單片機在嵌入式系統軟件的應用情況

李容

摘? 要：單片機是一種高度集成的電路芯片，被廣泛應用到工業控制領域。近年來，將其應用在嵌入式系統軟件中，發揮核心作用。文章對其發展情況展開論述，并研究單片機技術的應用范圍以及工作原理。目的在于提高單片機的工作性能，促進單片機嵌入系統的整體發展。

關鍵詞：嵌入系統;單片機技術;核心角色;應用范圍

中圖分類號：TP311? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）33-0170-02

Abstract： Single chip microcomputer is a highly integrated circuit chip which has been widely applied to industrial control field. Recently， it plays a key role in embedded system software. This paper discusses its development situation and studies the application scope and working principle of SCM technology， aiming to improve the performance of MCU and promote the whole development of MCU embedded system.

Keywords： embedded system; MCU technology; core role; application scope

1 單片機在嵌入式系統軟件中的應用背景

隨著革新科技的飛速發展，嵌入式系統軟件迅速普及。然而嵌入式系統的發展過程中，各種新的需求逐漸顯露，尤其是日益增大存儲需求，與高速下載的通信需求。嵌入式系統軟件因其個性化及人性化特點，廣受客戶青睞。然而由于市場體量的的不斷增大，競爭趨于白熱化狀態。但是由于我國嵌入式軟件外部接口發展緩慢，以至于現有的內存難以滿足日益發展的科技需求，這就需要將單片機應用到嵌入式軟件系統中，以便擴大內存。由于芯片技術有著成熟的技術工藝，涵蓋了功能完善的SOC層，它高度的集成能力與豐富的接口，讓嵌入式軟件系統看到了希望。然而，芯片的研發需要巨額的資金支撐，以至于其生產研發，讓諸多企業望而卻步，逐漸在激烈的競爭市場失去一席之地。相比高集成的芯片，單片機的計算能力較差，但勝在其價格低廉、易研發，這就導致其能夠根據市場的不斷調整，快速反應，積極調整需要研發的功能。這是單片機相比芯片，在市場競爭中的優勢所在。單片機能夠基于SPI接口與外圍設備，設計拓展功能。即將單片機應用到前嵌入式軟件系統中。單片計算機可以利用SPI，將所需功能積聚在CPU上，并利用單片機來拓展該軟件的各項功能。

嵌入式軟件系統，是指利用成熟的移植技術，將外部功能復制到系統內部，確實外部設備能夠順暢的運行，實現智能化控制，達到自動化水平。嵌入式軟件系統相比傳統軟件系統優勢明顯，主要表現在：

（1）小巧精致。嵌入式軟件系統主要應用在工業設備上，多應用于精密儀器，例如：智能控制設備、精密儀表等。這些儀器設備，本身體積就不大，想要實現相關功能，還需要將嵌入式系統安裝在這些系統中，因此，嵌入式系統的體量必須能夠足夠小，以滿足系統運作需求。

（2）存儲量小。嵌入式軟件系統，通常使用的存儲介質為Flash與ROM。其中Flash相比ROM性能更佳，但是研發成本卻呈倍數增長，以至于ROM的使用更為廣泛。另外，嵌入式軟件進程應較小，容量較小。單片機應用在嵌入式系統中相對適合。

（3）即時性。嵌入式系統，需要的時效性較強，這就需要在時間特性上有所要求。對于一些軟件而言，一旦統計數據與結果超出規定時間，那么得到的效果將差強人意。由此可見，數據的及時性是如此重要。一旦嵌入系統的時效性不能保證，將會對整個系統造成重大反面影響。

嵌入系統可安裝的擴展設備主要有：外圍設備、單片機以及中央處理器。中央處理器主要利用SPI來完成和單片機的數據傳輸與信息交換。單片機則利用已經存在的UART接口來實現串口擴展，連接各種外圍設備。最終外圍數據通過單片機整合處理利用SPI數據線，將相關數據信息傳輸到中央處理器。反之，為確保CPU能夠訪問到外圍設備，需要利用SPI線將相關數據信息發送到單片機，進而達到訪問外部設備的目的。

SPI接口，即外圍設置接口。這一接口的數據傳輸速度，相比I2C總線速度更快。所以，使用SPI接口，能夠實現中央處理器和多外部設備之間信息數據傳輸的目的。另外，SPI接口運用模式為主從模式，這就需要設置一個主設備，外加多個從設備來實現兩者的信息數據傳輸。SPI接口的設計，應充分考慮中央處理器和外圍設備之間的信息數據傳輸。經過設計，兩者可以實現點對點的數據傳輸。

將嵌入式系統應用到特定設備時，則可以以實際為基礎，利用SPI數據線實現單片機控制多個外部設備的目的，實現多個外圍設備的集成。因為不同的設備，其目的和功能存在明顯差異，這就要求設計者調整SPI協議與微控固件。為控制成本，節約開發時間，可擴展嵌入系統的功能。另外，外圍設備，如：MCU，能夠對全部集成設備獲取的全部信息與數據進行提前處理，從而有效分擔中央處理器的運算壓力，加快嵌入系統的反應力。

2 嵌入式系統的應用設計

嵌入式系統常用的驅動程序，是以Linux系統為基礎，對其進行深加工、廣設計的。事實上，Linux系統涉及到的外部設備，都被稱之為文件，以此為基礎，開展相關的執行操作，也就是在外部設備上展開操作，這些操作內容都是在虛擬文件系統中展開。設備驅動為設備硬件和上層用戶連接的重要接口，能夠對硬件設備的諸多任務進行保護，還可以將相關硬件設備轉化成文件的形式，展示在用戶面前。通過這些設計，實現用戶之間的文件傳輸。用戶想要讀取所需內容，并寫入所想內容，就需要相關驅動程序，旨在釋放程序設備資源，并利用相關程序將各種信息數據傳輸發送出去，完成用戶、內核、各物理層相互間的信息傳輸。嵌入式系統在擴展設計的實收，中央處理器，可以利用SPI接口，實現主機和外部設備的信息傳輸。在對外部單片機進行設計的時候，還應注意兩個細節，分別為SPI通信、單片機外部控制，可以把外部設備與單片機以及中央處理器整合到一起，方便使用者閱讀及寫入。

2.1 驅動設備的過程實現

中央處理器能夠將本地串行接口與設備直接加以集成，實現IO設備與單片機外圍驅動設備的連接。我的電腦中的驅動程序，其中硬件驅動發生的行為取決于接口功能。一旦用戶對電腦中的文件進行訪問的時候，接口就會實施讀取與寫入此類功能。一旦用戶執行串口所規定的串行端口文件之際，驅動器就會把使用者請求發送到設備的串口端口，而且串行端口驅動對與之相對性的硬件設備的傳輸功能。

2.2 SPI協議功能執行的過程

SPI協議組成了串行端口的外圍設備的組織結構。主要使用在信號處理器、AD轉換器、時鐘以及解碼器，這些外圍設備上，由此可知，想要實現實時傳輸功能，就需要在芯片接頭中使用4根線，將全雙工通訊充分運用起來。SPI協議用于通信的基本原理，主要有SCK、SDI、CS（SS）、SDO。以SCK為控制基礎，我的電腦中的雙向移位寄存器將數據交換動作進行了擴展。SPI總協議想要實現數據和信息的傳輸，就需要占用我的設備中微處理器的I/O線，且需要4根。由此可見，SPI總接口能夠控制電源設計，很大程度的省去了諸多不必要的I/O線路與接口設備，并使得電源可靠性得到顯著提升。將SPI線路都集成于單片機，對其外圍設備進行訪問，勢必將更加復雜。這時由于中央處理器難以直接實現硬件發出的任務指令。SPI通信協議棧組成主要分為兩部分：虛擬通信協議棧與SPI驅動。SPI驅動協議主要對SPI數據包的傳輸速率進行了定義，還規定了糾錯方法及其他協議，保證了SPI數據包能夠在中央處理器與微控制器間實現直接傳輸。SPI虛擬通信棧能夠規定所有外圍設備數據傳輸的格式，利用其他協議與功能代碼來優化數據包的傳輸、分析以及封裝。設備去送虛擬的通信協議棧指的是外部擴展設備的驅動，關鍵是由外圍設備相應與數據處理組合而成。以上虛擬驅動程序想要實施數據傳輸動作的時候，需要調用的協議棧的虛擬通道。單片機將外圍串行端口都集成起來，并且這些端口可以和與之相同的本地串口驅動內涵進行封裝，且在實際應用過程中，將變成和當地串行端口一致的端口，使之為用戶服務。設備自身的串行端口驅動能夠直接作用于執行任務的串行端口，如果虛擬硬件不實施設備硬件發出的任務指令，只是調用協議棧中的數據通道來實現數據的傳輸，那么串行端口的數據傳輸就只能依靠外部微控制器來完成。

3 單片機在嵌入式系統中的應用

工業領域，MCU是使用最為廣泛的一種嵌入式系統，該系統在成本制作與功率消耗方面都有著不可比擬的優勢，且維護起來方便省事。MCU這一嵌入式系統在工業領域應用的時候，其設計非常符合人體行為學設計。應用在工業領域的MCU系統，其設計了各種功能的網絡通訊接口和與之相應的網絡控制端口，能夠執行TCP/IP協議。

3.1 單片機應用在電機嵌入控制系統中

以嵌入式系統為基礎，將單片機嵌入其中，用于電機控制。具體執行過程，首先按照順序對電機操控系統發起控制指令，對電機系統進行管理與調度，其中操作系統作為應用程序控制的一個主要元素，實際操作步驟：首先，員工對需要測量的數據通過本地設備發出任務指令，指令傳輸到相應的部門，該部門對需要數據提前處理;其次，驅動程序輸出的數據決定了測量數據是否安全、可靠。并且想要做好數據處理工作，就要確保驅動輸出的數據，是預處理完畢樣本數據之后實施的。最后，對工作崗位的職能進行明確，保證電機操控系統能夠切實高效的完成相應工作。

3.2 單片機應用在網絡監測嵌入控制系統中

現階段，單片機應用在嵌入系統趨于廣泛，其中應用較為廣泛的領域包含網絡監測系統。這也逐漸發展成為學術界研究的主要課題。單片機嵌入系統在網絡監測領域的應用隨處可見。單片機嵌入系統在網絡監測領域應用，不僅能夠有效的收集數據，實現數據信息的實施上傳與存儲，還能夠對外部設備進行遠程控制，并加以管理。在任務執行期間，MCU系統，不僅要識別設備網絡接口，還需要確認其和互聯網用戶間的連接。另外，將一些實用性較強的軟件應用在監測系統中，能夠促使監測系統更高效。網絡監測系統終端的輸入方法與輸出方法，都與嵌入式系統一致，利用終端傳輸系統來完成控制功能，能夠全面對網絡終端系統進行檢查，并控制網絡終端內部的接口，尤其是網絡數據通訊接口，還能實現異步串行通信，確保單片機在網絡監測嵌入系統中的應用。

4 結束語

總而言之，單片機應用在嵌入式軟件系統中，已經成為一種嵌入式系統發展實踐的重要一環。伴隨單機片技術的逐漸盛行，嵌入式系統備受關注，在不斷系統研究的過程中，核心技術的研發步入正軌，在對其深入研究的過程中，編碼程序將得以實現，優質性能得以提升，集成功能得以實現。

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