嵌入式軟件設計課程研究與探索

摘要：對于處于高速發展時期的嵌入式技術及物聯網技術時代，嵌入式軟件方向課程的教學也在各大院校中開展起來。介紹了嵌入式軟件設計概念、體系結構及發展方向。設置了嵌入式軟件設計課程內容，包括嵌入式驅動程序設計、ARM體系結構與編程及嵌入式Linux設計三部分內容，對培養適應社會需求的嵌入式技術人才有著重要意義。

關鍵詞：嵌入式軟件；體系結構；課程研究

作者簡介：王小妮（1977-），女，山東威海人，北京信息科技大學理學院，講師。（北京 100192）

基金項目：本文系北京信息科技大學“嵌入式系統及應用”課程建設項目的研究成果。

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）08-0104-02

中國擁有世界最大的嵌入式技術市場，在手持儀器設備、信息家電、城市建設、工業控制、軍事應用等領域，嵌入式技術無處不在。[1]數字化、智能化、網絡化的趨勢將使傳統設備逐漸轉變為嵌入式設備，因此嵌入式軟件對改造和提升傳統產業有重大作用。我國嵌入式軟件應用規模為世界第三，在中國軟件前10家企業中，嵌入式軟件產品生產企業占了6家。企業對嵌入式人才需求，如軟硬件設計人才、應用開發人才、綜合性人才的需求也逐年增加，企業同時增加了大量嵌入式軟件方面培訓項目，員工工資待遇逐漸上升。華為、中興的成功可以提供一種模式，就是發展嵌入式軟件，將傳統的純硬件制造業提升為軟硬件一體化的嵌入式設備制造業，這樣就可以使IT制造業有較高的增加值，更強的競爭力。據有關數據表明，2006年與嵌入式軟件對應的設備市場全球出貨量達到14億臺，2009年達到22億臺。與之相對應的是，2006年中國嵌入式軟件的市場價值是220億元，到2010年達到550億元。移動嵌入式產品將是未來消費電子類產品增長最快的領域之一。嵌入式技術發展趨勢要求從8位單片機應用向16位、32位的嵌入式微處理器轉變，并實時操作系統管理軟硬件，而嵌入式操作系統則是驅動硬件系統的靈魂。因此，通過嵌入式軟件增加產品的附加值無疑是最好的選擇，嵌入式軟件對改造和提升傳統產業有著重大作用。中國工程院院士倪光南強調，我國IT行業應大力發展嵌入式軟件，提升我國IT產業的核心競爭力。

對于處于高速發展時期的嵌入式技術及物聯網技術時代，嵌入式軟件方向課程的教學也在各大院校中開展起來。要培養適應社會需求的嵌入式技術人才，在設置嵌入式軟件方向課程時，要結合市場需求，制訂相應的嵌入式軟件設計這門課程內容。

一、嵌入式軟件概述

嵌入式軟件實現嵌入式計算機系統功能的軟件。嵌入式軟件總體上可以劃分為：嵌入式系統軟件和嵌入式應用軟件。嵌入式系統軟件涉及操作系統的移植、裁減、驅動程序開發，和入式應用軟件涉及視頻圖像、語音、網絡等。從運行平臺來分，嵌入式軟件可以分為運行在開發平臺上的軟件和運行在嵌入式系統上的軟件。運行在開發平臺上的軟件包括設計、開發、測試工具等。運行在嵌入式系統上的軟件包括嵌入式操作系統、應用程序、驅動程序及部分開發工具。[2]從使用工具角度來分，嵌入式軟件可以分為系統軟件、支撐軟件和應用軟件，如圖1所示。

其中：系統軟件：控制、管理計算機系統的資源；支撐軟件：輔助軟件開發的工具；應用軟件：面向應用領域。嵌入式軟件系統的體系結構如圖2所示：

驅動程序層：是直接與硬件打交道的一層，它對操作系統和應用提供所需的驅動支持。操作系統層：是提高計算機利用率的程序代碼，能協調管理計算機軟件和硬件資源。匯編語言層：操作系統引導程序對硬件設備進行訪問的代碼要用匯編語言完成。匯編語言可用于系統的低層軟件、加密解密軟件、分析和防治計算機病毒等。高級語言層：用C/C++或JAVA語言進行編程實現應用功能，也可以直接使用中間件軟件程實現應用功能。應用層：由多個任務組成，每個應用任務完成特定的工作，如I/O任務、計算的任務、通信任務等，由操作系統調度各個任務的運行。[3]

二、嵌入式軟件設計課程研究

嵌入式軟件設計這門課程可以設計為80課時，其中20課時講解嵌入式驅動程序設計，20課時講解ARM體系結構與編程，40課時講解嵌入式Linux設計。

1.嵌入式驅動程序設計

設備驅動程序是介于硬件和OS內核之間的軟件接口，是一種低級的、專用于某一硬件的軟件組件。

（1）串行口驅動設計：要熟悉串口通訊原理（包括設置字符的格式、波特率、校驗位），查閱ARM串口寄存器文檔（包括控制、狀態和數據寄存器），查閱電平轉換芯片資料（max3232），設計串口硬件電路圖，完成串口驅動程序的設計（包括串口寄存器初始化，發送接收函數等）。

（2）鍵盤驅動設計：學習鍵盤驅動原理（確定是否有鍵按下；確定是哪一個鍵或哪幾個鍵被按下；確定被按鍵的輸入代碼；消除按鍵抖動干擾等），掌握通過CPU的I/O擴展鍵盤的方法，設計鍵盤接口電路圖，實現4×4的鍵盤，編程實現鍵盤的驅動。

（3）A/D接口驅動程序設計：學習ARM 本身自帶的A/D 控制器及相應寄存器；掌握A/D轉換的基本原理（包括采樣、保持、量化和編碼）；熟悉A/D轉換器的類型（包括逐位比較型、積分型、計數型、并行比較型、電壓-頻率型等類型）；編程實現ARM 系統的A/D 功能。

（4）LCD顯示屏驅動設計：了解LCD 基本概念與原理；學習LCD驅動器相關的寄存器；理解LCD 的驅動控制；熟悉用ARM 內置的LCD 控制器驅動LCD；完成LCD驅動程序的設計（包括LCD寄存器初始化、字符顯示刷新、格式化字符輸出、圖形刷新顯示、清屏等函數）。

（5）觸摸屏驅動設計：了解觸摸屏基本概念與工作原理（包括表面聲波屏、電容屏、紅外屏和電阻屏）；學習觸摸屏相關的寄存器；分析ADS7843工作時序；理解觸摸屏與LCD 的密切配合；編程實現對觸摸屏的控制。

2.ARM體系結構與匯編語言編程

70%以上的系統軟件是用匯編語言編寫的。某些快速處理、位處理、訪問硬件設備等高效程序是用匯編語言編寫的。某些高級繪圖程序、視頻游戲程序是用匯編語言編寫的。在嵌入式領域中，以ARM為架構設計芯片的占據整個芯片市場的80%以上。因此學習ARM體系結構與匯編語言編程尤其重要。

了解ARM公司情況以及基于ARM技術的嵌入式系統的應用情況，掌握ARM處理器的種類及其主要特點。掌握ARM編程模式的基本知識，包括ARM處理器模式、寄存器及其使用方式，掌握ARM體系中存儲訪問的基本知識。了解ARM處理器的體系結構、指令系統及開發工具的使用，掌握開發基于ARM的應用系統的各方面的知識。其中包括ARM體系介紹、ARM匯編語言程序設計、ARM C/C++語言程序設計、ARM集成開發環境的介紹。掌握ARM指令集和Thumb指令集的應用領域，掌握各指令的編碼格式、語法格式、執行的操作以及應用方法。掌握ARM匯編語言程序設計的基本方法以及ARM匯編器的使用方法。掌握匯編語言格式和程序格式。掌握ARM體系存儲系統的基本概念，掌握存儲管理單元MMU、寫緩沖以及Cache，了解有關存儲系統的程序設計。理解ARM匯編程序以及C/C++程序之間互相調用的技術，了解C編譯器中內嵌的匯編器的使用方法。了解嵌入式應用程序設計的基本知識，通過示例具體掌握嵌入式應用程序的設計方法。掌握ARM開發工具編譯、連接程序的方法。并在此基礎之上介紹一些典型的基于ARM體系的嵌入式應用系統設計時的基本技術。

3.嵌入式Linux設計

（1）熟悉Linux引導程序bootloader：初始化硬件設備，建立內存空間的映射圖。將操作系統內核映像從Flash內拷貝到RAM中，然后跳轉到內核的入口點去運行，即啟動操作系統。

（2）分析內核源碼：包括初始化Cache、Mmu等設置；內核解壓函數；非壓縮內核啟動匯編段；Linux內核移植NANDFLASH、

LCD、網卡、YAFFS FLASH的方法。

（3）文件系統建立：掌握 Flash的特性，建立在Flash上的文件系統（包括EXT2、Jffs2、yaffs、CRAMFS、proc）。

（4）設計圖形界面：掌握QT開發工具及QT編程核心技術、QT程序設計方法。

三、嵌入式軟件發展方向

嵌入式軟件有廣闊的創新空間：面向各種應用，硬件、軟件平臺多樣化，不易被壟斷；新需求不斷發展，新技術層出不窮；投入不大，容易起步；中國巨大的制造業是最好的市場。

嵌入式Linux未來的前景看好，但是人才的缺乏已經成為當前制約嵌入式Linux發展的瓶頸。一方面，因為嵌入式人才領域門檻較高，從事嵌入式軟件開發的工作人員不僅要熟練掌握c/c++、匯編語言等基礎，而且對Linux底層驅動內核，甚至是硬件都要了然于心。另一方面，因為這一領域較新，目前發展太快，很多軟硬件技術出現時間不長或正在如雨后春筍般地涌現（如ARM11處理器、嵌入式Linux操作系統、MPEG技術、無線通信協議、移動USB3.0高速傳輸等），目前國內乃至國際上能夠掌握這些新技術的人才相當匱乏。

近幾年包括未來幾年，市場對嵌入式Linux人才的需求旺盛，而目前熟練的Linux應用人才只有幾千名，這意味著各大跨國公司及國內消費類電子巨頭企業都面臨著人才嚴重短缺的挑戰。嵌入式Linux的從業者薪酬比其他IT業同行大約高出50%，初入門的開發人員平均月薪一般都能達到8000元，有三年以上經驗的人員年薪都在15萬元以上，有10年工作經驗的高級嵌入式軟件工程師年薪在40萬元左右。

四、總結

自主創新，發展嵌入式系統是提升中國信息產業競爭力的重要途徑。中國必須掌握嵌入式系統的核心技術，包括芯片和軟件，從中國制造發展到中國創造，成為一個信息強國。

參考文獻：

[1]張玢，孟開元，田澤.嵌入式系統定義探討[J].單片機與嵌入式系統應用，2011，（1）.

[2]王小妮.基于嵌入式系列課程的教學改革與探索[J].教育理論與教學研究，2013，（5）.

[3]何立民.嵌入式系統支柱學科的交叉與融合[J].單片機與嵌入式系統應用，2008，（5）.

（責任編輯：王意琴）