淺談嵌入式系統(tǒng)

1、淺談嵌入式系統(tǒng)摘要：如今，由于嵌入式系統(tǒng)的市場(chǎng)巨大、潛力無(wú)限，全球的生產(chǎn)商都非?？春眠@一領(lǐng)域，紛紛投入了大量的人力物力，而圍繞嵌入式系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)正成為計(jì)算機(jī)發(fā)展最活躍的方向之一。筆者結(jié)合自身的工作經(jīng)歷，對(duì)關(guān)于嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行了概述，希望能為從事嵌入式開(kāi)發(fā)人員提供一些幫助。關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生和發(fā)展，使得現(xiàn)代科學(xué)研究得到了質(zhì)的飛躍，而嵌入式微控制器技術(shù)的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域帶來(lái)了一次新的技術(shù)革命。我們已經(jīng)進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，不僅能夠通過(guò)PC上網(wǎng)，還可以用各種各樣的嵌入式設(shè)備上網(wǎng)。后來(lái)PC時(shí)代出現(xiàn)了許多信息電器，我們周?chē)那度胧较到y(tǒng)設(shè)備有很

2、多，如掌上電腦、可視電話、傳真機(jī)、手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）、電視會(huì)議、TV機(jī)頂盒、數(shù)碼相機(jī)等，嵌入式設(shè)備如果要上網(wǎng)就必需加上TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，由于8/16位的單片機(jī)的速度還不夠快，內(nèi)存也不夠大，不容易滿足嵌入式設(shè)備上網(wǎng)的要求。隨著集成電路的發(fā)展，32位的RISC處理器更是能得到青睞，領(lǐng)先的是ARM處理器位內(nèi)核的生產(chǎn)芯片的公司居多。 1.嵌入式系統(tǒng)的一般構(gòu)成 一個(gè)以單片機(jī)為核心的比較復(fù)雜產(chǎn)品或?qū)嶋H應(yīng)用系統(tǒng)，包含模擬量的輸入、模擬量的輸出，開(kāi)關(guān)量的輸入、開(kāi)關(guān)量的輸出及數(shù)據(jù)通信的部分。從嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度來(lái)看，任何一個(gè)系統(tǒng)都是一個(gè)輸入/輸出處理系統(tǒng)。廣義地說(shuō)，所處理的物理量可分為模擬量、開(kāi)關(guān)

3、量與數(shù)字量。若能了解一個(gè)實(shí)際的對(duì)象系統(tǒng)有哪些輸入的物理量，哪些輸出的物理量以及它們之間的內(nèi)在關(guān)系，就可以設(shè)計(jì)出以單片機(jī)為核心的應(yīng)用系統(tǒng)，并通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)輸入/輸出之間的關(guān)系。 單片機(jī)工作支撐電路保障單片機(jī)能夠正常運(yùn)行，如電源提供、晶振電路、必要的濾波電路等。實(shí)際模擬信號(hào)一般來(lái)自相應(yīng)的傳感器。例如，開(kāi)發(fā)非接觸式的IC卡燃?xì)獗硐到y(tǒng),要測(cè)量使用氣量，就需要流量傳感器。但是，一般傳感器將實(shí)際的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成的電信號(hào)都比較弱，單片機(jī)無(wú)法直接獲得該信號(hào)，需要將其放大，然后經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，進(jìn)行處理。目前許多單片機(jī)內(nèi)部包含A/D轉(zhuǎn)換模塊(例如:Free Scale公司系列單片機(jī))，實(shí)際應(yīng)用時(shí)也可根據(jù)需

4、要外接A/D轉(zhuǎn)換芯片。常見(jiàn)的模擬量有溫度、濕度、壓力、重量、氣體濃度、液體濃度、流量等。對(duì)嵌入式來(lái)說(shuō)，模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換變成相應(yīng)的數(shù)字序列進(jìn)行處理。實(shí)際開(kāi)關(guān)信號(hào)一般也來(lái)自相應(yīng)的開(kāi)關(guān)類(lèi)傳感器。如光電開(kāi)關(guān)、電磁開(kāi)關(guān)、干簧管(磁開(kāi)關(guān))、聲控開(kāi)關(guān)、紅外開(kāi)關(guān)等等，一些兒童電子玩具中就有一些類(lèi)似的開(kāi)關(guān)。手動(dòng)開(kāi)關(guān)也可作為開(kāi)關(guān)信號(hào)送到嵌入式中。對(duì)單片機(jī)來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)信號(hào)就是只有“0”和“1”兩種可能值的數(shù)字信號(hào)。 2.嵌入式系統(tǒng)軟件的特征 嵌入式處理器的應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，對(duì)嵌入式處理器系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的要求也和通用計(jì)算機(jī)有所不同。 2.1軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ)為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入

5、式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)本身中,而不是存貯于磁盤(pán)等載體中。 2.2軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性盡管半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使處理器速度不斷提高、片上存儲(chǔ)器容量不斷增加，但在大多數(shù)應(yīng)用中,存儲(chǔ)空間仍然是寶貴的，還存在實(shí)時(shí)性的要求。 2.3系統(tǒng)軟件(OS)的高實(shí)時(shí)性是基本要求在多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)中，對(duì)重要性各不相同的任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧的合理調(diào)度是保證每個(gè)任務(wù)及時(shí)執(zhí)行的關(guān)鍵，單純通過(guò)提高處理器速度是無(wú)法完成和沒(méi)有效率的，這種任務(wù)調(diào)度只能由優(yōu)化編寫(xiě)的系統(tǒng)軟件來(lái)完成，因此系統(tǒng)軟件的高實(shí)時(shí)性是基本要求。 2.4嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境通用計(jì)算機(jī)具有完善的人機(jī)接口界面，在上面增加一些開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序

6、和環(huán)境即可進(jìn)行對(duì)自身的開(kāi)發(fā)。 2.5嵌入式系統(tǒng)軟件需要RTOS開(kāi)發(fā)平臺(tái)通用計(jì)算機(jī)具有完善的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序接口(API)，是計(jì)算機(jī)基本組成不可分離的一部分，應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)以及完成后的軟件都在OS平臺(tái)上面運(yùn)行，但一般不是實(shí)時(shí)的。嵌入式系統(tǒng)則不同，應(yīng)用程序可以沒(méi)有操作系統(tǒng)直接在芯片上運(yùn)行；但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和專(zhuān)家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶(hù)必須自行選配RTOS開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，并減少開(kāi)發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。 2.6嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員以應(yīng)用專(zhuān)家為主通用計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)人員一般是計(jì)算機(jī)科學(xué)或計(jì)算機(jī)工程方面的專(zhuān)業(yè)人士，而嵌入式系統(tǒng)則是要和各個(gè)不同行業(yè)的應(yīng)

7、用相結(jié)合的，要求更多的計(jì)算機(jī)以外的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，其開(kāi)發(fā)人員往往是各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的專(zhuān)家。 3.嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)與分析 隨著技術(shù)的進(jìn)步和需求的擴(kuò)大，嵌入式系統(tǒng)的規(guī)模越來(lái)越大，嵌入式軟件的復(fù)雜度和開(kāi)發(fā)難度也隨之不斷增加。目前，嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)主要有如下幾點(diǎn)： (1)嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)最大特點(diǎn)就是軟硬件緊密結(jié)合，為此，嵌入式軟件(尤其是嵌入式底層軟件)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證要充分考慮硬件因素。 (2)嵌入式軟件運(yùn)行在特定的硬件體系和環(huán)境中，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不但需要考慮各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信和同步問(wèn)題，還需要考慮整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)序問(wèn)題。 (3)嵌入式產(chǎn)品廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、軍事和航空航天等領(lǐng)域，這使得嵌入式系統(tǒng)對(duì)可靠性、防危性

8、、和容錯(cuò)性等功能有更苛刻的要求，丟失數(shù)據(jù)在許多情況下是不可容忍的。 目前，結(jié)構(gòu)化的軟件設(shè)計(jì)方法是嵌入式軟件設(shè)計(jì)領(lǐng)域中理論最成熟、使用最廣泛的方法。結(jié)構(gòu)化程序就指的是程序組成結(jié)構(gòu)化、功能模塊化、執(zhí)行流程化，要求將特定任務(wù)的代碼和數(shù)據(jù)與程序其余部分相分割，實(shí)現(xiàn)分割的方法是將處理特定任務(wù)的指令和數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)成子程序或中斷服務(wù)子程序，這些子程序或中斷服務(wù)子程序稱(chēng)作功能模塊，具有特定功能、可處理特定任務(wù)、能解決專(zhuān)門(mén)問(wèn)題。結(jié)構(gòu)化的嵌入式軟件設(shè)計(jì)流程是：按照系統(tǒng)總體規(guī)劃和總體設(shè)計(jì)，由設(shè)計(jì)人員分別編程設(shè)計(jì)各功能模塊；接著依據(jù)軟件結(jié)構(gòu)和程序流程，將功能模塊組成結(jié)構(gòu)化程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體功能，滿足系統(tǒng)要求，解決實(shí)際問(wèn)題

9、。 4.嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展前景 信息時(shí)代、數(shù)字時(shí)代使得嵌入式產(chǎn)品在人們生活要中無(wú)處不在，為嵌入式市場(chǎng)展現(xiàn)了美好的前景，同時(shí)也對(duì)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。以下幾點(diǎn)是嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展前景。 4.1連上互聯(lián)網(wǎng)隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，嵌入設(shè)備要連上互聯(lián)網(wǎng)，就必須要提供網(wǎng)絡(luò)通信接口，不僅要支持TCP/IP，有些還需要支持IEEE1394、USB、藍(lán)牙、IrDA等，同時(shí)還要提供相應(yīng)的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動(dòng)軟件。 4.2利用最低的資源實(shí)現(xiàn)最恰當(dāng)?shù)墓δ芤谛⌒碗娮釉O(shè)備裝入嵌入式系統(tǒng)，就要求設(shè)計(jì)時(shí)盡量精簡(jiǎn)系統(tǒng)內(nèi)核、算法、降低功耗和軟硬件成本。這就提高了對(duì)嵌入軟件的技術(shù)要求，要求軟件人員要有豐富的編程經(jīng)驗(yàn)和硬件知識(shí)，同時(shí)還要發(fā)展先進(jìn)的嵌入式軟件技術(shù)，如Web，WAP等。 4.3嵌入式開(kāi)發(fā)需要強(qiáng)大的硬件開(kāi)發(fā)工具和軟件包支持目前很多廠家在著力推出系統(tǒng)的同時(shí)，也開(kāi)始將開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)的環(huán)境作為重點(diǎn)推出。如Windows CE在主推系統(tǒng)時(shí)也推出了Embedded VC+作為開(kāi)發(fā)工具。 4.4提供友好的人機(jī)交互界面嵌入式設(shè)備在人們的生活中無(wú)處不在，要讓人們覺(jué)得嵌入式設(shè)備好用，那么提供有好的人機(jī)交互界面這是必然。人們的需求是無(wú)止境的，嵌入式設(shè)備要不斷的滿足人們的需要，就要不斷的發(fā)展，提供