設計等方面。在具體開展設計工作時，需要依據相應的說明書，比如《軟件設計說明書》、《硬件設計說明書》、《軟硬件協同設計說明書》、系統架構設計方案圖等[6]。在對嵌入式系統進行合理設計的基礎上，需要由軟硬件工程師進行系統的實現，按照統一的設計規范進行應用軟件開發及測試、硬件電路板制作以及協同設計等工作。并確保系統能夠穩定運行。

在傳統的嵌入式軟件開發過程中，主要采取結構化開發方法，根據硬件設備進行軟件的開發工作。此種方式存在代碼重用性較差、軟件適應性、維護水平不高等問題。通過有效應用分層技術，能夠顯著提升軟件開發與維護效率。其開發過程主要依據高內聚、低耦合原則，具體可以分為應用管理層、算法協議層、功能拓展層與硬件驅動層四部分。此種設計方式通過合理分層，增強其對硬件環境的適應性，因此能夠提高軟件的可復用性，并顯著簡化項目開發過程。在后期維護過程中對應用管理層以及功能拓展層進行修改即可。嵌入式軟件分層開發模型如圖2所示。

2.2.4 調試、運行與維護

在完成嵌入式系統的設計后，需要開展調試工作，從而判斷系統設計能否實現此前預想的功能。具體需要由專業人員進行系統的測試。進行系統測試工作過程中，需要依據《用戶需求說明書》，重點開展集成測試與可靠性測試。同時還需要對三個月內的不間斷運行數據作出統計。如果發現在測試中存在問題，需要準確查找原因并加以解決。其中主要包括硬件調試與軟件調試。硬件調試的具體內容包括線路檢查、存儲器測試、通信時序確認等方面，上述調試過程有利于解決常見的硬件問題。軟件調試的過程相對比較復雜，其內容主要在于對驅動程序的調試，也是嵌入式系統開發過程中的重點部分之一。調試過程中對于軟件以及硬件的相關問題都會有所涉及。調試完成后還需要進行系統測試，測試步驟分為單元測試、集成測試、系統測試與環境測試四個步驟。單元測試主要針對系統中的單元模塊，比如在軟件單元測試上可以應用黑盒子、白盒子測試方法。單元測試完成后，需要開展針對于不同功能模塊組合的集成測試，主要明確模塊之間的接口問題。而后開展系統測試，判斷系統能否實現系統規格的標準。最后需要進行環境測試，依據真實操作環境全面判斷系統的功能及其穩定性，確保其能夠滿足使用需求。設備通過測試之后，需要對用戶進行長期的追蹤，從而對設備及系統相關信息作出進一步豐富，更有利于進行設備后續的升級與維護工作。

3? 結語

嵌入式系統在目前得到了十分普遍的應用，在嵌入式系統的開發過程中，運用工程化的開發流程，有利于更好滿足系統的使用需求，并能夠有效提高系統開發效率。因此在今后也應加強工程化開發流程在嵌入式系統開發中的應用。

參考文獻

[1] 孫伯文，蔡陸迪.淺談嵌入式操作系統[J].移動信息，2017（10）：45.

[2] 陸天波，楊金翠，孫藝，等.基于工程化的軟件工程教學案例研究[J].軟件，2019（3）：78-87.

[3] 張智慧.多層模型在嵌入式軟件開發中的應用研究[J].計算機時代，2017（4）：17-20.

[4] 陳妍茹.嵌入式系統的應用領域及發展趨勢[J].中外企業家，2020（1）：82.

[5] 何曉亮，李剛.探究嵌入式系統在電子信息技術中的應用[J].中國新技術新產品，2019（24）：13-14.

[6] 何祖恩.基于嵌入式系統的電梯導軌支架間距自動測量儀[J].自動化與儀表，2019，34（12）：57-60.

[7] 黃澤輝，陳伯亨.基于嵌入式系統應用的研究及趨勢分析[J].農家參謀，2019（23）：149.