郎薇薇

摘 要：本文從嵌入式系統(tǒng)的概念出發(fā)，談到嵌入系統(tǒng)的實際應用的廣泛性。從而更深入的闡述嵌入式系統(tǒng)的設計原則和其軟件特點。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；雙師型

1 嵌入式系統(tǒng)及其應用概述

嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件可編程，硬件可剪裁、重構的專用計算機系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常嵌入在對象環(huán)境中，并通過其在對象環(huán)境下運行的特定程序，完成對外界物理參數(shù)地采集、處理，達到對控制對象地響應或人機交互的功能[1]。

目前，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向主要是解決接口多樣性、適應性、靈活性和集成開發(fā)環(huán)境等的特定應用問題。嵌入式系統(tǒng)應用的底層性與對象系統(tǒng)的緊耦合性是其顯著的基本特征。所以，最大限度的滿足對象數(shù)據(jù)采集、控制、開發(fā)環(huán)境、功耗，以及適應能力、可靠性等品質因數(shù)是選擇嵌入式系統(tǒng)的標準。

為適應技術發(fā)展需求，嵌入系統(tǒng)在不斷追求結構緊湊、堅固可靠、技術密集、高度分散的同時，尤以不斷創(chuàng)新為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展核心。使嵌入系統(tǒng)凸現(xiàn)了高技術門檻，主要表現(xiàn)在軟硬件設計的緊密相關性上，特別是構建RTOS系統(tǒng)需透徹了解RTOS的工作機制和系統(tǒng)資源配制，掌握底層軟件、系統(tǒng)軟件和應用軟件的設計、調試方法[2]。

隨著對嵌入式系統(tǒng)的智能化愈加關注，現(xiàn)場可編程、調試、引腳配置變得非常重要和必不可少。所以，用戶可配置的SCO（在片系統(tǒng)）已成為現(xiàn)階段嵌入式系統(tǒng)的核心發(fā)展技術。通過現(xiàn)場可編程陣列把接口應用設計和系統(tǒng)開發(fā)留給系統(tǒng)設計者，提供靈活、多樣的片上電路設計平臺，使電路板設計變成在片的芯片配置，將嵌入系統(tǒng)地設計帶入了軟硬件的雙編程時期，進一步縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。而下一代的在片系統(tǒng)還將發(fā)展成一個MUC數(shù)量可縮放的集合體。

在嵌入式應用系統(tǒng)中，雖然高端產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，但由于應用對象、環(huán)境的不同特點，嵌入系統(tǒng)的8位機產(chǎn)品仍因應用對象的有限響應時間、完備的集成開發(fā)環(huán)境、良好的性價比等優(yōu)勢仍然占據(jù)著低端應用系統(tǒng)的主流地位。Cygnel公司的C8051F系列產(chǎn)品就充分印證了這點。

回顧嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程，已經(jīng)歷了由模擬向數(shù)字的演進過程，現(xiàn)又逐步演變?yōu)閿?shù)模并存情形。由最初軟件編程主宰的微處理器（嵌入式微處理器、數(shù)字信號處理器、單片機），到硬編程主宰的專用集成電路時代，再到今天的現(xiàn)場可編配置時代。嵌入式系統(tǒng)的核心技術正沿著“許氏循環(huán)”的浪潮不斷前行。而配套的軟件設計平臺也隨著科技進步在不斷得到完善。可以預期，軟硬雙可編程的嵌入式系統(tǒng)時代必會帶來更加便捷的開發(fā)環(huán)境和技術支持。

2 嵌入系統(tǒng)的設計原則

嵌入系統(tǒng)設計具有很強的針對性，軟硬件協(xié)同設計是系統(tǒng)設計的關鍵。需解決好軟硬件的同步與集成設計問題，要結合具體應用進行綜合考慮，保證設計工作的一致性與正確性。在針對具體應用系統(tǒng)的功能目標分析基礎上，分解整個系統(tǒng)的各項功能指標和技術要求，結合系統(tǒng)的實時響應要求、接口功能定義與標準、嵌入芯片的處理能力、編程語言、開發(fā)環(huán)境、產(chǎn)品的升級與維護問題、開發(fā)投入能力、產(chǎn)品綜合成本等多方面因素進行權衡考慮。

2.1 在明確系統(tǒng)性能需求的基礎上，細化以下考慮因素

1）系統(tǒng)功能實現(xiàn)手段的軟硬件分配。

2）器（部）件選擇和系統(tǒng)構建。包括微處理器芯片、外圍接口電路、各種驅動電路形式、器部件類型、前后向通道處理方式、人機界面和手段等。

3）控制算法設計以及軟件系統(tǒng)的架構形式。

4）語言選擇。依據(jù)設計者熟練程度和習慣、開發(fā)環(huán)境和控制功能要求選取。

5）抗干擾問題的解決與設計。包括軟件的和硬件的、常規(guī)的和特定的。

6）實現(xiàn)工藝和方式。包括印制板設計、走線安裝、裝配工藝、新材料或新技術的應用等。

在各實施階段，對項目進度、關鍵技術的風險因素必須進行審查評估，評價軟一硬件的功能設計與分配，以及實現(xiàn)的技術性能、工作量和時間進度。明確電路之間的接口參數(shù)、軟一硬件功能銜接，以及項目中存在的問題和缺陷，及時發(fā)現(xiàn)關鍵部位或矛盾突出點的瓶頸問題，將隱患排除在早期設計階段[3]。

2.2 嵌入系統(tǒng)中微處理器選擇應考慮

1）MCU的算術、邏輯處理能力；運算速度和時鐘頻率；總線控制功能、中斷方式和仲裁機制；RAM和FLASHROM容量；軟件加密保護。

2）外圍接口功能的可重構配置能力；數(shù)據(jù)通訊模式；前后向通道類型；端口電壓的適應能力等；

3）開發(fā)工具的在線調試或仿真能力；FLASH代碼讀寫環(huán)境；編程語言的支持程度；代碼的可移植性等。

4）電源電壓；功耗等。

3 嵌入系統(tǒng)的軟件特點

嵌入式系統(tǒng)是可利用資源有限、專用性很強、實時性要求也很高的應用控制系統(tǒng)。故在軟件設計方法和實現(xiàn)手段上，嵌入系統(tǒng)軟件同PC機軟件存在很大差異，主要表現(xiàn)在：

3.1 實時性的控制方法

PC軟件提升速率方法，極大依賴處理器性能提升，還體現(xiàn)在緩存方案、動態(tài)分配等技術手段上。但在嵌入式系統(tǒng)中應用這些技術就存在硬件資源不足、工作頻率低的現(xiàn)實問題，會降低系統(tǒng)的可靠性。

3.2 特定的異構特征

嵌入式控制軟件設計既要考慮特定的硬件固有部分，也要考慮來自系統(tǒng)之外的各種通訊、傳感器的專用信號處理接口，以及不同控制目標的實時期望和執(zhí)行機構的異步并發(fā)事件處理能力。因此不同的硬件系統(tǒng)或控制目標，將會產(chǎn)生不同的系統(tǒng)構建方案。

3.3 系統(tǒng)的性能目標

編寫嵌入式軟件必須著重考慮與硬件系統(tǒng)相匹配的功耗、不間斷運行、故障恢復、高可靠性等方面的約束條件，實現(xiàn)特定應用環(huán)境下的控制功能、實時性響應的目標要求。因此，嵌入系統(tǒng)要在借鑒通用軟件技術，遵循軟件工程理論，規(guī)范軟件開發(fā)過程的同時。還應根據(jù)嵌入式系統(tǒng)特點研究開發(fā)技術和算法結構，提高開發(fā)效率，確保系統(tǒng)軟件的質量和可靠性，以及軟件的復用性、可移植性和易維護性。縱觀嵌入式軟件設計方法的發(fā)展歷程，走過了從結構化設計、面向對象設計、基于構件的設計階段，經(jīng)歷了單任務到多任務的系統(tǒng)轉變。

4 結語

隨著嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展，數(shù)字時代的到來，嵌入式系統(tǒng)及其產(chǎn)品獲得了巨大的發(fā)展力量。嵌入式系統(tǒng)的軟硬件成本更低，更加協(xié)調，算法更加精簡，系統(tǒng)功耗更加低，人機界面更加友好，功能更加強大，應用也越來越廣泛。

參考文獻

[1]方爾正，王燕.嵌入式技術及其應用[M].哈爾濱工業(yè)大學出版社，2008.

[2]王志英，李宗伯.嵌入式系統(tǒng)原理與設計[M].高等教育出版社，2007.

[3]慕春棣.嵌入式系統(tǒng)設計[M].清華大學出版社，2012.