探討嵌入式應用系統(tǒng)軟件設計技術

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摘要：嵌入式應用系統(tǒng)軟件設計技術的研究在近年來受到了公眾廣泛歡迎，本文圍繞嵌入式應用系統(tǒng)軟件設計技術問題進行討論，提出幾點思考，僅供參考。

關鍵詞：嵌入式應用系統(tǒng)；軟件設計；技術

嵌入式屬于軟件設計領域中的一個分支，由于其自身具備的很多特點最終決定了系統(tǒng)架構師的選擇，另外它也具備一些環(huán)節(jié)有一定的通用性，能夠被廣泛應用到其他的一些領域中。

1嵌入式應用系統(tǒng)軟件設計概述

確切地來說，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展史已經(jīng)有很長時間了，起初被應用于軍事、航空航天及工業(yè)控制工作中，自20世紀90年代中期以后，開始在互聯(lián)網(wǎng)、通信、以及信息家電等各個領域中應用到了嵌入式系統(tǒng)，也就是說，該系統(tǒng)開始逐步進入了人們的生活中，為此也使得計算機產(chǎn)業(yè)由PC時代普及至計算機及嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合的后PC時代。那么究竟什么是嵌入式系統(tǒng)呢？它是一種以應用為核心的計算機系統(tǒng)，它的特點是實時、專用、資源有限等，所以，對于嵌入式系統(tǒng)而言，它既具備普通計算機系統(tǒng)的軟件設計共性，同時也具備一定的特殊性。傳統(tǒng)的嵌入式軟件設計給我們的印象是單片機，匯編，高度依賴硬件，而且傳統(tǒng)嵌入式軟件在開發(fā)過程中只是看重它的本身功能的實現(xiàn)，卻忽視了代碼的復用，同時數(shù)據(jù)還和界面相互分離，以及可測試性等因素。從這些特點集中來說，最終導致軟件的最終質(zhì)量過于依賴開發(fā)者的水平。隨之嵌入式系統(tǒng)軟件的發(fā)展，如今的嵌入式系統(tǒng)軟件在包括功能、規(guī)模和復雜程度等各方面均收獲了大幅度的提高。例如Marvell公司生產(chǎn)的PXA3系列，其最高主頻已經(jīng)達到800Mhz，內(nèi)部建有USB，WIFI，2D圖形加速以及32位DDR內(nèi)存。從硬件方面進行分析，現(xiàn)如今的嵌入式系統(tǒng)顯然已經(jīng)超越了數(shù)年之前的PC平臺。從軟件方面分析，很顯然已經(jīng)形成了成熟的操作系統(tǒng)，例如Symbian，Linux，WinCE。在完善的操作系統(tǒng)的基礎上其他的一些應用程序同樣也凸顯出來，比如字處理，圖像處理以及視頻、音頻和游戲處理或者網(wǎng)頁瀏覽等，這些程序的復雜性乃至功能性可謂相較PC軟件只增不減。原本那些大部分選擇使用專用硬件及系統(tǒng)的公司也開始慢慢從各方面轉(zhuǎn)換思路，憑借出色且廉價的硬件完善操作系統(tǒng)為基礎，利用軟件代替之前專用硬件能夠完成的所有功能，以達到更高成本及低成本的可變更及可維護性[1]。

2我國嵌入式技術及應用現(xiàn)狀

自從20世紀嵌入式系統(tǒng)概念提出之后，它就憑借自身高性能、低功耗、低成本、小體積的優(yōu)勢，收獲了前所未有的發(fā)展，但也因為受到當時硬件水平制約的緣故，使得嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)方式以及以PC為主要代表的通用型計算機軟件開發(fā)方式從一開始的時候就存在差異性。起初的嵌入式系統(tǒng)硬件僅僅只是一個基于8位數(shù)的簡單系統(tǒng)，而且系統(tǒng)硬件設計者也往往都是其開發(fā)者，編程語言大部分都是以匯編語言為主的，硬件設計人員在設計硬件系統(tǒng)的時候往往會綜合考慮到程序的編寫問題，但在實際程序設計時，又必須考慮到硬件的配合，所以，對于嵌入式軟件的編程開發(fā)，相關都非常了解系統(tǒng)底層軟、硬件各部位細節(jié)。鑒于軟硬件開發(fā)條件的制約，通常情況下這些系統(tǒng)都是用于實現(xiàn)一個或者多個簡單數(shù)據(jù)的采集控制的，并且其程序的控制結(jié)構也大多以簡單的控制循環(huán)為主，并且配合中斷服務以實現(xiàn)呼應外界請求，不予采用操作系統(tǒng)，因此，開發(fā)人員在計算機操作系統(tǒng)的軟件開發(fā)工具理解掌握方面有一定的局限性。另外，有一大群人則更感興趣以MicrosoftWindows、Linux為代表的操作系統(tǒng)，他們深深沉陷于操作系統(tǒng)應用程序的開發(fā)當中，他們的興趣點在于怎么樣使用像VC、VB、Java一類的高級編程語言，關心在操作系統(tǒng)中如何更加復雜且精彩地進行應用，卻疏于對系統(tǒng)中硬件細節(jié)問題的關心。立足傳統(tǒng)意義上的觀點進行考慮，通常我們都把前者歸結(jié)為硬件開發(fā)人員，但對于后者則常常稱為是軟件程序員。

在很長一段時間內(nèi)，此二者幾乎都是井水不犯河水，都存在各自的應用和開發(fā)領域。隨著計算機軟硬件技術的快速發(fā)展，人們在這方面的應用需求也越來越高，尤其在伴隨著人們對以ARM、PowerPC、MPS等高性能嵌入式微處理器的普遍使用，使傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)概念出現(xiàn)了大幅度的變化。我們以基于8位數(shù)的嵌入式系統(tǒng)為舉例，當應用系統(tǒng)面對人們越來越復雜的使用需求，并且這種要求范圍越來越廣泛時，系統(tǒng)每增加一項新功能，都會引起應用軟件結(jié)構方面的變化，或者是需要重新進行設計，但這種問題是在基于操作系統(tǒng)的通用型計算機則就小很多，很明顯，嵌入式系統(tǒng)軟件最大的缺陷就體現(xiàn)在它不具備操作系統(tǒng)的支持，但也限于8位機系統(tǒng)比較有限的運算能力或存儲容量的限制，不能夠支持操作系統(tǒng)的整體化運行，對此，即便很長一段時間內(nèi)人們已經(jīng)認識到了這個問題，并沒有找到好的解決方法。自20世紀九十年代后，對于嵌入式系統(tǒng)的設計人們提出了“片上系統(tǒng)”的概念，現(xiàn)階段的嵌入式系統(tǒng)設計已經(jīng)步入了以Soc為核心的階段，很明顯，Soc為高性能的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)提供了廣闊的平臺，但它所具備的極其強大的運算能力或存儲能力，卻能夠支持極其復雜的嵌入式操作系統(tǒng)的運行。嵌入式系統(tǒng)軟件是繼嵌入式微處理器性能不斷發(fā)展之后才慢慢發(fā)展起來的，近幾年隨著嵌入式系統(tǒng)軟件應用領域的擴大，究其原因主要在于嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)復雜度的提高，再加上嵌入式微處理器的推廣應用，為其嵌入式系統(tǒng)軟件的硬件平臺的運行提供了保障。另外目前在嵌入式系統(tǒng)軟件使用過程中種類繁多，而占據(jù)市場份額較高的有Linux、WindowsCE、VxWorks、QNX、eCos、uC/OSII等。確切地說，嵌入式操作系統(tǒng)可以劃分為兩大類，即商業(yè)級嵌入式操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)通常都是在經(jīng)過比較長的一段時間的使用過后，由部分大公司進行開發(fā)并進行維護，并且其在使用性能方面也都具備較好的保證，比如WindowsCE，VxWorks，QNX等，但這些系統(tǒng)有一個共同的缺陷就是價格昂貴，并且也都不公開核心代碼，單從這一點來說，它是違背嵌入式系統(tǒng)用戶定制性較強且升級換代快的特點的。也正是因為如此，它的應用范圍才受到了限制。還有一類屬源代碼開放的嵌入式操作系統(tǒng)，像是Linux、eCos和uC/OSII等，即使此類系統(tǒng)從技術支持或服務方面存在缺陷，但對于開發(fā)人員來說要求卻比較高，同時也因為用戶可定制性好且具備可持續(xù)開發(fā)的優(yōu)勢，當下對于它的應用相較于商業(yè)嵌入式系統(tǒng)來說更多一些。

3嵌入式系統(tǒng)的應用

3.1電子設備

嵌入式系統(tǒng)的應用實質(zhì)上屬于一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定的應用設計出來的專用計算機系統(tǒng)，”嵌入式系統(tǒng)同時為控制、監(jiān)視及輔助設備和機器或者是用作工廠運作的設備儀器。相較于普通的計算機系統(tǒng)不同點在于，嵌入式系統(tǒng)軟件一般執(zhí)行的屬附帶特定要求的預先定義的任務。又因為嵌入式系統(tǒng)軟件僅針對某一項特定的特殊任務，因此設計人員只能將其優(yōu)化，并且減小尺寸并降低其成本。一般嵌入式系統(tǒng)都會進行大批量生產(chǎn)，因此單個生產(chǎn)成本就會節(jié)約很多，可以隨著產(chǎn)量大小呈數(shù)以千計的倍數(shù)不斷放大。嵌入式系統(tǒng)軟件具體是用于控制或監(jiān)視機器、裝置和工廠等比較大規(guī)模的設備系統(tǒng)的。國內(nèi)比較普遍地為嵌入式系統(tǒng)定義為：以應用為中心，以計算機技術作為基礎，并且軟硬件都可以裁剪，適合應用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本和體積以及功耗等嚴格控制的專用計算機使用系統(tǒng)，它的應用范圍非常廣泛。我們生活中使用的家庭自動化產(chǎn)品和家用電器、手提電話及自動柜員機（ATM）等都有應用[2]。

3.2信息家電

此為嵌入式系統(tǒng)應用范圍最廣的一個領域，日常我們常見的冰箱、空調(diào)等家用電器的智能化和網(wǎng)絡化將會把人們帶入一個新的生活空間。即便家中沒人，通過電話線、網(wǎng)絡也可以進行遠程控制，嵌入式系統(tǒng)在這些設備中將會發(fā)揮出其極大的功用。

3.3環(huán)境工程

用于水文資料的實時監(jiān)測、應用于防洪體系和水土質(zhì)量監(jiān)測，堤壩安全，地震監(jiān)測網(wǎng)，及實時氣象信息網(wǎng)，水源以及空氣污染監(jiān)測。于很多惡劣環(huán)境下，并且地況較為復雜的地區(qū)，嵌入式系統(tǒng)都可以進行無人監(jiān)測。

3.4POS網(wǎng)絡及電子商務

公共交通不具備智能發(fā)卡系統(tǒng)，公共電話卡發(fā)行系統(tǒng)，或者自動售貨機以及各種終端智能ATM機等都會慢慢進入人們的日常生活。

3.5家庭智能管理系統(tǒng)

嵌有專用控制芯片會逐步替代水、電、燃氣表的遠程自動抄表以及防盜系統(tǒng)人工檢查工作，而且能發(fā)揮出它更高、準確度更高且安全性能更好的性能。在當前的服務領域，包括像遠程點菜器等都已經(jīng)慢慢彰顯出了嵌入式系統(tǒng)的應用優(yōu)勢。

3.6工業(yè)控制

目前嵌入式芯片的工業(yè)自動化設備在未來將收獲一片光明的發(fā)展前途，當前也已經(jīng)有大量的8位、16位以及32位嵌入式微控制器被廣泛應用到工業(yè)控制當中。而網(wǎng)絡化則成了提升產(chǎn)品的生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量并且減少人力資源的核心途經(jīng)，比如工業(yè)過程控制和數(shù)字機床以及電力系統(tǒng)與電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設備監(jiān)測和石油化工系統(tǒng)等等。

3.7機器人

嵌入式芯片的應用和發(fā)展更加凸顯出了機器人微型化且高智能的優(yōu)勢，而且還會更大幅度使機器人的價格再度降低，促進其更加廣泛地應用于工業(yè)及服務業(yè)等諸多領域。

3.8交通管理

嵌入式系統(tǒng)技術也被廣泛應用于車輛導航、流量控制和信息監(jiān)測以及汽車服務方面，并且其內(nèi)部嵌有CPs模塊，GSM模塊的移動定位終端當前也被成功地應用于各種運輸行業(yè)。

3.9軍用

戰(zhàn)爭中用于各種武器控制（火炮、導彈、智能炸彈導引爆裝置）、坦克、艦艇、轟炸機等各種陸?？哲娪秒娮友b備，雷達、電子對抗軍事通信裝備和野戰(zhàn)中指揮作戰(zhàn)使用的作戰(zhàn)裝備等等。

4結(jié)束語

綜上所述，嵌入式系統(tǒng)軟件設計技術的出現(xiàn)在未來幾十年里將會普遍地出現(xiàn)在我們的生活中，它將會為我們的學習、工作和生活帶來更多的便捷，也會將我們帶入一個高質(zhì)量的生活狀態(tài)。

作者：盧增寧 單位：宿遷澤達職業(yè)技術學院