嵌入式應用系統軟件設計技術研究

◆盧增寧

嵌入式應用系統軟件設計技術研究

◆盧增寧

（宿遷澤達職業技術學院 江蘇 223800）

嵌入式應用系統軟件設計技術的研究在近年來受到了公眾廣泛歡迎，本文圍繞嵌入式應用系統軟件設計技術問題進行討論，提出幾點思考，僅供參考。

嵌入式應用系統；軟件設計；技術

嵌入式屬于軟件設計領域中的一個分支，由于其自身具備的很多特點最終決定了系統架構師的選擇，另外它也具備一些環節有一定的通用性，能夠被廣泛應用到其他的一些領域中。

1 嵌入式應用系統軟件設計概述

確切地來說，嵌入式系統的發展史已經有很長時間了，起初被應用于軍事、航空航天及工業控制工作中，自20世紀90年代中期以后，開始在互聯網、通信、以及信息家電等各個領域中應用到了嵌入式系統，也就是說，該系統開始逐步進入了人們的生活中，為此也使得計算機產業由PC時代普及至計算機及嵌入式系統相結合的后PC時代。那么究竟什么是嵌入式系統呢？它是一種以應用為核心的計算機系統，它的特點是實時、專用、資源有限等，所以，對于嵌入式系統而言，它既具備普通計算機系統的軟件設計共性，同時也具備一定的特殊性。

傳統的嵌入式軟件設計給我們的印象是單片機，匯編，高度依賴硬件，而且傳統嵌入式軟件在開發過程中只是看重它的本身功能的實現，卻忽視了代碼的復用，同時數據還和界面相互分離，以及可測試性等因素。從這些特點集中來說，最終導致軟件的最終質量過于依賴開發者的水平。隨之嵌入式系統軟件的發展，如今的嵌入式系統軟件在包括功能、規模和復雜程度等各方面均收獲了大幅度的提高。例如Marvell公司生產的PXA3系列，其最高主頻已經達到800Mhz，內部建有USB，WIFI，2D圖形加速以及32位DDR內存。

從硬件方面進行分析，現如今的嵌入式系統顯然已經超越了數年之前的PC平臺。從軟件方面分析，很顯然已經形成了成熟的操作系統，例如Symbian，Linux，WinCE。在完善的操作系統的基礎上其他的一些應用程序同樣也凸顯出來，比如字處理，圖像處理以及視頻、音頻和游戲處理或者網頁瀏覽等，這些程序的復雜性乃至功能性可謂相較PC軟件只增不減。原本那些大部分選擇使用專用硬件及系統的公司也開始慢慢從各方面轉換思路，憑借出色且廉價的硬件完善操作系統為基礎，利用軟件代替之前專用硬件能夠完成的所有功能，以達到更高成本及低成本的可變更及可維護性[1]。

2 我國嵌入式技術及應用現狀

自從20世紀嵌入式系統概念提出之后，它就憑借自身高性能、低功耗、低成本、小體積的優勢，收獲了前所未有的發展，但也因為受到當時硬件水平制約的緣故，使得嵌入式系統的開發方式以及以PC為主要代表的通用型計算機軟件開發方式從一開始的時候就存在差異性。起初的嵌入式系統硬件僅僅只是一個基于8位數的簡單系統，而且系統硬件設計者也往往都是其開發者，編程語言大部分都是以匯編語言為主的，硬件設計人員在設計硬件系統的時候往往會綜合考慮到程序的編寫問題，但在實際程序設計時，又必須考慮到硬件的配合，所以，對于嵌入式軟件的編程開發，相關都非常了解系統底層軟、硬件各部位細節。

鑒于軟硬件開發條件的制約，通常情況下這些系統都是用于實現一個或者多個簡單數據的采集控制的，并且其程序的控制結構也大多以簡單的控制循環為主，并且配合中斷服務以實現呼應外界請求，不予采用操作系統，因此，開發人員在計算機操作系統的軟件開發工具理解掌握方面有一定的局限性。另外，有一大群人則更感興趣以Microsoft Windows、Linux為代表的操作系統，他們深深沉陷于操作系統應用程序的開發當中，他們的興趣點在于怎么樣使用像VC、VB、Java一類的高級編程語言，關心在操作系統中如何更加復雜且精彩地進行應用，卻疏于對系統中硬件細節問題的關心。立足傳統意義上的觀點進行考慮，通常我們都把前者歸結為硬件開發人員，但對于后者則常常稱為是軟件程序員。在很長一段時間內，此二者幾乎都是井水不犯河水，都存在各自的應用和開發領域。

隨著計算機軟硬件技術的快速發展，人們在這方面的應用需求也越來越高，尤其在伴隨著人們對以ARM、PowerPC、MPS等高性能嵌入式微處理器的普遍使用，使傳統的嵌入式系統概念出現了大幅度的變化。我們以基于8位數的嵌入式系統為舉例，當應用系統面對人們越來越復雜的使用需求，并且這種要求范圍越來越廣泛時，系統每增加一項新功能，都會引起應用軟件結構方面的變化，或者是需要重新進行設計，但這種問題在基于操作系統的通用型計算機則就小很多，很明顯，嵌入式系統軟件最大的缺陷就體現在它不具備操作系統的支持，但也限于8位機系統比較有限的運算能力或存儲容量的限制，不能夠支持操作系統的整體化運行，對此，即便很長一段時間內人們已經認識到了這個問題，并沒有找到好的解決方法。

自20世紀九十年代后，對于嵌入式系統的設計人們提出了“片上系統”的概念，現階段的嵌入式系統設計已經步入了以Soc為核心的階段，很明顯，Soc為高性能的嵌入式系統的開發提供了廣闊的平臺，但它所具備的極其強大的運算能力或存儲能力，卻能夠支持極其復雜的嵌入式操作系統的運行。

嵌入式系統軟件是繼嵌入式微處理器性能不斷發展之后才慢慢發展起來的，近幾年隨著嵌入式系統軟件應用領域的擴大，究其原因主要在于嵌入式系統軟件開發復雜度的提高，再加上嵌入式微處理器的推廣應用，為其嵌入式系統軟件的硬件平臺的運行提供了保障。另外目前在嵌入式系統軟件使用過程中種類繁多，而占據市場份額較高的有Linux、WindowsCE、VxWorks、QNX、eCos、uC/OS II等。確切地說，嵌入式操作系統可以劃分為兩大類，即商業級嵌入式操作系統，該操作系統通常都是在經過比較長的一段時間的使用過后，由部分大公司進行開發并進行維護，并且其在使用性能方面也都具備較好的保證，比如WindowsCE，VxWorks，QNX等，但這些系統有一個共同的缺陷就是價格昂貴，并且也都不公開核心代碼，單從這一點來說，它是違背嵌入式系統用戶定制性較強且升級換代快的特點的。也正是因為如此，它的應用范圍才受到了限制。還有一類屬源代碼開放的嵌入式操作系統，像是Linux、eCos和uC/OS II等，即使此類系統從技術支持或服務方面存在缺陷，但對于開發人員來說要求卻比較高，同時也因為用戶可定制性好且具備可持續開發的優勢，當下對于它的應用相較于商業嵌入式系統來說更多一些。

3 嵌入式系統的應用

3.1 電子設備

嵌入式系統的應用實質上屬于一種“完全嵌入受控器件內部，為特定的應用設計出來的專用計算機系統，”嵌入式系統同時為控制、監視及輔助設備和機器或者是用作工廠運作的設備儀器。相較于普通的計算機系統不同點在于，嵌入式系統軟件一般執行的屬附帶特定要求的預先定義的任務。又因為嵌入式系統軟件僅針對某一項特定的特殊任務，因此設計人員只能將其優化，并且減小尺寸并降低其成本。一般嵌入式系統都會進行大批量生產，因此單個生產成本就會節約很多，可以隨著產量大小呈數以千計的倍數不斷放大。

嵌入式系統軟件具體是用于控制或監視機器、裝置和工廠等比較大規模的設備系統的。國內比較普遍地為嵌入式系統定義為：以應用為中心，以計算機技術作為基礎，并且軟硬件都可以裁剪，適合應用于應用系統對功能、可靠性、成本和體積以及功耗等嚴格控制的專用計算機使用系統，它的應用范圍非常廣泛。我們生活中使用的家庭自動化產品和家用電器、手提電話及自動柜員機（ATM）等都有應用[2]。

3.2 信息家電

此為嵌入式系統應用范圍最廣的一個領域，日常我們常見的冰箱、空調等家用電器的智能化和網絡化將會把人們帶入一個新的生活空間。即便家中沒人，通過電話線、網絡也可以進行遠程控制，嵌入式系統在這些設備中將會發揮出其極大的功用。

3.3 環境工程

用于水文資料的實時監測、應用于防洪體系和水土質量監測，堤壩安全，地震監測網，及實時氣象信息網，水源以及空氣污染監測。于很多惡劣環境下，并且地況較為復雜的地區，嵌入式系統都可以進行無人監測。

3.4 POS網絡及電子商務

公共交通不具備智能發卡系統，公共電話卡發行系統，或者自動售貨機以及各種終端智能ATM機等都會慢慢進入人們的日常生活。

3.5 家庭智能管理系統

嵌有專用控制芯片會逐步替代水、電、燃氣表的遠程自動抄表以及防盜系統人工檢查工作，而且能發揮出它更高、準確度更高且安全性能更好的性能。在當前的服務領域，包括像遠程點菜器等都已經慢慢彰顯出了嵌入式系統的應用優勢。

3.6 工業控制

目前嵌入式芯片的工業自動化設備在未來將收獲一片光明的發展前途，當前也已經有大量的8位、16位以及32位嵌入式微控制器被廣泛應用到工業控制當中。而網絡化則成了提升產品的生產效率及產品質量并且減少人力資源的核心途經，比如工業過程控制和數字機床以及電力系統與電網安全、電網設備監測和石油化工系統等等。

3.7 機器人

嵌入式芯片的應用和發展更加凸顯出了機器人微型化且高智能的優勢，而且還會更大幅度使機器人的價格再度降低，促進其更加廣泛地應用于工業及服務業等諸多領域。

3.8 交通管理

嵌入式系統技術也被廣泛應用于車輛導航、流量控制和信息監測以及汽車服務方面，并且其內部嵌有CPs模塊，GSM模塊的移動定位終端當前也被成功地應用于各種運輸行業。

3.9 軍用

戰爭中用于各種武器控制（火炮、導彈、智能炸彈導引爆裝置）、坦克、艦艇、轟炸機等各種陸?？哲娪秒娮友b備，雷達、電子對抗軍事通信裝備和野戰中指揮作戰使用的作戰裝備等等。

4 結束語

綜上所述，嵌入式系統軟件設計技術的出現在未來幾十年里將會普遍地出現在我們的生活中，它將會為我們的學習、工作和生活帶來更多的便捷，也會將我們帶入一個高質量的生活狀態。