國產化嵌入式計算機系統設計分析

郭倫，李樂星，于佳慧

摘要：嵌入式計算機系統指的是任意包含的可編程計算機設備，而可穿戴計算機系統屬于其中的一種應用特例，其具有可持續性、可移動性以及人機交互等特征，大大加強了和使用者之間的聯系，為使用者提供通信、提醒、感知以及測量環境等諸多服務，國產化嵌入式系統能夠極大地提升使用者的工作效率。文章以實現可滿足計算機系統功能以及性能需求的嵌入式系統為研究目的，對嵌入式計算機系統的構成、國產化嵌入式系統軟硬件設計與系統I/O結構進行了簡述，并進一步探討了國產化嵌入式計算機系統設計與研究工作。

關鍵詞：嵌入式計算機系統;國產化;設計分析

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）34-0119-02

可穿戴計算機系統指的是微型個人移動嵌入式計算機系統，可實現人機密切結合，具備傳統計算機所不具備的功能與交互方式，并且被廣泛應用于諸多領域當中，如軍事方面，其可實現信息數據的快速獲取與處理，在通信方面也有眾多優勢。其對社會的發展具有重要的現實意義，當前國內可穿戴計算機相關研究起步比較晚，依然處于發展階段，整體水平落后。嵌入式系統以計算機技術和軟硬件為基礎，適用于系統對功能、成本、體積、可靠性、功耗嚴格要求的計算機系統。近年來，隨著微電子工藝技術的不斷提升，集成電路制造領域逐漸將嵌入式應用所需的微處理器I/O接口、A/D、轉換串行接口以及ROM、RAM集成到VLSI當中，并制造出微控制器，即單片機。并且逐漸被廣泛應用于各個領域當中，針對各項不同應用的實際需求，不斷改進與優化工藝技術，提升運行速度和效率，降低功耗。

1 國產化嵌入式計算機系統構成及處理器

1.1 國產化嵌入式計算機系統的構成

嵌入式計算機系統一般情況下，被廣泛應用于特殊化且需要滿足特性要求的計算機設備功能應用當中，這也使得嵌入式計算機系統結構更加豐富多樣化，當前嵌入式計算機系統主要分為兩種。即以電子技術為核心主體的應用類型，該應用模式軟、硬件具有隨意性特征，缺乏計算機設計方法，只適合于應用比較少的嵌入式系統軟硬件，具有電子系統設計特點。還有一種是隨著近年來互聯網與電子終端的普及，網絡、通信技術步入了高速發展階段，處理器芯片設計與制造技術也在快速的進步，市場與人們的需求不斷增加，也使得嵌入式系統被逐漸應用到網絡、通信、多媒體等多個領域當中。通過分析與總結不難發現，當前嵌入式計算機系統整體結構主要包含以下幾個部分。首先是被應用于嵌入式計算機功能控制的系統，針對具體應用的不同，應當選擇適用于特定嵌入式系統的功能控制程序或者嵌入式操作系統。單進程功能控制程序功能相對更加單一化，大多數都是定制的，并且應用于更加簡單的應用控制當中，嵌入式操作系統則被應用于各種不同類型微處理器當中，且具有良好兼容性與擴展性，同時還支持網絡、多任務、目錄管理以及用戶界面等多項功能，開發應用程序也相對更加簡單，具有豐富嵌入式應用軟件。其次是以存儲器以及處理器為核心，也是嵌入式計算機系統的重要核心部分，其直接決定嵌入式計算機系統的功能、結構與性能。再者是針對實際需求選擇基本輸入/輸出、多媒體以及控制通信接口[1]。

1.2 嵌入式系統開發方式

（1）開發復雜程度

各類多媒體與通信設備、家電等復雜系統都是需要比較強大的微處理器去完成數據的實時處理。如當前比較常見的手機需要具備多屏顯示、網頁瀏覽以及信息發送、查找等多項功能，很多攝像機也具備數據壓縮、自動識別以及自動化智能處理等功能，需增加DSP功能，電話交換機采用多處理器結構。

（2）開發形式和手段

隨著開發對象越來越復雜，硬件與軟件設計占比也在逐漸發生改變，軟件開發占比不斷增加，系統設計越來越復雜，不能由一個設計師去完成軟硬件的設計，而需要團隊分工合作去完成。從而推動了開發形式及工具的發展，特別是硬件、軟件協同設計及相關管理技術、嵌入式系統設計工具與技術手段也得到了迅速的發展。

（3）開發平臺

隨著人們的需求不斷發生改變，為了提升時效，以往的設計模式逐漸改變，被采用具有IP產品所替代，從而極大地推進了標準實時操作系統以及調試技術的快速發展。因為32位架構的MPU資源非常豐富，且指令集龐大，系統軟件也更加復雜化，系統在多任務情況下，會選擇RTOS當作開發平臺，對多任務進行調度。系統需要連接INTERNET網，如果采用的是支持TCP/IP協議的嵌入式操作系統，就能夠大幅度降低復雜多任務系統開發難度。

（4）開發語言

從8/16位微處理器逐漸朝著32位轉換過程中，其使用的軟件開發語言也會逐漸發生改變，以往微處理器并沒有太多性能冗余，軟件編寫也適用于其處理功能，所以，軟件開發更多的是應用于語言編寫。8/16微處理器采用的是高等級語言編程，之后再轉換成機器語言執行，但是以往編譯效率不高，運行效率大幅度下降，其本身的處理速度也比較有限，隨著對微處理器性能不斷提升，高級語言的應用范圍也越來越廣。

2 國產化嵌入式計算機系統的設計分析

2.1 嵌入式可穿戴計算機特點及功能

可穿戴計算機由主機完成整個系統的信息處理、計算以及系統資源控制，可穿戴計算機功能和結構更多受任務復雜性、可選擇部件以及設備系統設計思想等諸多方面因素影響。對可穿戴計算機主體制定任務以及對計算能力進行了綜合分析，從而進一步確定系統設計目標，設計更為適合的嵌入式計算機系統。其不只是將計算機微型化，而是將人機緊密結合在一起，促使人的大腦得到有效擴充和延伸，從而增強了智能性，弱化了“人操作機器”，完成了極大的轉變。為了有效實現以上目標，計算機應當具備以下特點：可移動或者是運動狀態下可使用，可進行有效控制，功能豐富，且具備可持續性。從計算機特征來看，我們也能夠總結出可穿戴計算機應當具備輕型化、低能耗以及豐富外設接口等特點，針對系統特點，選擇符合以上特點的選材與設計方案[2]。

2.2 網絡通信功能

可穿戴計算機系統應當具備網絡通信遠程信息獲取能力，只有這樣才能夠完成機器輔助人的使命，因為其具備移動性，無線網絡是非常重要的通信手段。當前無線網絡技術無法實現高速數據傳輸，可以保留有線網絡接口，從而便于在需要情況下，獲取高速的信息數據。在多層次通信協議當中，由CPU負責鏈路層及以上通信協議，包含數據信息的拷貝、拆分重組及校驗。

2.3 加密與解密功能

因為可穿戴計算機需要與無線網絡互連，在這個執行過程中，很容易會受到干擾、攻擊以及監測，因此，保密也是關鍵問題，可充分利用可穿戴計算機加密解密程序去實現，包含通訊任務以及關鍵信息等。常見的手法有：IDEA、DES、RSA等，對于可靠性整體要求大幅度提升，加密運算量也大幅度提升，DES算法復雜度也發生了巨大變化。

2.4 多媒體處理功能

在很多的應用場合環境下，要求可穿戴計算機系統具備良好的文字、聲音以及圖像等多種處理能力，因此，也對計算機處理能力提出了更高的要求，多媒體很多時候是以龐大數據流為基礎。當前常用的媒體數據壓縮方式是從時域到頻域變換，如DCT變換，再輔以游程碼以及運動補償方法，時域與頻域變化計算非常可觀，運動圖像壓縮計算量遠遠超過以上計算量[3]。

2.5 嵌入式可穿戴計算機主機性能分析

2.5.1 計算能力分析

通過以上分析，能夠得出可穿戴計算機主機必須完成的各類基本任務當中，多媒體信息處理以及通信數據加密解密的整體計算量最大，而語音傳輸在多媒體信息處理過程中，具有實時性特點，采集獲取的語音信號經過解壓縮之后延遲較小，且不會影響信號質量。運動圖像必須要保障視頻具有連續性特點，且數據壓縮率也能夠最大程度上保障在一定寬帶條件環境下將數據進行正常傳輸。可穿戴計算機系統設計應當具備比較強的多媒體處理綜合能力，尤其是極端能力備受關注，這也是選擇處理器過程中重點考慮的因素，而S3C2410A便能夠完全滿足該要求[4]。

2.5.2 儲存能力分析

為了保障系統的信息處理能力滿足實際要求，僅僅靠著比較強的CPU顯然是不夠的，存儲器的重要性也是非常突出的，速度與容量適當的內存，能夠最大程度上發揮計算機處理器的綜合處理能力。就目前可穿戴計算機系統的整體發展趨勢來看，儲存量也隨著處理能力逐漸增大，并且當前的可穿戴計算機不再采用傳統PC機當中的IDE硬盤，由FLASH存儲器或體積更小的硬盤驅動器取代。如東芝公司的1.8英寸硬盤等，存儲器種類以及容量會涉及目標確定以及操作系統選擇等多方面因素的影響。可穿戴計算機應用環境下，最大程度上減少存儲器當中占用空間以及消耗的功耗，面對龐大的數據存儲量，Flash存儲器顯然已經無法滿足，在具體設計環節中，可采用ATA接口2.5英寸硬盤存儲系統數據，采用低容量Flash存儲系統的啟動代碼[5]。

3 結束語

近年來，國產化嵌入式計算機系統設計與研究成為熱點，而基于嵌入式操作系統uCLinux軟件開發也逐漸受到了人們的廣泛關注。文章通過對嵌入式計算機系統的特點、發展趨勢以及處理器的不同應用環境進行了分析，并進一步探討了嵌入式可穿戴計算機的具體性能要求以及關鍵技術。針對嵌入式可穿戴計算機的實際需求以及不同處理器的特點，選擇了嵌入式處理器S3C2410A，并給出了基于S3C2410A的I/O設備與接口模塊設計，實現了基于嵌入式操作系統uCLinux的可穿戴計算機演示系統，充分運用硬件系統各項功能模塊，滿足系統驗證的目的，也為國產化嵌入式操作系統的研發及其應用打下了良好的基礎。

參考文獻：

[1] 姜廣順，金芮芃，曹佩武，等.遙碼通信系統的反設計和國產化研究[J].兵工自動化，2016，35（10）：1-3，16.

[2]喬磊， 楊樺， 劉波，等. 國產化空間飛行器嵌入式操作系統研究與設計[C]// 中國宇航學會. 中國宇航學會，廣西北海：中國宇航學會計算機應用專業委員會2011年度技術交流會，2011：243-248.

[3] 范成，李芳芳，范祥華，等.基于國產化軟硬件平臺的指控系統軟件設計[C]//2014第二屆中國指揮控制大會論文集.北京，2014：174-177.

[4] 周海力，朱達書，劉沖，等.基于PC104結構的龍芯1A嵌入式控制模塊設計[J].測控技術，2017，36（10）：98-101，121.

[5] 李釗，李文新，金田.基于BM3803的操作系統移植和應用研究[J].雷達科學與技術，2016，14（3）：311-316，323.

【通聯編輯：唐一東】