浅谈嵌入式系统的应用

郎薇薇

摘 要：本文从嵌入式系统的概念出发，谈到嵌入系统的实际应用的广泛性。从而更深入的阐述嵌入式系统的设计原则和其软件特点。

关键词：嵌入式系统；双师型

1 嵌入式系统及其应用概述

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件可编程，硬件可剪裁、重构的专用计算机系统。该系统通常嵌入在对象环境中，并通过其在对象环境下运行的特定程序，完成对外界物理参数地采集、处理，达到对控制对象地响应或人机交互的功能[1]。

目前，嵌入式系统的发展方向主要是解决接口多样性、适应性、灵活性和集成开发环境等的特定应用问题。嵌入式系统应用的底层性与对象系统的紧耦合性是其显着的基本特征。所以，最大限度的满足对象数据采集、控制、开发环境、功耗，以及适应能力、可靠性等品质因数是选择嵌入式系统的标准。

为适应技术发展需求，嵌入系统在不断追求结构紧凑、坚固可靠、技术密集、高度分散的同时，尤以不断创新为嵌入式系统的发展核心。使嵌入系统凸现了高技术门槛，主要表现在软硬件设计的紧密相关性上，特别是构建RTOS系统需透彻了解RTOS的工作机制和系统资源配制，掌握底层软件、系统软件和应用软件的设计、调试方法[2]。

随着对嵌入式系统的智能化愈加关注，现场可编程、调试、引脚配置变得非常重要和必不可少。所以，用户可配置的SCO（在片系统）已成为现阶段嵌入式系统的核心发展技术。通过现场可编程阵列把接口应用设计和系统开发留给系统设计者，提供灵活、多样的片上电路设计平台，使电路板设计变成在片的芯片配置，将嵌入系统地设计带入了软硬件的双编程时期，进一步缩短了产品开发周期。而下一代的在片系统还将发展成一个MUC数量可缩放的集合体。

在嵌入式应用系统中，虽然高端产品不断涌现，但由于应用对象、环境的不同特点，嵌入系统的8位机产品仍因应用对象的有限响应时间、完备的集成开发环境、良好的性价比等优势仍然占据着低端应用系统的主流地位。Cygnel公司的C8051F系列产品就充分印证了这点。

回顾嵌入式系统的发展历程，已经历了由模拟向数字的演进过程，现又逐步演变为数模并存情形。由最初软件编程主宰的微处理器（嵌入式微处理器、数字信号处理器、单片机），到硬编程主宰的专用集成电路时代，再到今天的现场可编配置时代。嵌入式系统的核心技术正沿着“许氏循环”的浪潮不断前行。而配套的软件设计平台也随着科技进步在不断得到完善。可以预期，软硬双可编程的嵌入式系统时代必会带来更加便捷的开发环境和技术支持。

2 嵌入系统的设计原则

嵌入系统设计具有很强的针对性，软硬件协同设计是系统设计的关键。需解决好软硬件的同步与集成设计问题，要结合具体应用进行综合考虑，保证设计工作的一致性与正确性。在针对具体应用系统的功能目标分析基础上，分解整个系统的各项功能指标和技术要求，结合系统的实时响应要求、接口功能定义与标准、嵌入芯片的处理能力、编程语言、开发环境、产品的升级与维护问题、开发投入能力、产品综合成本等多方面因素进行权衡考虑。

2.1 在明确系统性能需求的基础上，细化以下考虑因素

1）系统功能实现手段的软硬件分配。

2）器（部）件选择和系统构建。包括微处理器芯片、外围接口电路、各种驱动电路形式、器部件类型、前后向通道处理方式、人机界面和手段等。

3）控制算法设计以及软件系统的架构形式。

4）语言选择。依据设计者熟练程度和习惯、开发环境和控制功能要求选取。

5）抗干扰问题的解决与设计。包括软件的和硬件的、常规的和特定的。

6）实现工艺和方式。包括印制板设计、走线安装、装配工艺、新材料或新技术的应用等。

在各实施阶段，对项目进度、关键技术的风险因素必须进行审查评估，评价软一硬件的功能设计与分配，以及实现的技术性能、工作量和时间进度。明确电路之间的接口参数、软一硬件功能衔接，以及项目中存在的问题和缺陷，及时发现关键部位或矛盾突出点的瓶颈问题，将隐患排除在早期设计阶段[3]。

2.2 嵌入系统中微处理器选择应考虑

1）MCU的算术、逻辑处理能力；运算速度和时钟频率；总线控制功能、中断方式和仲裁机制；RAM和FLASHROM容量；软件加密保护。

2）外围接口功能的可重构配置能力；数据通讯模式；前后向通道类型；端口电压的适应能力等；

3）开发工具的在线调试或仿真能力；FLASH代码读写环境；编程语言的支持程度；代码的可移植性等。

4）电源电压；功耗等。

3 嵌入系统的软件特点

嵌入式系统是可利用资源有限、专用性很强、实时性要求也很高的应用控制系统。故在软件设计方法和实现手段上，嵌入系统软件同PC机软件存在很大差异，主要表现在：

3.1 实时性的控制方法

PC软件提升速率方法，极大依赖处理器性能提升，还体现在缓存方案、动态分配等技术手段上。但在嵌入式系统中应用这些技术就存在硬件资源不足、工作频率低的现实问题，会降低系统的可靠性。

3.2 特定的异构特征

嵌入式控制软件设计既要考虑特定的硬件固有部分，也要考虑来自系统之外的各种通讯、传感器的专用信号处理接口，以及不同控制目标的实时期望和执行机构的异步并发事件处理能力。因此不同的硬件系统或控制目标，将会产生不同的系统构建方案。

3.3 系统的性能目标

编写嵌入式软件必须着重考慮与硬件系统相匹配的功耗、不间断运行、故障恢复、高可靠性等方面的约束条件，实现特定应用环境下的控制功能、实时性响应的目标要求。因此，嵌入系统要在借鉴通用软件技术，遵循软件工程理论，规范软件开发过程的同时。还应根据嵌入式系统特点研究开发技术和算法结构，提高开发效率，确保系统软件的质量和可靠性，以及软件的复用性、可移植性和易维护性。纵观嵌入式软件设计方法的发展历程，走过了从结构化设计、面向对象设计、基于构件的设计阶段，经历了单任务到多任务的系统转变。

4 结语

随着嵌入式系统的不断发展，数字时代的到来，嵌入式系统及其产品获得了巨大的发展力量。嵌入式系统的软硬件成本更低，更加协调，算法更加精简，系统功耗更加低，人机界面更加友好，功能更加强大，应用也越来越广泛。

参考文献

[1]方尔正，王燕.嵌入式技术及其应用[M].哈尔滨工业大学出版社，2008.

[2]王志英，李宗伯.嵌入式系统原理与设计[M].高等教育出版社，2007.

[3]慕春棣.嵌入式系统设计[M].清华大学出版社，2012.