計算機軟件設計中嵌入式實時軟件的應用

李潤昊

關鍵詞 計算機軟件 嵌入式 實時軟件

嵌入式實時軟件是指在某些條件限制下優(yōu)化開發(fā)服務過程，借助計算機資源、軟件異步和多程序等特性，通過發(fā)揮其優(yōu)化作用，從而達到優(yōu)化計算機軟件性能的目的。分析嵌入式實時軟件的突出優(yōu)勢以及其性能提升方案，不斷優(yōu)化軟件結構和運行速度等，對于進一步提升嵌入式實時軟件在實際應用中的表現而言有著重要作用。在設計嵌入式實時軟件時，需要關注緩存、命令執(zhí)行等，通過優(yōu)化、升級結構實現集成式操作控制，最大化發(fā)揮嵌入式實時軟件的綜合價值。

1應用原理

嵌入式實時軟件即指集成多種相互聯系的硬件并同時運作的運行平臺，目前在各大領域有著極為廣泛的應用[1] 。例如，在日常生活中使用的電視、電話、數碼相機等，其中均含有嵌入式實時軟件結構。計算機軟硬件是嵌入式實時軟件控制的重要組成部分，其重要作用在于確保在軟件設計過程中可以應用嵌入式軟件展開實際操作，保證開發(fā)出的軟件產品具備豐富的功能，以及可以在規(guī)定時間之內保質保量地完成軟件功能設計，確保計算機系統(tǒng)不會因軟件開發(fā)而受損。嵌入式實時軟件系統(tǒng)在設計過程中通過采用專業(yè)技術模型，提高軟硬件系統(tǒng)的集成度，從而進一步提高計算機系統(tǒng)與嵌入式實時軟件的結合程度，實現對二者功能的高度融合，提高計算機系統(tǒng)的處理能力，實現遠程計算機軟件設計，同時還能夠為采用計算機技術設計軟件提供必要的服務支持。

2特征及優(yōu)點

2.1實用性強

簡單來說，嵌入式實時軟件就是對應用于嵌入式系統(tǒng)中的軟件的統(tǒng)稱。同時，也只有將嵌入式實時軟件應用于嵌入式系統(tǒng)，才能充分發(fā)揮其價值。在設計嵌入式實時軟件的過程中，需要充分結合市場變化和客戶特點，最大化地滿足其個性化和共性化需求。

2.2靈活度高

嵌入式實時軟件的應用形式為直接嵌入硬件內部，因此為了確保提高軟硬件的結合度，在設計過程中必須保證其體積控制在一定范圍之內，只有這樣才能大量節(jié)省設計資源。基于此，所設計出的軟件才符合設計需求的同時完成不同硬件的結合，也不會影響硬件的性能。

2.3能耗低、啟動速度快

嵌入式實時軟件的主要載體為硬件設施，對于系統(tǒng)性能的要求并不高，相對而言空間與資源占用更小，有著更快的啟動速度，使用更為靈活、方便，能夠充分滿足用戶對于提升軟件運行速度的需求。

2.4系統(tǒng)穩(wěn)定性高

由于非嵌入式實時軟件一般安裝在系統(tǒng)硬盤之上，在運行過程中一旦出現故障，則很可能影響整個系統(tǒng)的正常運作。而采用嵌入式實時軟件則可以有效避免這一問題，能夠保證系統(tǒng)在更為安全的環(huán)境中運行。

3意義

作為信息技術發(fā)展的產物，計算機已經被廣泛應用在日常生活的各個方面，尤其是隨著集成電路、微處理器的高速發(fā)展，各種高性能的計算機層出不窮。而嵌入式系統(tǒng)以其體積小、功耗低等特點在工業(yè)領域得到了廣泛應用。要提高嵌入式實時軟件的完整性，就要設計出穩(wěn)定可靠的電路系統(tǒng)和合理的軟件結構。

軟件設計的核心在于確保硬件電路正常運行、數據收集與處理不受影響，這也是其價值所在。嵌入式實時軟件適合安裝于系統(tǒng)運行環(huán)境較為嚴苛、有著較高功耗與豐富功能的專用型計算機中，應用嵌入式實時軟件的關鍵則在于研究信息化的計算機技術，需要在確保實時性、可裁剪性的特質下實現對內部信號的處理和對用戶需求的響應。例如，電視、計算機、智能手機等設備的應用系統(tǒng)實際上都是基于嵌入式實時軟件而設計的。嵌入式實時軟件所具有的重要價值表現在維持系統(tǒng)平穩(wěn)運行，確保外接設備、MCU 等能夠正常工作。

動態(tài)分配、緩存等也是嵌入式實時軟件的重要功能。在嵌入式系統(tǒng)設計流程中，關鍵在于對微處理器的應用，處理器的型號不同，其性能、功能、兼容的操作系統(tǒng)等也有著很大的差異，因此在設計過程中就需要結合用戶需求確定芯片型號。在設計過程中，還需要加入監(jiān)控模塊，用于時刻監(jiān)控系統(tǒng)運行是否穩(wěn)定，識別出影響系統(tǒng)正常運行的因子，如采用看門狗完成對系統(tǒng)的復位等。在軟件設計過程中，還要關注對安全隱患的識別和分析，確保軟件設計能夠有效規(guī)避各類運行風險。

4應用方法

將嵌入式實時軟件應用于軟件系統(tǒng)時，設計者必須按照軟件設計程序完成各個流程的操作，應當盡可能控制各類人工差錯。例如，在設計軟件結構時，設計者需要重視對軟硬件系統(tǒng)的區(qū)分，盡可能避免軟件過分依賴硬件的問題，從而提高系統(tǒng)的實時性與穩(wěn)定性。另外，計算機軟件中嵌入式實時軟件的應用，對于完成數據初始化、結構格式化而言也有重要作用，在設計過程中，通過設計人員的努力從而豐富軟件結構與功能。嵌入式實時軟件在軟件系統(tǒng)中的應用也能夠為系統(tǒng)設計提供便利。

4.1劃分任務

在任務劃分階段，首要流程為數據分析和數據分類，劃分為有應用價值和無應用價值兩種類型，并結合轉換與執(zhí)行的具體需求，充分發(fā)揮轉換與分類的作用。一般而言，可從五個角度切入，即應用程序方面、用戶接口方面、循環(huán)周期方面、異步方面、同步方面，通過強化配合與協(xié)調實現資源整合，發(fā)揮出軟件系統(tǒng)應有的價值，尤其要突出程序輪詢、中斷系統(tǒng)的應用價值，實現對I/ O 事件的統(tǒng)計和驗證，從而逐步靠近長期目標。在這種處理模式下，當計算機系統(tǒng)處于運行狀態(tài)時，部分程序將占用CPU 資源。而通過發(fā)揮出應用程序的輪詢和終端模塊的作用時，則能夠統(tǒng)計和驗證數據，并完成數據采集，進而保證系統(tǒng)數據的準確性，進一步提高系統(tǒng)的時效性、穩(wěn)定性[2] 。

4.2提高組織任務、存儲映像布局的合理性

在任務劃分和設計階段完成之后，其功能性將得以充分展現。在實際操作過程中，既需要關注數據的轉換，也需要確保軟件的邏輯性，為避免受到負面因素的影響，應當同時在FLASH 和ROM 上進行儲存。在數據信息調取的過程中，為了確保軟件能夠充分發(fā)揮出信息調取和儲存的作用，按照設計標準開發(fā)出其應有的功能，就需要對軟件系統(tǒng)進一步優(yōu)化，最大化地為嵌入式實時軟件的應用創(chuàng)造有利條件。

4.3應用流程及應用重點

在軟件設計過程中，必須關注每一流程的設計重點。原因在于當軟件設計中出現任何一個微小的誤差，均可能帶來巨大的經濟損失，或是因計算機軟件系統(tǒng)無法正常運行而影響設計單位的口碑[3] 。所以，在軟件設計過程中，必須確保每一位軟件設計者都具有充足的理論知識和豐富的實踐經驗，快速找到嵌入式實時軟件的設計重點，確保最大程度達到嵌入式實時軟件的應用成效，有效避免計算機軟件設計出現程序錯亂和誤差。在嵌入式實時軟件系統(tǒng)的設計過程中，必須確保計算機軟硬件始終處于高度結合的狀態(tài)。原因在于若設計過程中軟硬件系統(tǒng)各自獨立，則必然會影響軟件設計流程，而保證軟硬件始終處于結合狀態(tài)的目的正在于提高計算機軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與此同時，嵌入式實時軟件在運行過程中可能會出現數據丟失的問題，為此必須提前做好數據備份，確保滿足客戶的數據恢復需求。

4.4實時應用與調度任務

在應用嵌入式實時軟件過程中可以從兩個方面對其應用情況進行分析和理解，即硬實時性和軟實時性[4] 。在實際操作過程中，軟件可以直接體現出應用的實時性，能夠在不同階段表現出不同程度的滯后性，要求操作者提高關注度，堅持優(yōu)選原則，在計算機任務調度過程中選擇優(yōu)先級更高的調度方式。考慮到軟件系統(tǒng)在使用過程中可以通過多種渠道完成優(yōu)化和升級，要求在具體優(yōu)化過程中結合任務的實際要求和任務目標來調整等級，并適當加入新的等級，實現對任務的分解，盡可能提高對關鍵任務的響應速度，全面提升系統(tǒng)響應速度，從而提升工作效率。

4.5任務和時鐘間通信

嵌入式實時軟件具有多種功能，通常包括軟實時和硬實時。兩種功能的區(qū)別在于任務完成時間上，即軟實時允許將任務滯后完成，硬實時則相反。如果某一優(yōu)先級的任務較多，微內核依據任務的緊急情況，自行增強優(yōu)先程度，按照優(yōu)先級對任務進行劃分和排序，此舉的目的在于減少系統(tǒng)完成重要任務所需時間。在嵌入式實時軟件的設計過程中，應當加入系統(tǒng)時鐘模塊，對模塊進行控制。嵌入式實時軟件中包括信號傳遞、排序等程序，能夠實現對系統(tǒng)任務與軟件資源的協(xié)調同步，同時具有信息傳遞功能[5] 。

4.6分布式嵌入系統(tǒng)評價體系

分布式嵌入系統(tǒng)是指通過分解對計算能力要求較高的分析任務，將其劃分為不同的小目標，同時通過傳遞信息的方式將其發(fā)配至網絡計算機中進行處理，接著將所得到的處理結果進行匯總并再次處理，如此得出的便是最終處理結構。主要通過資源分配與調度算法展開針對嵌入式系統(tǒng)的評價。其中，資源分配即指數據儲存器、處理器、網絡等自我填補設備;調度算法即指通過判斷任務的優(yōu)先級，從而確保等級更高的任務能夠得到優(yōu)先處理。分布式嵌入系統(tǒng)的可靠性即指通過提高系統(tǒng)整體運行的安全程度和完整程度，從而提高分布式嵌入系統(tǒng)的可靠程度。

在衡量系統(tǒng)可靠性時，可以從設計、驗證、分析和評估等角度切入。分布式嵌入系統(tǒng)器件的可靠性主要體現在規(guī)定的時間段和運行環(huán)境下，分布式嵌入系統(tǒng)服務表現的持續(xù)性，通過分析系統(tǒng)的這一指標，能夠對其他硬件指標的服務能力做出判斷。為了充分且準確地展示出嵌入式計算機系統(tǒng)的綜合性能，在確定系統(tǒng)性能評價指標時，應當遵循的原則包括：一是代表原則，即指標能夠展現出系統(tǒng)在某一方面所具有的特質;二是可信原則，即能夠提供準確、足量的信息數據;三是使用原則，即能夠滿足使用需求;四是獨立原則，即應當選擇與性能關聯度更小的指標。

5發(fā)展趨勢

嵌入式實時軟件的作用表現在能夠實現遠程操控、應用程序設計，從而滿足遠程、實時控制的需求。為了滿足廣大用戶對嵌入式實時軟件的使用需求，在軟件設計過程中，還需要進一步完善信號量和信號隊列機制等，應當確保系統(tǒng)任務與資源分配能夠同步進行。在軟件信息處理能力不斷提升的背景下，進一步提高操作效率、軟件性能，有助于全面擴大和提升嵌入式實時軟件的應用范圍和應用水平。

嵌入式實時軟件中既包括軟件模塊，也包括硬件模塊，通過提高軟硬件的集成度，則同樣有助于提高其應用水平。盡管信息時代的到來給嵌入式實時軟件帶來了很好的發(fā)展契機，但“打鐵還需自身硬”，在嵌入式技術層面需要不斷突破。首先，嵌入式實時軟件和硬件設施是無法剝離的整體，硬件設施是發(fā)揮嵌入式實時軟件優(yōu)勢的載體，只有擺脫硬件設施的束縛和限制，嵌入式實時軟件才能夠獲得長遠發(fā)展。其次，嵌入式實時軟件系統(tǒng)作為嵌入式實時軟件運行的基礎保障設施，也應當不斷進行優(yōu)化升級，以滿足用戶需求。再次，要努力跳出鏡像內存的框架，或是找到更好的定制途徑，完善嵌入式實時軟件的功能，滿足多樣化和個性化需求，從而開辟更大的市場。最后，嵌入式實時軟件的開發(fā)需要資源和人才的支撐，作為數字時代發(fā)展的客觀要求，我們應當高度重視專業(yè)人才的培養(yǎng)，加大軟件開發(fā)的投入力度，為嵌入式實時軟件的優(yōu)化升級提供堅實的資源和人才保障。