谷惠敏

（商丘醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校 河南 商丘　476100）

嵌入式實時軟件在計算機軟件設(shè)計中的運用分析

谷惠敏

（商丘醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校 河南 商丘476100）

嵌入式軟件因其專業(yè)性與實時處理的特點，在計算機軟件設(shè)計中被廣泛的運用，直接影響著計算機軟件設(shè)計的質(zhì)量，本文基于推廣嵌入式實時軟件在計算機軟件設(shè)計中的應(yīng)用，采用理論敘述方法，細述探討了嵌入式實時軟件在計算機軟件設(shè)計中的運用原理，并以此為依據(jù)，細述了基于嵌入式實時軟件進行計算機軟件開發(fā)和設(shè)計需注意的要點，進而對計算機軟件設(shè)計嵌入式實時軟件的運用進行了系統(tǒng)探討，以供業(yè)內(nèi)人士交流探討。

嵌入式實時軟件；計算機軟件設(shè)計；軟件開發(fā)；運用

在計算機軟件設(shè)計過程中應(yīng)用嵌入式實時軟件，有助于簡化設(shè)計流程，提升設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，具有一定的研討價值。文中先是對嵌入式實時軟件以及其在計算機軟件設(shè)計中的運用進行介紹，之后再重點從計算機軟件設(shè)計嵌入式實時軟件的設(shè)計和開發(fā)以及計算機軟件設(shè)計嵌入式實時軟件的運用，進行論述。

1　簡析嵌入式實時軟件在計算機軟件設(shè)計中的運用

1.1嵌入式實時軟件概述

所謂嵌入式實時軟件是以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計的一種軟硬件可裁剪，且對系統(tǒng)功能、可靠性、成本、體積、功耗均有嚴格要求的應(yīng)用型計算機系統(tǒng)。近些年來，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升機信息化進程的推進，計算機漸而融入我們的日常生活，由此，相關(guān)的計算機軟件也開始在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。這之中，嵌入式實時軟件因為其涉及范圍廣泛、穩(wěn)定性好、操作簡單、價格合宜而頗受業(yè)內(nèi)人士肯定。實質(zhì)上，不僅如此，嵌入式實時軟件在計算機軟件設(shè)計中應(yīng)用還可提高設(shè)計出的軟件產(chǎn)品的質(zhì)量，亦能彌補軟件產(chǎn)品缺陷。故而可最大限度的滿足軟件使用者對于計算機軟件的需求，同時也可保證軟件在計算機軟件設(shè)計中得到有效應(yīng)用。

1.2嵌入式實時軟件在計算機軟件設(shè)計中的運用原理

嵌入式實時軟件同通用計算機軟件之間存在顯著的差異，這也是導(dǎo)致嵌入式使用軟件在計算機軟件設(shè)計中運行原理有異的根本原因。在計算機軟件設(shè)計中，嵌入式實時軟件可以在緩存機制、動態(tài)分配、預(yù)測指令執(zhí)行等設(shè)計中產(chǎn)生積極的良性作用，即在改變計算機軟件實時操作性的同時也增加了軟件設(shè)計的應(yīng)用性和安全性。雖然同通用計算機系統(tǒng)存在差異，但是兩者在設(shè)計時均需同時考量軟件及硬件的設(shè)計。其中，軟件包含操作系統(tǒng)軟件（OS）和應(yīng)用程序編程，硬件包含處理器或微處理器、存儲器、外設(shè)器件、I/O端口、圖形控制器等。在計算機軟件設(shè)計的應(yīng)用中，由應(yīng)用程序來控制系統(tǒng)的運作和行為，操作系統(tǒng)控制應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。此外，嵌入式微處理器的設(shè)計是嵌入式實時軟件設(shè)計的核心，目前設(shè)計方案中多應(yīng)用ATglRM9200處理器。而對于軟件模塊的設(shè)計也是設(shè)計重心，其設(shè)計質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到計算機軟件設(shè)計的安全性、通用性和可操作性。

2　試論計算機軟件設(shè)計嵌入式實時軟件的設(shè)計和開發(fā)

在計算機軟件設(shè)計中運用嵌入式實時軟件對于軟件設(shè)計而言，不僅可以提高軟件設(shè)計效率，還可以簡化計算機開發(fā)流程。同通用計算機系統(tǒng)不同，后者開發(fā)無需特定的開發(fā)環(huán)境，而計算機軟件設(shè)計嵌入式實時軟件的開發(fā)通常財通交叉開發(fā)的方式。但是前者設(shè)計和開發(fā)均相對較為簡單，實施步驟為：第一，分析計算機軟件系統(tǒng)的需求；第二，根據(jù)需求開始軟件系統(tǒng)設(shè)計并編寫應(yīng)用程序代碼；第三，測試軟件，分析測試結(jié)果，完善計算機軟件設(shè)計。顯然，嵌入式實時軟件開發(fā)流程簡便，這無疑為提升計算機軟件的穩(wěn)定性提供了保障。不過，在軟件設(shè)計過程中，也應(yīng)當(dāng)注意落實軟件數(shù)據(jù)初始化和格式化等工作的穩(wěn)步施行。由上可知，在運用嵌入式實時軟件進行計算機軟件設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)熟練掌握基于嵌入式實時軟件進行軟件開發(fā)方面的相關(guān)知識 （見圖1），盡量避免人為設(shè)計的失誤。例：在進行計算機軟件設(shè)時脫離于計算機硬件結(jié)構(gòu)。這樣的疏忽會極大地降低軟件設(shè)計對硬件的粘性和依賴性，必定會影響軟件系統(tǒng)在計算機應(yīng)用過程中的可靠性和實用性。故而，在計算機軟件設(shè)計過程中，需盡量規(guī)避軟件同硬件兩者之間脫離，以此提高計算機軟件在應(yīng)用過程的操作性能。

圖1　嵌入式軟件開發(fā)知識體系結(jié)構(gòu)圖

3　計算機軟件設(shè)計嵌入式實時軟件的運用

嵌入式實施軟件在計算機軟件設(shè)計中的運用是提升計算機軟件系統(tǒng)設(shè)計科學(xué)性、功能性和可操作性的一種良好方式。下文將細述嵌入式實時軟件在計算機軟件設(shè)計中的運用步驟，以為嵌入式實時軟件更為合理的運用提供參考依據(jù)。

3.1劃分計算機軟件并行任務(wù)

嵌入式ROTS微內(nèi)核是開發(fā)計算機軟件應(yīng)用程序的基礎(chǔ)平臺，對于計算機系統(tǒng)而言，是保障系統(tǒng)功能實現(xiàn)的關(guān)鍵所在和重要基石，而這同嵌入式ROTS微內(nèi)核的結(jié)構(gòu)（見圖1）和多項功能（資源管理、任務(wù)管理及控制、任務(wù)間通信、任務(wù)互斥與同步等）不無關(guān)系。在運用嵌入式實時軟件進行計算機軟件設(shè)計時，先行將計算機軟件系統(tǒng)劃分為一個個獨立的任務(wù)，不僅可以簡化后期軟件設(shè)計的流程，同時也為嵌入式ROTS模型的優(yōu)化完善及系統(tǒng)運行的協(xié)調(diào)修正提供了良好條件。

圖2　嵌入式實時操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于嵌入式實時軟件劃分計算機軟件系統(tǒng)并行任務(wù)時，首先應(yīng)當(dāng)對計算機應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換進行詳實分析和計算，續(xù)而根據(jù)分析結(jié)果確定數(shù)據(jù)執(zhí)行的順序，最后以計算機應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的異步關(guān)系為依據(jù)，將一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換或多個數(shù)據(jù)并行轉(zhuǎn)化作為一個任務(wù)進行劃分。其中，關(guān)于應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的異步關(guān)系應(yīng)當(dāng)考量兩個方面：其一，系統(tǒng)內(nèi)部功能。根據(jù)系統(tǒng)功能完成的時間或任務(wù)之間的緊密程度進行任務(wù)劃分。如：將同事件激活任務(wù)一起完成的系統(tǒng)功能劃分在一起，作為一個任務(wù)；抑或?qū)⒔?jīng)由統(tǒng)一事件驅(qū)動的任務(wù)合并劃分為一個任務(wù)。其二，I/O功能。在現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中，對I/O設(shè)備的控制需要計算機應(yīng)用程序輪詢，但是因為輪詢需要占用大量CPU資源，為了保證I/O驅(qū)動正常的前提下滿足計算機軟件系統(tǒng)的使用性，故而多采用中斷驅(qū)動的方式。

3.2存儲映像布局并組織任務(wù)

在將系統(tǒng)應(yīng)用功能劃分為一個個相對單獨的任務(wù)之后，則需開始進行任務(wù)組織，任務(wù)組織方式的選擇主要取決于單獨任務(wù)之間的邏輯關(guān)系和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，而任務(wù)的管理功能和組織功能則同嵌入式操作系統(tǒng)存在緊密聯(lián)系。其中，嵌入式操作系統(tǒng)的操作系統(tǒng)并不完整，因此需同應(yīng)用程序駐留或保存在ROM或FLASH中。而為了保證操作系統(tǒng)可以在后續(xù)應(yīng)用中穩(wěn)定運行，則需要在任務(wù)組織時合理安排并優(yōu)化計算機軟件系統(tǒng)布局。針對軟件系統(tǒng)布局，應(yīng)當(dāng)將應(yīng)用系統(tǒng)存儲映像的布局以及從物理零地址調(diào)取的存儲器作為考慮的重點。系統(tǒng)加電之后，在物理零地址上設(shè)置可以執(zhí)行的代碼。一般情況而言，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)是從ROM開始啟動，ROM在初始化時位于嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的物理零地址，該地址之后會存放計算機系統(tǒng)的中斷向量。這種方式的優(yōu)勢在于其最為簡單便捷，可以有效提升處理器調(diào)取中斷向量的速度。另外還有一種組織方式是分散載入法，本次暫按不表。

3.3應(yīng)用實時性與任務(wù)調(diào)度

基于嵌入式實時軟件進行計算機軟件設(shè)計，需重點考量嵌入式實時應(yīng)用系統(tǒng)的實時性。系統(tǒng)實時性分為軟實時性和硬實時性。其中，軟實時性要求系統(tǒng)需在一定時限之內(nèi)完成任務(wù)，但是可以出現(xiàn)一定范圍內(nèi)的時間延遲；硬實時要求系統(tǒng)必須在一定時限范圍內(nèi)完成任務(wù)，如果超過時間將會造成不利后果。這邊要求計算機軟件系統(tǒng)任務(wù)的調(diào)度方式的選擇應(yīng)當(dāng)盡量采用基于優(yōu)先級的可搶占調(diào)度方式（見表3）。該種方式是指微內(nèi)核會根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)的緊急情況對軟件系統(tǒng)任務(wù)進行是否優(yōu)先處理的安排，并依據(jù)優(yōu)先等級不同劃分系統(tǒng)任務(wù)，以此減少優(yōu)先任務(wù)的響應(yīng)時間。

圖3　搶先式多任務(wù)調(diào)度示意圖

3.4任務(wù)與時鐘間通信

提供時鐘服務(wù)是每個計算機軟件在設(shè)計過程中均應(yīng)當(dāng)考慮到的問題之一，同樣，嵌入式實時軟件也存在時鐘，常以“l(fā)ick”來標(biāo)記。因此，基于嵌入式實時軟件進行計算機軟件設(shè)計時，需設(shè)計計算機軟件系統(tǒng)的時間服務(wù)，保證每個人物具備自己的時鐘，以便定期控制執(zhí)行動作。許多嵌入式實時軟件操作系統(tǒng)都具有郵箱、信號量、信號、隊列等機制，以保障軟件資源和系統(tǒng)任務(wù)之間通信與同步的實現(xiàn)。

3.5系統(tǒng)初始化

在運用嵌入式實時軟件進行計算機軟件開發(fā)和設(shè)計時，如此促使系統(tǒng)初始化并執(zhí)行是需要重點考慮的另一個問題。位于嵌入式操作系統(tǒng)微內(nèi)核和底層硬件之間的硬件抽象層是編寫系統(tǒng)初始化代碼之處，主要負責(zé)和實現(xiàn)系統(tǒng)的引導(dǎo)和初始化。同通用計算機軟件系統(tǒng)不同，嵌入式實施軟件并不具有BIOS，故而，軟件開發(fā)者需要通過設(shè)計方案實現(xiàn)系統(tǒng)引導(dǎo)和初始化代碼，經(jīng)由一系列固定指令序列執(zhí)行諸如定義入口點、初始化存儲系統(tǒng)、設(shè)置異常中斷向量、初始化RAM變量等系統(tǒng)初始化工作。最后，通過轉(zhuǎn)移指令或設(shè)置指令加載嵌入式軟件系統(tǒng)，進入系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度即可。

4　結(jié)束語

綜上所述，基于嵌入式實時軟件，利用分層結(jié)構(gòu)進行計算機軟件設(shè)計，不僅增加了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性，還簡化了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，值得推廣應(yīng)用。本文從嵌入式軟件出發(fā)，簡析了嵌入式實時軟件在計算機軟件設(shè)計中的運用及原理，并就計算機軟件設(shè)計嵌入式實時軟件的設(shè)計和開發(fā)進行討論，從劃分計算機軟件并行任務(wù)、存儲映像布局并組織任務(wù)、應(yīng)用實時性與任務(wù)調(diào)度、任務(wù)與時鐘間通信、系統(tǒng)初始化，5個方面重點闡述了計算機軟件設(shè)計嵌入式實時軟件的運用。

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The application of embedded real-time software in a computer software design analysis

GU Hui-min
（Shangqiu Medical College，Shangqiu 476100，China）

The characteristics of embedded software for its professionalism and real-time processing，is widely used in computer software design，directly affecting the quality of computer software design，this article is based on promoting the application of embedded real-time software in a computer software design，use the theory of narrative method，elaborate discussed the application of embedded real-time software in a computer software design principle，and on this basis，elaborate the based on embedded real-time software for computer software development and design，the main points of the need to pay attention to the use of computer software design of embedded real-time software system is discussed in this paper，for the industry communication.

embedded real-time software；computer software design；software development；using

TN0

A

1674－6236（2016）09-0169-03

2015-06-02稿件編號：201506036

谷惠敏（1979—），女，河南商丘人，碩士，講師。研究方向：計算機技術(shù)及應(yīng)用。