一種基于嵌入式架構(gòu)的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王禮平

摘 要：?jiǎn)纹瑱C(jī)隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而出現(xiàn)的，它是計(jì)算機(jī)的一種，在體量上來(lái)講，最多就算作一種微型。它的出現(xiàn)也是一種革命，尤其是在工業(yè)控制領(lǐng)域中，取得了廣泛的應(yīng)用。摒棄了傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用中的一些弊端，在傳統(tǒng)的操作過(guò)程中，計(jì)算機(jī)的體積受到很大的制約，體積大無(wú)法跟生產(chǎn)線相匹配，造成了很多資源的浪費(fèi)。隨著計(jì)算機(jī)的飛越發(fā)展，它的功能越來(lái)越強(qiáng)大，將其系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，會(huì)帶來(lái)很多益處，無(wú)形中提高了生產(chǎn)的效率。本文對(duì)單片機(jī)和嵌入式操作系進(jìn)行了簡(jiǎn)單的闡述，讓人們有清晰的認(rèn)識(shí)，并從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行闡述，在此基礎(chǔ)上對(duì)基于嵌入式架構(gòu)的單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，以找到推動(dòng)該技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力源。

關(guān)鍵詞：嵌入式架構(gòu)；單片機(jī)；系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

一、單片機(jī)和嵌入式操作系統(tǒng)的定義

單片機(jī)是在嵌入式系統(tǒng)程序應(yīng)用的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，它就是其該系統(tǒng)的主控單元。其大部分軟件的應(yīng)用性都非常的廣泛，不是憑空制造出來(lái)了，都有很強(qiáng)的目的性，由此可見(jiàn)，它的專(zhuān)屬性非常的強(qiáng)，針對(duì)專(zhuān)門(mén)的功能設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的程序，這些專(zhuān)門(mén)的程序往往是一個(gè)微觀實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)程序的功能非常的強(qiáng)大，具有第一時(shí)間處理和監(jiān)控信息的功能能力，并且對(duì)突發(fā)事件第一時(shí)間作出響應(yīng)，并且有針對(duì)性的提出解決方案。

嵌入式操作系統(tǒng)的功能非常的強(qiáng)大，相當(dāng)于人的大腦中樞神經(jīng)。它具有控制和調(diào)度任務(wù)的功能，且能儲(chǔ)存大量的信息，并能做到相應(yīng)的信息同步的功能，靈魂作用非常的強(qiáng)大。在與其他程序做對(duì)比時(shí)，它把其他的程序的一些無(wú)關(guān)緊要的功能都剔除了，做到了簡(jiǎn)單，但是功能非常的強(qiáng)大，只有一個(gè)微內(nèi)核。外加上該程序的嵌入性和專(zhuān)用性等特點(diǎn)，使得應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)處于同一個(gè)空間，使得操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序融為一體。這個(gè)時(shí)候存儲(chǔ)管理模塊非常的簡(jiǎn)單。就成了人們熟知的微內(nèi)核。

二、基于嵌入式架構(gòu)的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

（一）擬定總體設(shè)計(jì)方案。單片機(jī)的設(shè)計(jì)人員非常的關(guān)鍵，在接到項(xiàng)目任務(wù)時(shí)，首先要進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估，根據(jù)自身的特點(diǎn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案，并對(duì)整體方案進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，總體設(shè)計(jì)不能孤立的進(jìn)行設(shè)計(jì)，要綜合考慮各方面的要素，并能達(dá)到要實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)。在實(shí)現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)要考慮多種因素，如環(huán)境、功能、要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)等，制定一個(gè)高性價(jià)比的設(shè)計(jì)方案，該方案對(duì)今后的工作有一定的指導(dǎo)作用。

（1）確定技術(shù)指標(biāo)，編制設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是一個(gè)非常耗費(fèi)精力的過(guò)程，首先要把根據(jù)整體的設(shè)計(jì)方案確定系統(tǒng)的功能和技術(shù)指標(biāo)。要進(jìn)行周密的分析，尋找到問(wèn)題的癥結(jié)點(diǎn)，把任務(wù)進(jìn)一步明確下來(lái)，具有非常明確地可操作性，還要考慮到系統(tǒng)的各種性能，確定合理可行的技術(shù)指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，編制出完整的、可行性非常強(qiáng)的設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，對(duì)今后的工作進(jìn)行相應(yīng)的指導(dǎo)。（2）建立數(shù)學(xué)模型。在編制任務(wù)書(shū)后，后面還有很多的后續(xù)工作，而且是非常繁瑣的。設(shè)計(jì)者要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)測(cè)控對(duì)象進(jìn)行分析，把它的物理過(guò)程進(jìn)行剖析，明確計(jì)算任務(wù)，并且將兩者有效的結(jié)合并進(jìn)行全面分析，把面臨的一些實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)單化，抽象的問(wèn)題具體化。根據(jù)上述的系統(tǒng)的總體方案作出合理的假設(shè)，建立模型，把模型里面的變量和參數(shù)確定下來(lái)，并通過(guò)數(shù)學(xué)的一些公式把模型建立起來(lái)。這整個(gè)建模的過(guò)程就是對(duì)真實(shí)性的模擬，并是對(duì)該項(xiàng)目測(cè)控的過(guò)程，當(dāng)然這整個(gè)過(guò)程要求模型盡量做到簡(jiǎn)單，不宜太復(fù)雜，這樣單片機(jī)才能發(fā)揮重大的作用。（3）選擇合適的機(jī)型。根據(jù)上述確定的總體方案，再加上建立的數(shù)學(xué)模型，要把綜合的因素都考慮進(jìn)去，這些綜合的因素包括系統(tǒng)的目標(biāo)、可靠性、精度、速度和價(jià)格等，當(dāng)把這些因素放到一起進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)適合本系統(tǒng)的單片機(jī)并不是很多，找到最合適的一款單片機(jī)，讓其發(fā)揮更大的作用。（4）劃分硬件和軟件功能。在整個(gè)系統(tǒng)里面，軟件與硬件發(fā)揮著重要的作用，在功能劃分的過(guò)程中一定要把硬件和軟件一并考慮進(jìn)來(lái)，不能單一的考慮。在單片機(jī)這個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中，要從軟硬件兩個(gè)方面來(lái)考慮，既要考慮到硬件的兼容性，又要考慮軟件的系統(tǒng)性，最終在功能上實(shí)現(xiàn)了兩者的相互替代。在功能上也實(shí)現(xiàn)了貫通，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要通盤(pán)考慮，權(quán)衡利弊，最終把硬件與軟件的功能清晰劃分出來(lái)。

（二）硬件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)包含系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)的配置。系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤(pán)、顯示器、打印機(jī)、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等，并設(shè)計(jì)合適的接口電路；系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的資源不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須進(jìn)行外部擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒O(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。在進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中，要盡量多參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)電路，多看一些經(jīng)典的電路設(shè)計(jì)，這對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有好處。現(xiàn)在應(yīng)用電路系統(tǒng)功能越來(lái)越強(qiáng)大，由于單片機(jī)I/O口的驅(qū)動(dòng)能力是有限的，所以系統(tǒng)功耗要盡可能低，必要時(shí)應(yīng)考慮增加總線驅(qū)動(dòng)電路以降低系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。系統(tǒng)的擴(kuò)展性也是硬件設(shè)計(jì)中很重要的一個(gè)方面，系統(tǒng)硬件不僅要能夠滿足當(dāng)前的需要，也要為以后的升級(jí)擴(kuò)展留有余地。

（三）軟件設(shè)計(jì)。軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，它包括上述提到的擬定程序總體方案，繪制程序流程圖，根據(jù)流程圖編寫(xiě)程序等程序，還包括下文提到的調(diào)試程序等。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)扮演著重要的角色，所以在軟件設(shè)計(jì)上要求也是不一樣的，在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)軟件過(guò)程中，采用模塊化來(lái)代替相應(yīng)的程序。在上述提到的一些程序總體設(shè)計(jì)上來(lái)講，要考慮到設(shè)計(jì)的程序出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的可操作性，制定切合實(shí)際的程序設(shè)計(jì)方法。在設(shè)計(jì)出來(lái)程序總體方案后，在總體方案的指導(dǎo)下，按照一些原則將整個(gè)系統(tǒng)軟件劃分不同的模塊，彼此之間要保證相互獨(dú)立，小大適當(dāng)，還要根據(jù)實(shí)際情況明確數(shù)學(xué)模型和算法，繪制出來(lái)具有指導(dǎo)作用的總流程圖和各模塊的流程圖。

（四）系統(tǒng)調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)。系統(tǒng)調(diào)試在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程發(fā)揮著重要的作用，它包括兩種調(diào)試方式，一種是硬件調(diào)試，另一種是軟件調(diào)試。系統(tǒng)調(diào)試的目的就是查漏補(bǔ)缺，找到存在的不和諧因素，在第一時(shí)間進(jìn)行修復(fù)。保證不影響系統(tǒng)的正常的運(yùn)行。但是兩種調(diào)試方式的側(cè)重點(diǎn)不一樣，硬件調(diào)試主要側(cè)重于硬件，排除電路故障，軟件調(diào)試側(cè)重于在線仿真調(diào)試，排除是否存在編程有錯(cuò)誤，對(duì)硬件是否存在問(wèn)題也有一定的鑒別作用。根據(jù)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，第一時(shí)間拿出調(diào)試的方法，明確調(diào)試的環(huán)節(jié)，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試。

三、結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在一定程度上突破了以前的弊端，它以計(jì)算機(jī)為核心，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)構(gòu)造嵌入式架構(gòu)，這種架構(gòu)在很大程度上取決于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展更新?lián)Q代。剛開(kāi)始出現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的時(shí)候，由于人們對(duì)其研究的不透徹，性能開(kāi)發(fā)較差，甚至還不如今天的電子計(jì)算器，應(yīng)用少之又少，只是在科研的領(lǐng)域有所應(yīng)用。但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷的開(kāi)發(fā)，計(jì)算機(jī)的普及性越來(lái)越高，在這種大背景下，計(jì)算機(jī)的技術(shù)又有了新的突破。而且計(jì)算機(jī)技術(shù)越來(lái)越多的解決實(shí)際問(wèn)題，無(wú)形中提高了工業(yè)等領(lǐng)域的控制效率。相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)程序進(jìn)行了完善，嵌入式架構(gòu)和單片機(jī)順應(yīng)時(shí)代的潮流應(yīng)運(yùn)而生，解決了很多的實(shí)際問(wèn)題。但是單片機(jī)在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中也存在很多問(wèn)題，如果有效的采用嵌入式架構(gòu)技術(shù)，這樣就能解決大部分存在的問(wèn)題，讓單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)揮更大的作用。？

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