嵌入式系統(tǒng)的研究與運用

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1嵌入式系統(tǒng)的組成

嵌入式系統(tǒng)是集操作系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件和專用硬件平臺與一身的專用的計算機系統(tǒng)。簡單的說就是系統(tǒng)的軟件與硬件一體化。相對與計算機系統(tǒng)來說，嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺是專門定制的，其特點是功耗低、體積小；軟件方面，嵌入式系統(tǒng)代碼量小，系統(tǒng)高度自動化、響應(yīng)速度快。特別適合于一些要求實時性高、多任務(wù)、且數(shù)據(jù)運算量不大的場合，如工業(yè)控制、智能家居、智能機器人等領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)分為硬件和軟件兩部分。

1.1嵌入式硬件

硬件方面，嵌入式處理器是整個硬件平臺的核心，可分為幾大類：嵌入式微處理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP處理器和片上系統(tǒng)。而嵌入式微處理器以其操作系統(tǒng)的良好支持、極強的事務(wù)管理能力和應(yīng)用程序支持等特性，從幾種處理器中脫穎而出，成為了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者們的首選。最具代表性的便是以ARM為核心的各類微處理器，其在全球手機芯片的市場份額已超過90%，并且在其他行業(yè)也在進行不斷擴展。此外，還有MIPS、x86架構(gòu)的處理器，也具有各自的特點。在處理器的外圍，開發(fā)者根據(jù)實際的應(yīng)用需要，進行各個模塊的開發(fā)擴展，一般嵌入式系統(tǒng)需要的模塊主要有內(nèi)部/外部存儲器（RAM，F(xiàn)lash等）、串口、各類傳感器、控制器等，有些還有圖形輸出（如LCD）控制器。再在處理器周圍加入時鐘系統(tǒng)、電源系統(tǒng)，就實現(xiàn)了嵌入式硬件平臺的搭建。

1.2嵌入式軟件

軟件部分主要分為兩層：系統(tǒng)層與應(yīng)用層。系統(tǒng)層，是包含了板級支持包（BSP）、經(jīng)裁剪后的操作系統(tǒng)內(nèi)核與文件系統(tǒng)的一系列軟件的集合。板級支持包主要實現(xiàn)了硬件對操作系統(tǒng)支持，它與操作系統(tǒng)的驅(qū)動程序緊密相連，使操作系統(tǒng)能夠訪問硬件資源。而操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)則是提供給用戶操作環(huán)境和系統(tǒng)管理工具，以及提供應(yīng)用程序一個運行的環(huán)境。使用較多的嵌入式操作系統(tǒng)有嵌入式Linux、WinCE、VxWorks、uC/OS-II等，其中嵌入式Linux系統(tǒng)較其他系統(tǒng)而言，具有硬件平臺支持廣泛、內(nèi)核運行穩(wěn)定、代碼開源、價格低廉的優(yōu)勢。在系統(tǒng)層之上，開發(fā)者可根據(jù)操作系統(tǒng)提供的接口進行各類應(yīng)用程序的開發(fā)。

2嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程

嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，在進行開發(fā)之前，首先需要做的是客戶需求分析，確定產(chǎn)品的功能、成本、指標參數(shù)。在此階段，開發(fā)者除了確認客戶明確提出的要求之外，還應(yīng)對隱性需求進行分析，如在功能上是否需要優(yōu)化或擴展，是否在將來需要更新?lián)Q代等等。深度的隱性需求分析能夠為開發(fā)者在之后的研發(fā)過程中省去不少時間和精力。根據(jù)需求分析的結(jié)果，對處理器、功能模塊、操作系統(tǒng)和開發(fā)環(huán)境進行選型，制定出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和軟件流程圖，并根據(jù)資金、人力實際情況安排研發(fā)的進度。開發(fā)過程分為硬件和軟件兩個部分，相互并行執(zhí)行，硬件設(shè)計主要包括硬件功能模塊設(shè)計、原理圖繪制、PCB制板、元器件焊接與調(diào)試等。軟件設(shè)計主要包括軟件功能設(shè)計、編碼和調(diào)試。嵌入式系統(tǒng)在應(yīng)用上具有專一性，軟硬件協(xié)同設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。在針對具體應(yīng)用系統(tǒng)的功能目標分析基礎(chǔ)上，分解整個系統(tǒng)的各項功能指標和技術(shù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的實時響應(yīng)要求、接口功能定義與標準、嵌入芯片的處理能力、編程語言、開發(fā)環(huán)境、產(chǎn)品的升級與維護問題、開發(fā)投入能力、產(chǎn)品綜合成本等多方面因素進行權(quán)衡考慮。

3嵌入式行業(yè)的前景

當整個IT行業(yè)前進的步伐邁入第三個十年的時候，物聯(lián)網(wǎng)、云計算儼然已成為信息產(chǎn)業(yè)的主旋律，而這些產(chǎn)業(yè)應(yīng)用技術(shù)中最核心、最關(guān)鍵的部分正是嵌入式系統(tǒng)。隨著嵌入式技術(shù)的廣泛應(yīng)用和高速發(fā)展，IT行業(yè)的發(fā)展也勢不可擋地進入了嵌入式時代。嵌入式產(chǎn)品正在以非常迅猛的速度滲透到各個行業(yè)、各個領(lǐng)域，并且進入了我們的生活。大到通訊基站、航天衛(wèi)星、工業(yè)控制，小到手機、平板電腦、智能家居，智能化嵌入式產(chǎn)品已在其中占據(jù)著不可替代的重要地位。

3.1從事嵌入式開發(fā)的優(yōu)點

隨著智能化電子行業(yè)的迅猛發(fā)展，嵌入式行業(yè)憑借其“應(yīng)用領(lǐng)域廣、人才需求大、就業(yè)薪資高、行業(yè)前景好”等眾多優(yōu)勢無疑已成為當前最熱門、最有發(fā)展前途的行業(yè)之一，與此同時，嵌入式研發(fā)工程師更是日益成為IT職場的緊缺人才。嵌入式不是一項純軟件或者純硬件方向的技術(shù)，而是軟件與硬件的結(jié)合，行業(yè)知識覆蓋面非常廣。從事嵌入式開發(fā)工作，一般是從嵌入式應(yīng)用開發(fā)做起，隨著項目經(jīng)驗的增加，可以選擇逐步向驅(qū)動程序、硬件設(shè)計發(fā)展，不斷學(xué)習(xí)新的知識。

3.2從事嵌入式開發(fā)的難點

嵌入式行業(yè)的入門起點較高，除了要求開發(fā)者精通C語言、對操作系統(tǒng)的編程接口有一定理解，在硬件方面還要求能看懂硬件原理圖，一般非專業(yè)IT人員很難切入這一領(lǐng)域。另一方面，目前嵌入式的發(fā)展迅速，技術(shù)更新快，對開發(fā)者能學(xué)習(xí)能力要求自然很高，需要開發(fā)者能夠迅速學(xué)習(xí)新的知識并將其用于實際項目中。

4結(jié)語

信息時代數(shù)字時代使得嵌入式產(chǎn)品獲得了巨大的發(fā)展機遇,也為嵌入式市場展現(xiàn)了美好的前景，同時也對嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)者提出了新的挑戰(zhàn)。開發(fā)出的產(chǎn)品除了應(yīng)具有獨特的創(chuàng)新功能外，開發(fā)者還應(yīng)遵循一定的原則，只有這樣，才能使嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)事半功倍。另外，嵌入式系統(tǒng)一般都具有不同于大型軟件系統(tǒng)的具體要求，如實時性、可靠性、能耗（如電池供電）要求等，因此在實現(xiàn)系統(tǒng)時還應(yīng)根據(jù)開發(fā)者的經(jīng)驗進行特別處理。

本文作者：賈崢工作單位：重慶理工大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院