基于嵌入式設(shè)計的軟硬件開發(fā)分析

趙明

摘要：本文結(jié)合嵌入式系統(tǒng)軟硬件開發(fā)設(shè)計的最新研究成果，從嵌入式系統(tǒng)樣例產(chǎn)品的開發(fā)實際入手，通過對多種設(shè)計方式的分析，提出了一套基于去中心化思路的軟硬件劃分設(shè)計方法。文中提出了五項指導(dǎo)性原則，通過示例開發(fā)模型進行了相關(guān)原則的應(yīng)用實踐，實現(xiàn)了對該方式的驗證，有效地簡化了復(fù)雜任務(wù)，提高了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)效率，具有較強的實踐應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：嵌入式開發(fā);軟硬件硬盤;軟件設(shè)計模型;實例開發(fā);去中心化

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）12-0208-02

伴隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)規(guī)模的不斷擴充，嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)的功能越來越完善，傳統(tǒng)基于硬件進行簡單開發(fā)的設(shè)計模式已經(jīng)難以滿足目前嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的實際需求，軟件設(shè)計理論已經(jīng)開始在嵌入式開發(fā)的軟件開發(fā)模型上得到廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)外學(xué)者及研究機構(gòu)對嵌入式軟硬件設(shè)計提出了多項開發(fā)模式，如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、基于UML模型分開、基于遺傳算法等多項結(jié)合軟件開發(fā)技術(shù)的最新領(lǐng)域的成果。通過深入挖掘嵌入式硬件與軟件資源結(jié)合，實現(xiàn)硬件性能與軟件開發(fā)成本的優(yōu)化組合。但是這類方法通常偏理論，對硬件與軟件的結(jié)合分析不夠緊密，在實際工作中仍存在著難以實際利用的問題。

1 軟硬件劃分概述

嵌入式系統(tǒng)面臨著資源少、功能需求多的嚴格約束，利用何種開發(fā)模式進行設(shè)計已經(jīng)成為影響系統(tǒng)成本、性能和開發(fā)周期的重要前提，在滿足嵌入式系統(tǒng)開發(fā)功能模式的前提下，如何更好地利用好嵌入式系統(tǒng)的硬件資源，實現(xiàn)軟硬件協(xié)同開發(fā)已經(jīng)成為最優(yōu)化的實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)多方面需求最優(yōu)解的重要環(huán)節(jié)。為解決此類問題，就必須從嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同開發(fā)模式的方向去尋找思路。

2 嵌入式軟硬件設(shè)計模型研究

嵌入式軟件開發(fā)模型通常包括兩個方面，即基于IP構(gòu)件的開發(fā)和基于交叉開發(fā)技術(shù)的開發(fā)。

2.1 IP 構(gòu)件技術(shù)

IP構(gòu)件技術(shù)即常見的組件開發(fā)模型，IP構(gòu)件作為嵌入式軟件開發(fā)的基礎(chǔ)開發(fā)平臺，日益在各類嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，IP 核（Intellectual Property Kernel）實現(xiàn)了對芯片系統(tǒng)核心功能的整合，而單一芯片系統(tǒng)（SOC， System on Chip）則更進一步地把多項附屬功能集成到單一芯片內(nèi)部。通過集成化的構(gòu)件開發(fā)，可大大減少系統(tǒng)開發(fā)周期，減少程序人員的業(yè)務(wù)學(xué)習(xí)成本。

2.2 交叉開發(fā)技術(shù)

嵌入式軟件與常見的軟件開發(fā)方式不同，在嵌入式軟件的開發(fā)過程中，目標機與宿主機之間需要進行任務(wù)的交互與資源的分配。宿主機需要通過對硬件資源進行定址編譯實現(xiàn)功能模塊的開發(fā)，但最終的嵌入式軟件實際運行平臺卻是目標機。使用交叉式的軟件開發(fā)技術(shù)，可以將宿主機上運行的應(yīng)用程序轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)的二進制代碼，并實現(xiàn)在目標機上的運行。整體編譯需要使用交叉編譯程序完成，在編譯后的文件稱為目標編譯文件，可以在目標機上運行。而通過定址的方式則可以實現(xiàn)宿主機程序與目標機程序間的程序位置的偏移定位，以最終實現(xiàn)在目標機上程序的運行。

3 去中心化的嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計方法

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的重點便是對軟硬件的劃分進行判斷，即通過對系統(tǒng)硬件和軟件構(gòu)件需要實現(xiàn)哪些功能，來進行相應(yīng)的設(shè)計和開發(fā)流程，通過利用硬件特性可以實現(xiàn)較高的性能，但功能豐富程度則較軟件開發(fā)少，目前很多嵌入式芯片的開發(fā)都是結(jié)合軟件進行，軟硬件的劃分界限較為模糊，這使得嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)進入了新的創(chuàng)新關(guān)鍵階段。

通過嵌入式軟硬件系統(tǒng)開發(fā)分析，本文對原有的軟硬件劃分的開發(fā)模式進行了重構(gòu)，利用最新的去中心化的思路，創(chuàng)立了一套嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方法。去中心化的目的在于使嵌入式系統(tǒng)的功能、資源由中心化的管理重新分配為分散模塊的流程，使得原有的依CPU處理性能來決定嵌入式系統(tǒng)開發(fā)功能的集中化模式變?yōu)橘Y源均衡分散的方式。該類開發(fā)模式應(yīng)包括以下幾方面原則：

（1） 去中心化：CPU不再是嵌入式系統(tǒng)整體的處理單元，而是溝通多個獨立模塊的橋梁作用，由原有的單處理器模式變?yōu)槎嗵幚砥髂Ｊ?

（2） 均衡負載：CPU上承載的業(yè)務(wù)分布在多個CPU上進行流轉(zhuǎn)，對于復(fù)雜數(shù)據(jù)和大量重復(fù)邏輯業(yè)務(wù)的處理通過定制化的DSP芯片進行處理，并實現(xiàn)通信接口的一致化;

（3） 模塊化：每個功能模塊內(nèi)部均應(yīng)包括可實現(xiàn)嵌入式開發(fā)功能的芯片、電路和軟件構(gòu)件，并能獨立和可復(fù)用的運行。這部分模塊固化以后，實現(xiàn)了高度的聚合，并通過接口與外部模塊連接;

（4） 控制與顯示分離：顯示作為獨立環(huán)節(jié)，與控制相分離，只通過接口程序接收其他模塊發(fā)送的控制信息和顯示信令，顯示功能相對復(fù)雜，目前北京迪文等廠家已在從事相關(guān)的研發(fā)工作;

（5） 芯片固化處理：利用專有芯片實現(xiàn)高度重復(fù)的高強度工作，特別是網(wǎng)絡(luò)接口單位，包括并不限于以太網(wǎng)、藍牙、無線網(wǎng)、射頻信號等連接方式。目前瑞昇有著較為全面的單芯片解決方案，具有較高的可靠性和安全性。

4 嵌入軟硬件設(shè)計實例

在本示例中將結(jié)合疫情后廣泛應(yīng)用的電子溫度計的設(shè)計研發(fā)進行展開：

（1）設(shè)計一套可實現(xiàn)電子測溫的電子溫度計，通過對人體進行紅外測溫，實現(xiàn)實時溫度讀取并顯示;

（2）電容顯示屏可顯示人體當(dāng)前溫度，并可記錄至多16組體溫數(shù)據(jù)，并生成歷史周期曲線;

（3）電子溫度計可與互聯(lián)網(wǎng)進行連接，實時上傳測溫數(shù)據(jù)，并與后臺預(yù)警系統(tǒng)連接，在出現(xiàn)測溫過高時，后臺系統(tǒng)及時發(fā)出警報，告知應(yīng)急指揮中心，實時啟動疫情防控聯(lián)動機制，防止測溫人員疏漏或其他情況下的漏放情況。

此電子溫度計的主體設(shè)計模塊如圖1所示：

溫度計各模塊功能介紹如下：

（1） 溫度測量模塊：集成溫度測量和ADC電路轉(zhuǎn)換功能，溫差處理通過CPU進行集中化處理計算;

（2） 觸摸屏模塊：觸控及液晶顯示電路均通過CPU集成化處理，使用I2C及RGB接口;

（3） 網(wǎng)絡(luò)接口模塊：使用CPU進行TCP/IP協(xié)議處理，使用LWIP接口對接;

（4） 圖形顯示模塊：使用CPU進行UCGUI圖形顯示庫的調(diào)用;

（5） 內(nèi)存模塊：使用NAND或EPPROM進行存儲，提供內(nèi)存和顯存單位。

本文中所構(gòu)建的去中心化的嵌入式軟硬件開發(fā)設(shè)計方法，通過對原圖1中的設(shè)計模式進行優(yōu)化配置，可進一步得到圖2中的優(yōu)化結(jié)果：

（1） 液晶顯示與觸摸屏分隔為獨立的模塊，通過接口進行資源的整合，以實現(xiàn)動態(tài)連接的模組，并可通過UART串口與多個CPU組件連接，最終實現(xiàn)控制與顯示業(yè)務(wù)邏輯的分解;

（2） 測溫模塊電路添加獨立的MCU控制組件，將偏差處理固化在測溫模塊內(nèi)部，不需要調(diào)用外部CPU資源，即可通過串口發(fā)送溫度計量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)獨立封閉接口運行;

（3） 使用SOC集成化處理苡片，如WIZnet 公司設(shè)計生產(chǎn)的以太網(wǎng)接口芯片W5500、江蘇沁恒公司設(shè)計生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)串口透傳芯片CH9121 等，實現(xiàn)相關(guān)軟件協(xié)議運轉(zhuǎn)模型的外遷。

（4） 簡化CPU功能，使其降級為系統(tǒng)串口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和控制命令的組件，甚至可利用各獨立模塊的MCU組件整合來實現(xiàn)CPU芯片的降級應(yīng)用;

（5） CPU分散化的進行多線程處理，把體溫、圖形圖像顯示、網(wǎng)絡(luò)連接等多線程并發(fā)處理，使程序處理更為簡易。

通過去中心化設(shè)計模式的優(yōu)化，本文中例子實現(xiàn)了以下優(yōu)化：

（1） 實現(xiàn)了多個CPU并發(fā)工作，內(nèi)部程序通過多線程并發(fā)執(zhí)行，在提高響應(yīng)速度的同時減少了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)延遲;

（2） 開發(fā)流程簡化，通過對系統(tǒng)軟硬件設(shè)計模塊化的劃分，實現(xiàn)了開發(fā)難度的降低，對于多重團隊開發(fā)的大型項目具有重要意義，可有效降低開發(fā)周期;

（3） 降低了對嵌入式硬件的需求，嵌入式開發(fā)的系統(tǒng)資源作為系統(tǒng)運行的主要成本，硬件成本的降低，可大大降低物料成本投入;

（4） 開發(fā)效率更高，多個模塊通過軟硬件復(fù)用，實現(xiàn)了通用性，在未來的新版本開發(fā)過程中可通過模塊直接調(diào)用，有效地提升了可復(fù)用性。

5 結(jié)語

文中針對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的軟硬件模式進行了分析，并結(jié)合去中心化的思路提出了一套基于軟硬件劃分的設(shè)計體系，通過對開發(fā)實例的抽象分析，實現(xiàn)了復(fù)雜業(yè)務(wù)邏輯模塊化劃分開發(fā)，各功能模塊功能獨立，開發(fā)邏輯明確，故障節(jié)點分散冗余，是嵌入式開發(fā)的成功應(yīng)用范例。本文提出的去中心化開發(fā)模式，在保障了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、魯棒性、可復(fù)用性的同時，有效地提升了產(chǎn)品的開發(fā)效率，對于嵌入式產(chǎn)品的實際開發(fā)研究有著較高的參考意義。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】