基于單片機的嵌入式系統開發及實踐要點研究論述

張志

摘要：嵌入式系統是以計算機技術為核心設計的一種專用系統，可以實現可編程控制系統的遠程傳輸以及檢測等功能。分析嵌入式系統的設計思路，研究在系統開發的過程中如何讓軟件編碼有效實現其功能，希望可以有效提高單片機的運行性能。

關鍵詞： 單片機；嵌入式系統；操作系統；微內核結構

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）01-0258-02

單片機的嵌入式系統可以實現單片機的遠程調度、遠程控制、通信信息同步以及資源儲存管理等等，嵌入式系統是以計算機技術為核心的專用系統，在開發過程中需要以計算機操作系統作為平臺。近幾年隨著我國科學技術的發展，嵌入式系統的應用越來越廣泛，但是單片機的嵌入式系統目前還沒有完整的開發方法。通過對嵌入式系統的設計思路進行分析，研究基于單片機的嵌入式系統開發及實踐要點，希望可以使單片機的操作運行實現集成化發展。

1 嵌入式系統簡介及其發展狀況

嵌入式系統是以計算機技術為核心的專用系統，主要由嵌入式處理器、外圍硬件設備和操作系統共同組成，可以實現對設備的控制、操作和管理。嵌入式系統的核心主要是嵌入式處理器，可以將外圍功能全部集成在一塊芯片上，實現了系統的集成操作。嵌入式系統需要根據設備的運行環境來定制，有效地提高了設備運行效率。隨著互聯網技術的發展，嵌入式系統必須要實現網絡互聯，在系統上安裝各種網絡接口，實現嵌入式系統的網絡發展。

我國嵌入式系統的開發仍然處于初級階段，在嵌入式系統微內核、集成軟件方面都存在很多問題，另外嵌入式系統的體積比較小，所以存儲容量不是特別大，在開發過程中需要對其存儲功能方面進行改進，以便滿足復雜化的應用需求。基于單片機的嵌入式系統開發，可以提高我國PLC使用性能，使PLC的使用可以滿足更多功能需求。

2 基于單片機的嵌入式系統開發設計

嵌入式系統的設計需要以計算機技術為基礎，利用CAD軟件和PCB軟件對系統進行設計，在設計過程中，要根據嵌入式系統需要實現的功能，將功能進行細致區分，劃分成不同的模塊，對各個模塊來分配具體的功能。嵌入式系統的設計就是根據實際使用過程中的性能參數需求，對相關的元件進行組合劃分，以便達到最佳的使用效果，所以不同設備應用的嵌入式系統在功能上都是不同的。在設計過程中需要將系統內的資源進行調配，并編制具體的應用編碼，使系統實現相應的功能。

基于單片機的嵌入式系統在進行設計時，要使嵌入式系統具有實時控制和信息處理能力，所以需要將數據存儲器和網絡接口等全部集成在一塊芯片上，實現單片機的遠程控制、信息同步、資源存儲等功能。

基于單片機的嵌入式系統在設計過程中，可以將應用與驅動的接口設置為統一的接口，使嵌入式系統的應用軟件實現標準化設計，也方便了在多個單片機之間重復使用。在對驅動程序和硬件組成進行設計時，可以利用EDA工具進行模擬調試開發，將設計程序在EDA工具上進行模擬運行，保證了嵌入式系統程序設計的合理性，縮短了系統開發時間。

在單片機嵌入式系統軟件開發的過程中，可以先將程序的運行流程和運行邏輯進行測試，分析嵌入式系統運行的狀態，以及各類訪問周期信息。這些信息的測試可以使系統的調試階段更加順利。利用EDA工具對單片機嵌入式系統進行開發，降低了開發人員的工作難度，在計算機軟件開發完成后，直接將軟件移植到嵌入式系統中，基于單片機的嵌入式系統即為開發完成。

3 基于單片機的嵌入式系統微內核

3.1 嵌入式系統的微內核結構

嵌入式系統的微內核結構主要由兩個部分組成，分別是資源管理調度系統和硬件映射系統。資源管理調度系統可以對單片機的控制程序進行存儲，并實現單片機與計算機的通信功能。硬映射系統可以將單片機的硬件結構映射在操作平臺上，實現單片機的系統功能。微內核結構降低了單片機整體的運行負擔，并提高了內核的集成性能，使單片機嵌入系統的移植性能和擴展性能都得到了極大程度的提高。單片機嵌入式系統的微內核一般沒有shell以及圖形用戶接口，所以嵌入式微內核的部分功能是可以去掉的；嵌入式系統微內核的操作系統和應用程序不是特別明確，也可以說操作系統也屬于應用程序中的一部分；嵌入式系統微內核的內存容量比較小，存儲模塊非常簡單，一般都是使用實際的物理地址，所以結構比較簡單。嵌入式微內核的任務劃分不是特別詳細，很多操作人員都具有可預見性。

3.2 微內核結構對單片機系統整體性能的影響

微內核結構雖然提高了單片機嵌入系統的移植性和擴展性，但是隨著單片機系統越來越復雜， 使微內核的體積不斷增加，影響了單片機的整體性能，降低了嵌入式系統在單片機中的通用性。使用者在使用單片機的過程中是利用遠程設備來進行操作，在操作過程中，微內核全程參與，對大量數據進行頻發拷貝，增加了單片機運行系統的負擔，同時嵌入式微內核受到傳統操作內核的限制，會對單片機的操作系統帶來不利影響，所以需要對嵌入式微內核的性能進行改進，以便提高單片機的運行效率。

單片機在運行過程中，嵌入式微內核是基于時鐘對內部模塊進行控制，當單片機運行時，可以自動提取微內核內的運行程序，同時也可以自行書寫，提高了嵌入式系統的擴展性能， 使嵌入式微內核的通用性得到了極大的提高。微內核結構中各個系統服務全部由內核進行控制，主要利用消息機制進行通信，所以微內核核心性能的優劣主要取決于系統通信開銷的大小，為了保證微內核結構的能效，需要對單片機的系統程序庫進行優化，保證嵌入式的應用程序可以直接對庫內程序進行使用，這種結構有效地提高了單片機嵌入式系統的可擴展性和可裁剪性，使微內核的使用靈活性大大提高。

4 基于單片機嵌入式系統編碼程序的實現

在單片機嵌入式系統編碼程序的開發過程中，需要對單片機的使用環境進行分析，確定單片機具體的使用需求，再針對相應的功能需求進行程序設計。程序設計需要經過結構設計、程序編寫、編碼功能實現、集成檢測等幾個步驟，嵌入式系統編碼程序的開發與普通的軟件開發沒有太大差異，但是嵌入式系統編碼程序的開發屬于跨平臺的編碼開發，編碼程序需要直接對設備進行操控，所以對于程序準確性要求比較高，對整個編碼過程的時序要求也異常精準。很多單片機的運行不能對運行過程進行重現，所以編碼程序的開發要求特別高，為了保證程序開發的有效性，需要在程序不同的設計階段使用不同的工具包。對單片機初期運行階段的程序進行設計時，可以利用電路模擬器，分析單片機程序輸入端和輸出端，避免單片機電路運行不穩定造成程序編寫的混亂，同時開發人員也能清晰的觀測到整個設備的運行過程，避免程序編寫需要從最底層進行預設計。

目前我國單片機的嵌入式系統開發越來越成熟，開發環境逐漸完善，使嵌入式系統的功能也更加全面。在對嵌入式系統進行開發時，可以利用程序編輯器、連接設備、編碼運行模擬器、調試儀器進行嵌入式系統的虛擬開發。開發人員可以忽略掉單片機的使用環境，直接進行嵌入式系統軟件的開發。硬件的開發可以單獨進行，嵌入式系統硬件開發完成后，利用網絡串口將軟件模型直接傳輸到硬件系統中即可，節省了硬件開發完成后的調試時間，優化了單片機嵌入式系統的開發環境，使單片機嵌入式系統編碼程序能夠更好的實現。

基于單片機的嵌入式系統在實踐過程中要采用相應的抗干擾措施，避免對嵌入式系統的硬件和軟件造成干擾。在硬件抗干擾方面可以利用光電耦合器來進行控制電路的切斷，實現電磁隔離功能，降低電磁對嵌入式系統硬件的影響，也可以將金屬箱體對嵌入式系統進行隔離，消除外界的電磁干擾。利用指令冗余技術也可以對嵌入式系統的軟件操作進行調節，避免嵌入式程序出現跑飛現象，影響嵌入式系統軟件程序的正常運行。

5 基于單片機的嵌入式系統功能測試和網絡擴展

5.1 梯形圖指令測試

單片機主要應用于工業自動控制裝置上，所以單片機的主要使用人員為電氣技術人員，在對單片機嵌入式系統功能進行測試時，可以利用梯形圖語言以及相關的邏輯功能圖和邏輯方程進行測試。例如在對工業運料小車進行控制時，運料小車在A點進行裝料，運送到B點，至B點之后小車繼續返回到A點，小車在運行過程中可以自動和手動的進行控制（如圖1所示）。

圖1 運料小車往返行進示意圖

在小車行進過程中，為了滿足相關的自動和手動控制，需要對小車進行I/O指令分配，該套行進流程內需要設置2個啟動按鈕和行程開關，并設置1個總啟停按鈕，對運料小車的

往返運行進行實時控制，小車的運行一共需要設置9個I/O控制點，如圖2所示為I/O控制點的實際接線圖。

圖2 小車往返運行I/O控制點實際接線圖

按照此接線圖來實行小車的往返運行控制可以保證小車的運行邏輯正確，保證了單片機嵌入式系統運行的平穩，所以證明了嵌入式系統可以滿足單片機的運行需求。

5.2 單片機嵌入式系統的網絡擴展

在對單片機嵌入式系統進行網絡擴展，可以將不同的設備全部連入同一個網絡進行設備操作，實現了單片機之間的通訊互聯，以便企業對單片機嵌入式系統進行集中管理。在進行網絡擴展時可以進行CAN網絡擴展。CAN網絡是一種主從結構網絡，主從結構網絡是指系統中具有主節點和從節點，主節點主要負責發布執行命令，而從節點可以接受命令進行具體的操作。通過對主節點的網絡狀態進行監控，可以對整個單片機嵌入式系統的工作狀態進行監控，準確發現單片機的運行狀態，保證單片機嵌入式系統的正常運行。

6 結論

單片機嵌入式系統的開發與實踐已經成為了嵌入式系統 （下轉第262頁）

（上接第259頁）

的研究核心，隨著單片機的應用逐漸普及，嵌入式系統的開發也越來越重要。通過對嵌入式系統開發設計和嵌入式系統內核進行分析，研究單片機嵌入式系統編碼程序的實現，希望可以提高單片機運行性能，實現單片機的集成化發展。

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