基于單片機的嵌入式系統的開發研究

魏娟

【摘 要】 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，希望可以使單片機的操作運行實現集成化發展。

【關鍵詞】 單片機；嵌入式系統；操作系統

【中圖分類號】G64.23 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）22-00-01

1、嵌入式操作系統的定義

單片機是在嵌入式系統程序應用的基礎上產生的，它就是其該系統的主控單元。其大部分軟件的應用性都非常的廣泛，不是憑空制造出來了，都有很強的目的性。在與其他程序做對比時，它把其他的程序的一些無關緊要的功能都剔除了，做到了簡單，但是功能非常的強大，只有一個微內核。外加上該程序的嵌入性和專用性等特點，使得應用程序與操作系統處于同一個空間，使得操作系統和應用程序融為一體。這個時候存儲管理模塊非常的簡單。就成了人們熟知的微內核。

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。

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。

參考文獻：

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