嵌入式系統對開源平臺的探索與設計

◆李源 李英 閆青 劉春霞

嵌入式系統對開源平臺的探索與設計

◆李源 李英 閆青 劉春霞通訊作者

（太原科技大學 山西 048011）

隨著電子、計算機和信息技術領域的迅速發展，設計并實現了不同類型的嵌入式系統，并用于諸多不同的需求和目的，同時也衍生出許多實際應用。此類系統的設計和開發使用將最大限度地適應具體應用，并高效執行所需的特定功能。此外，這類系統應盡可能簡單，盡可能小尺寸，低成本，極少地消耗能源。始終是針對某些特定目的的專門和優化的系統，幾乎可以用于人類活動的所有領域。本文將系統性闡述嵌入式系統的設計理念以及在對開源平臺開發過程中應注意的事項，并結合分析多個嵌入式系統的優缺點案例，分析對系統的影響以及如何使設計更加趨于合理化。

開源平臺；嵌入式系統；SCADA；RFID

1 嵌入式系統概念

嵌入式系統是硬件和軟件集成性很強的電子系統，旨在執行某些特定功能。這些系統是內置于另一個系統的基于計算機的電子系統，為它們提供了穩定的功能和性能。同時作為特殊用途的系統，它完全由其控制的設備進行封裝。該類系統執行一至多項預先設定的任務，通常具有非常具體的操作要求。由于系統執行特定任務的原因，開發人員可以在運行速度上進行優化，同時降低系統尺寸和重量、功耗和成本。該系統通常為大規模生產和大規模消費的產物，且該類系統基于微機實現其功能。

嵌入式系統的一些基本特點是：它用來執行特定任務，有較為廣泛的CPU處理器支持，實時限制，而且價格相對便宜。在操作系統使用方面，它通常是實時操作系統（RTOS）。在大多數情況下，此類系統可作為電池供電和低功率系統，通常習慣于在極端環境條件下運行，具有僅可用于具體用途所需的系統資源。這種系統會把所有的對象代碼都保留在ROM中，并需要使用特殊的方法對其進行設計。

提及嵌入式系統，大家大都不會感到陌生，它的應用范圍很廣，這種系統通常耗資非常低廉，幾乎可以用于每一種電子產品。嵌入式系統當前生產生活環境下應用的一些主要領域包括：計算機外圍設備、汽車電子工業、飛機電子工業、火車、電信、醫療系統、軍事特殊應用、平臺認證系統、消費電子、工業制造設備、智能建筑和智能云機器人的研發應用。嵌入式系統的特點是交叉開發，不過它通常用于軟件開發。一般情況，系統工程師會在一個平臺上對嵌入式系統軟件進行開發，并在另一個平臺上參與執行。此外，它還需要在機器語言中獲得盡可能高效的程序。由于現有編譯器無法生成高效的機器代碼，因此我們經常使用組裝語言編程對其進行操作。但是，嵌入式應用程序正變得越來越復雜，需要在高級編程語言中使用編程。一般來說，并沒有理想的編程語言來編程嵌入式系統。嵌入式系統中目前最常用的編程語言是：C、C++、Java等。

2 嵌入式系統設計在開源平臺上的設計思想

嵌入式系統的許多實際需求和應用并不需要高性能、高速度、低功耗等大量的解決方案。在這種應用中，最重要的是滿足所需的系統功能，盡可能縮短系統開發和實施時間，盡可能降低系統開發和實施成本，并盡可能優化和最小化硬件和軟件，以達到所需的運行速度。此外，它要求系統的體積、重量和功耗盡可能小，可靠性高，易于維護，價格盡可能低。因此，我們可以通過采取針對開源平臺設計的嵌入式系統。這種設計概念可以簡化和加速開發、設計和實現過程，減少所有活動所需的時間，降低所有過程的成本。它還支持模塊化方法，以方便、加速和降低系統修改和維護成本。可根據用戶需求優化軟硬件資源，平衡整個系統所需的功能和價格。開源硬件平臺的使用（尋找合適的開源板平臺）使得硬件集成系統的開發、設計和實現過程更加簡單和廉價。我們只需要根據這一目的的需要選擇最適合特定應用的開源平臺，同時還需要選擇一些附加的硬件模塊來添加到所選的開源平臺。如果需要特定的應用程序，則啟用模塊化硬件方法。硬件設計的其他活動包括定義系統如何連接到環境、傳感器和執行器以及用戶。因為現有的硬件開源平臺為互聯和通信提供了大量的方式和電路。在該設計中，力求對整個系統的硬件進行最小化和優化，滿足系統的具體應用。通過對系統硬件的設計和實現，證明了該方案的可行性和可靠性，并且總體成本很低。

使用開源軟件平臺（合適的開源軟件開發工具）可減少軟件和整個系統的開發、設計和實施過程，使開發設計和實施過程更加簡單價格低廉。開發工具包括開源編程語言和軟件工具、操作系統和調試工具，只需選擇最合適的開源軟件工具進行具體應用。它主要使用編程，目的是盡可能多地使用高水平的編程語言。此類方案的優點是簡化、快速和成本較低，問題是它只能在需要極其高速運行的應用程序中，當在高水平編程語言中編程無法滿足所需速度的應用程序時，在這種情況下我們可以使用組裝語言編程。但是，它將使該計劃的開發過程復雜化、減速和增加成本。對此，在必要的情況下，嘗試在高水平編程語言中通過編程，組裝語言編程僅在程序中需要盡可能高速度的部分使用。還必須實施可用于設計完整系統軟件的軟件模塊。如果在具體應用中有必要，則啟用了這種模塊化軟件方法。此外，在此類系統中，它不必使用操作系統，但可以使用一些開源操作系統。由于操作系統會減慢系統的運行速度，并且需要更多的硬件資源（更大的內存），因此它不用于需要高速運行和小硬件資源的應用。在不重要的應用程序中，最好使用一些開源操作系統。操作系統的使用非常方便，加快了整個系統的軟件設計、實施、修改和維護。它可以簡化、降低軟件和整個系統開發和實施的所有活動的成本。軟件開發的進一步活動包括系統與環境和用戶通信的編程。全系統的硬件和軟件的最佳集成在嵌入式系統設計中也非常重要。這能夠并確保實現系統的最佳特性，滿足所有要求，并實現系統的硬件和軟件的平衡。在系統設計中，需要決定硬件將實現什么，軟件實現什么，它始終需要最大限度地減少硬件的使用，并最大限度地利用軟件。應盡可能少地通過硬件實現功能，并盡可能多地通過軟件實現功能，最大限度地減少整個系統的尺寸、重量、能耗和成本。因此，在開發和實施這種嵌入式系統時，應該從一開始就兼并同時實現系統硬件和軟件的設計及其集成和驗證。所有這些在此類嵌入式系統中也得到了簡化，因為主要使用同一制造商的開源硬件和軟件平臺。

3 系統平臺上的嵌入式RFID和SCADA系統

微機嵌入式系統幾乎存在于人類活動和環境的每一個環節。這種系統的應用使得許多已實現的系統具有低成本的功能、移動性和自治性。其中許多系統應用程序包括：從進程獲取、處理和存儲數據、監控過程。加強過程中的安全。所有這些導致所謂的監控和數據采集（SCADA）系統，工業系統的監測，控制和數據采集。所謂的射頻識別（RFID）通常被用作識別流程參與者的安全技術。RFID是識別物體和用戶的標準技術。在很多情況下，由于非接觸式的身份識別，它具有相對高速、簡單和廉價的特點。

在這里，我們建議考慮和描述的可能性，設計、實施和應用嵌入式SCADA和RFID系統使用開源技術。

4 基于微機的嵌入式SCADA和RFID系統

對于標準SCADA系統可使用PLC設備。PLC 是一種基于微機的一種特殊類型的控制器，可用于實時控制流程和系統。在當前控制系統中PLC的使用非常常見，因為它對環境條件、可靠性、功能、編程和維護的易用性抗干擾力較強，為開發和實施嵌入式基于微機的SCADA系統提供了很大的創造性，可以隨著微機的進展和擴展而進行的具體應用。這些系統的主要優點是：優化系統硬件、軟件、速度和存儲需求：根據應用要求實現最大采用，成本合理。SCADA 系統包括：測量設備（傳感器）和執行單元（執行器）、遠程輸入/輸出模塊、遠程站（終端單元）、通信系統和中央站。

5 基于微機的軟件嵌入式模擬硬件設備系統

我們通常對軟件編程模擬CPU硬件設備的設計習慣采用標準的微型CPU，在符合系統穩定和系統標準負荷的環境下，我們多采用可搭配的軟件模塊對其進行設計開發，用這些可配置的軟件模塊來達到某種外設的功能的實現應用。同時將其采取配置、升級、重組的方式使其完成特定的操作。在此應說明的是，我們所知的所有硬件并不是所有外設的功能都可以完全由軟件實現替換，我們對其設計方法的初衷是希望它可以盡可能在系統允許的條件下盡量“以軟代硬”的方式最大化實現，以盡可能少的硬件損耗開銷來獲得最佳的性能比。

6 結語

數字電子技術的發展歷程使嵌入式系統可以針對不同的需求和應用進行設計和應用。這些系統最適合具體應用，并針對特定目的進行專項優化。不同的軟，硬件平臺可用于設計和實現該類系統。特殊設計的平臺最常用于此類目的。但是在許多實際需求中，使用開源軟硬件平臺要方便得多。

在這里我們建議使用開源硬件和基于軟件的微機技術，為許多實際應用設計和實施嵌入式系統來作為這種方法及其好處的例證，分析研究這兩種實際設計和實施的嵌入式系統，如用于系統硬件實現的開源微機板、適當的傳感器、執行器等，用于系統軟件實現的開源軟件工具和程序以及操作系統。同時對系統設計還可以采用模塊化方法，使系統易于擴展、簡化維護和適應用戶的需求，它可以極大程度地實現系統功能和成本之間的平衡。

在接下來設計和實施這個嵌入式系統時，我們可以根據系統需要對所有已使用的組件和工具進行優化設計，對所有的硬件和軟件設計進行系統性能優化。這樣，系統在功能和成本上實現了相對平衡。與其他的設計和實現方式相比，這種嵌入式系統最主要優勢是：成本更低，應用優化，尺寸和重量更小，電能消耗更低。但同時它也帶來的一些缺點是：出于可靠性較低，確定性較低，對系統設計需要的應用受到限制等等一系列問題。

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