嵌入式系統的應用與開發

鄭曉霞　曹劍英　劉凌云

摘要：嵌入式技術具有很強的應用價值，近年許多人開始對這類技術進行研究，就是為了使這類技術更具實用性，應用領域更廣，也使得這類技術能在科技進步中不斷得到優化發展。文中對嵌入式技術概述、系統的設計原則以及軟件的特點等方面內容進行了分析。

關鍵詞：嵌入式技術；軟件特點；設計原則

中圖分類號：G648 文獻標識碼：B 文章編號：1672-1578（2016）02-0001-01

1.嵌入式系統中的應用現狀

就目前而言，中國嵌入式系統市場進入快速增長期。在過去幾年和未來幾年，為幾乎所有的電子設備的嵌入式系統的發展注入了新的活力，由于飛速發展的互聯網趨勢和微處理器以廉價的形式出現使嵌入式系統在我們日常的生活中形成一個更大的應用領域。中國嵌入式系統的主要客戶集中在消費電子，通信，醫療，安防等行業。中國目前的嵌入式系統市場，幾大熱點應用領域包括：汽車和電力系統的電源管理，高清晰度數字電視和數字機頂盒，智能手機與智能工業設備，終端和聯網能力。嵌入式工業設備將融入更多的智能功能，如通信和網絡，并在汽車電子市場，醫療電子市場，機械和電子產品市場，視頻電子市場和數碼電子產品市場已越來越廣泛的應用。

1.1 消費類電子產品。環球資源2004年聯合研究，這項報告顯示，在亞太地區的嵌入式系統最迫切的需求行業是消費電子行業。近年來FPGA技術的飛速發展和廣泛的應用程序和嵌入式消費類電子產品。全球數字和高清晰度廣播和電視傳輸標準，游戲和多媒體娛樂系統，液晶和等離子顯示技術，家庭DVR和DVD-W技術，汽車駕駛室娛樂系統和GPS導航系統，信息，通信和安全系統及其他持續上升的需求和應用，標志著前者在消費類電子產品是普遍深入人們的生活。

1.2 汽車和動力系統，智能電源管理技術。隨著搭載CPU的汽車電子設備要求電源電壓變得更加多樣化，需要更低的電壓和更強大的功能，電源管理也變得越來越重要，電源管理的要求也在不斷變化。汽車電子設備變得更大，屏幕分辨率變高，但在同一時間，其規模要小得多。所有這些新的應用程序將需要高集成度，高性能，高效率的電源管理。車載電源延長便攜式設備的電池壽命，它也需要設法消除自動開關電源敏感電路的干擾。電力系統，變電站點多面廣，以及減員增效適應現代管理要求的，有很大一部分的無人值守變電站，同時也為基于嵌入式Web服務器的配置管理技術的設備提供了良好的條件。可以大大減少勞動力，設備運行，設備管理，及時了解變電站運行信息，設備故障的處理也更迅速和有效。隨著國家電網的發展，基于嵌入式Web服務器設備的維護比基于傳統的撥號遠程維護方法更有利。

1.3 工業控制嵌入式設備。全球各行業各領域迅速發展時，在中國工業控制領域，醫療電子市場，與國民生產總值，機械和電子產品市場，視頻和數碼電子產品市場的電子產品市場，航空航天，運輸相關的嵌入式應用程序也快速增長起來。近年來，嵌入式網絡解決方案，已經發生了重大的變化：首先是小設備，如手持式掃描儀；其次是具有更高的網絡傳輸速度和便攜無線功能要求；需求再度降低功耗；最后需要進行數據安全和加密。

2.嵌入系統的設計原則

嵌入系統設計具有很強的針對性，軟硬件協同設計是系統設計的關鍵。需解決好軟硬件的同步與集成設計問題，要結合具體應用進行綜合考慮，保證設計工作的一致性與正確性。在針對具體應用系統的功能目標分析基礎上，分解整個系統的各項功能指標和技術要求，結合系統的實時響應要求、接口功能定義與標準、嵌入芯片的處理能力、編程語言、開發環境、產品的升級與維護問題、開發投入能力、產品綜合成本等多方面因素進行權衡考慮。

2.1 在明確系統性能需求的基礎上，細化以下考慮因素。

2.1.1 系統功能實現手段的軟硬件分配。

2.1.2 器（部）件選擇和系統構建。包括微處理器芯片、外圍接口電路、各種驅動電路形式、器部件類型、前后向通道處理方式、人機界面和手段等。

2.1.3 控制算法設計以及軟件系統的架構形式。

2.1.4 語言選擇。依據設計者熟練程度和習慣、開發環境和控制功能要求選取。

2.1.5 抗干擾問題的解決與設計。包括軟件的和硬件的、常規的和特定的。

2.1.6 實現工藝和方式。包括印制板設計、走線安裝、裝配工藝、新材料或新技術的應用等。

在各實施階段，對項目進度、關鍵技術的風險因素必須進行審查評估，評價軟一硬件的功能設計與分配，以及實現的技術性能、工作量和時間進度。明確電路之間的接口參數、軟一硬件功能銜接，以及項目中存在的問題和缺陷，及時發現關鍵部位或矛盾突出點的瓶頸問題，將隱患排除在早期設計階段。

2.2 嵌入系統中微處理器選擇應考慮。

2.2.1 MCU的算術、邏輯處理能力；運算速度和時鐘頻率；總線控制功能、中斷方式和仲裁機制；RAM和FLASHROM容量；軟件加密保護。

2.2.2 外圍接口功能的可重構配置能力；數據通訊模式；前后向通道類型；端口電壓的適應能力等；

2.2.3 開發工具的在線調試或仿真能力；FLASH代碼讀寫環境；編程語言的支持程度；代碼的可移植性等。

2.2.4 電源電壓；功耗等。

3.嵌入系統的軟件特點

嵌入式系統是可利用資源有限、專用性很強、實時性要求也很高的應用控制系統。故在軟件設計方法和實現手段上，嵌入系統軟件同PC機軟件存在很大差異，主要表現在：

3.1 實時性的控制方法。PC軟件提升速率方法，極大依賴處理器性能提升，還體現在緩存方案、動態分配等技術手段上。但在嵌入式系統中應用這些技術就存在硬件資源不足、工作頻率低的現實問題，會降低系統的可靠性。

3.2 特定的異構特征。嵌入式控制軟件設計既要考慮特定的硬件固有部分，也要考慮來自系統之外的各種通訊、傳感器的專用信號處理接口，以及不同控制目標的實時期望和執行機構的異步并發事件處理能力。因此不同的硬件系統或控制目標，將會產生不同的系統構建方案。

3.3 系統的性能目標。編寫嵌入式軟件必須著重考慮與硬件系統相匹配的功耗、不間斷運行、故障恢復、高可靠性等方面的約束條件，實現特定應用環境下的控制功能、實時性響應的目標要求。因此，嵌入系統要在借鑒通用軟件技術，遵循軟件工程理論，規范軟件開發過程的同時。還應根據嵌入式系統特點研究開發技術和算法結構，提高開發效率，確保系統軟件的質量和可靠性，以及軟件的復用性、可移植性和易維護性。縱觀嵌入式軟件設計方法的發展歷程，走過了從結構化設計、面向對象設計、基于構件的設計階段，經歷了單任務到多任務的系統轉變。

4.結語

嵌入式技術的應用與發展對社會生產、人民生活都有著不同尋常的影響，為了更好的發展嵌入式計算機技術，必須要緊跟世界先進科學技術的發展，適時調整、完善自身的嵌入式計算機技術水平，以期能在不久的將來，使嵌入式計算機技術能在更多的領域中得到應用，實現其最大化的綜合效益。

參考文獻：

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