基于单片机的嵌入式系统开发及实践要点研究论述

张志

摘要：嵌入式系统是以计算机技术为核心设计的一种专用系统，可以实现可编程控制系统的远程传输以及检测等功能。分析嵌入式系统的设计思路，研究在系统开发的过程中如何让软件编码有效实现其功能，希望可以有效提高单片机的运行性能。

关键词： 单片机；嵌入式系统；操作系统；微内核结构

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）01-0258-02

单片机的嵌入式系统可以实现单片机的远程调度、远程控制、通信信息同步以及资源储存管理等等，嵌入式系统是以计算机技术为核心的专用系统，在开发过程中需要以计算机操作系统作为平台。近几年随着我国科学技术的发展，嵌入式系统的应用越来越广泛，但是单片机的嵌入式系统目前还没有完整的开发方法。通过对嵌入式系统的设计思路进行分析，研究基于单片机的嵌入式系统开发及实践要点，希望可以使单片机的操作运行实现集成化发展。

1 嵌入式系统简介及其发展状况

嵌入式系统是以计算机技术为核心的专用系统，主要由嵌入式处理器、外围硬件设备和操作系统共同组成，可以实现对设备的控制、操作和管理。嵌入式系统的核心主要是嵌入式处理器，可以将外围功能全部集成在一块芯片上，实现了系统的集成操作。嵌入式系统需要根据设备的运行环境来定制，有效地提高了设备运行效率。随着互联网技术的发展，嵌入式系统必须要实现网络互联，在系统上安装各种网络接口，实现嵌入式系统的网络发展。

我国嵌入式系统的开发仍然处于初级阶段，在嵌入式系统微内核、集成软件方面都存在很多问题，另外嵌入式系统的体积比较小，所以存储容量不是特别大，在开发过程中需要对其存储功能方面进行改进，以便满足复杂化的应用需求。基于单片机的嵌入式系统开发，可以提高我国PLC使用性能，使PLC的使用可以满足更多功能需求。

2 基于单片机的嵌入式系统开发设计

嵌入式系统的设计需要以计算机技术为基础，利用CAD软件和PCB软件对系统进行设计，在设计过程中，要根据嵌入式系统需要实现的功能，将功能进行细致区分，划分成不同的模块，对各个模块来分配具体的功能。嵌入式系统的设计就是根据实际使用过程中的性能参数需求，对相关的元件进行组合划分，以便达到最佳的使用效果，所以不同设备应用的嵌入式系统在功能上都是不同的。在设计过程中需要将系统内的资源进行调配，并编制具体的应用编码，使系统实现相应的功能。

基于单片机的嵌入式系统在进行设计时，要使嵌入式系统具有实时控制和信息处理能力，所以需要将数据存储器和网络接口等全部集成在一块芯片上，实现单片机的远程控制、信息同步、资源存储等功能。

基于单片机的嵌入式系统在设计过程中，可以将应用与驱动的接口设置为统一的接口，使嵌入式系统的应用软件实现标准化设计，也方便了在多个单片机之间重复使用。在对驱动程序和硬件组成进行设计时，可以利用EDA工具进行模拟调试开发，将设计程序在EDA工具上进行模拟运行，保证了嵌入式系统程序设计的合理性，缩短了系统开发时间。

在单片机嵌入式系统软件开发的过程中，可以先将程序的运行流程和运行逻辑进行测试，分析嵌入式系统运行的状态，以及各类访问周期信息。这些信息的测试可以使系统的调试阶段更加顺利。利用EDA工具对单片机嵌入式系统进行开发，降低了开发人员的工作难度，在计算机软件开发完成后，直接将软件移植到嵌入式系统中，基于单片机的嵌入式系统即为开发完成。

3 基于单片机的嵌入式系统微内核

3.1 嵌入式系统的微内核结构

嵌入式系统的微内核结构主要由两个部分组成，分别是资源管理调度系统和硬件映射系统。资源管理调度系统可以对单片机的控制程序进行存储，并实现单片机与计算机的通信功能。硬映射系统可以将单片机的硬件结构映射在操作平台上，实现单片机的系统功能。微内核结构降低了单片机整体的运行负担，并提高了内核的集成性能，使单片机嵌入系统的移植性能和扩展性能都得到了极大程度的提高。单片机嵌入式系统的微内核一般没有shell以及图形用户接口，所以嵌入式微内核的部分功能是可以去掉的；嵌入式系统微内核的操作系统和应用程序不是特别明确，也可以说操作系统也属于应用程序中的一部分；嵌入式系统微内核的内存容量比较小，存储模块非常简单，一般都是使用实际的物理地址，所以结构比较简单。嵌入式微内核的任务划分不是特别详细，很多操作人员都具有可预见性。

3.2 微内核结构对单片机系统整体性能的影响

微内核结构虽然提高了单片机嵌入系统的移植性和扩展性，但是随着单片机系统越来越复杂， 使微内核的体积不断增加，影响了单片机的整体性能，降低了嵌入式系统在单片机中的通用性。使用者在使用单片机的过程中是利用远程设备来进行操作，在操作过程中，微内核全程参与，对大量数据进行频发拷贝，增加了单片机运行系统的负担，同时嵌入式微内核受到传统操作内核的限制，会对单片机的操作系统带来不利影响，所以需要对嵌入式微内核的性能进行改进，以便提高单片机的运行效率。

单片机在运行过程中，嵌入式微内核是基于时钟对内部模块进行控制，当单片机运行时，可以自动提取微内核内的运行程序，同时也可以自行书写，提高了嵌入式系统的扩展性能， 使嵌入式微内核的通用性得到了极大的提高。微内核结构中各个系统服务全部由内核进行控制，主要利用消息机制进行通信，所以微内核核心性能的优劣主要取决于系统通信开销的大小，为了保证微内核结构的能效，需要对单片机的系统程序库进行优化，保证嵌入式的应用程序可以直接对库内程序进行使用，这种结构有效地提高了单片机嵌入式系统的可扩展性和可裁剪性，使微内核的使用灵活性大大提高。

4 基于单片机嵌入式系统编码程序的实现

在单片机嵌入式系统编码程序的开发过程中，需要对单片机的使用环境进行分析，确定单片机具体的使用需求，再针对相应的功能需求进行程序设计。程序设计需要经过结构设计、程序编写、编码功能实现、集成检测等几个步骤，嵌入式系统编码程序的开发与普通的软件开发没有太大差异，但是嵌入式系统编码程序的开发属于跨平台的编码开发，编码程序需要直接对设备进行操控，所以对于程序准确性要求比较高，对整个编码过程的时序要求也异常精准。很多单片机的运行不能对运行过程进行重现，所以编码程序的开发要求特别高，为了保证程序开发的有效性，需要在程序不同的设计阶段使用不同的工具包。对单片机初期运行阶段的程序进行设计时，可以利用电路模拟器，分析单片机程序输入端和输出端，避免单片机电路运行不稳定造成程序编写的混乱，同时开发人员也能清晰的观测到整个设备的运行过程，避免程序编写需要从最底层进行预设计。

目前我国单片机的嵌入式系统开发越来越成熟，开发环境逐渐完善，使嵌入式系统的功能也更加全面。在对嵌入式系统进行开发时，可以利用程序编辑器、连接设备、编码运行模拟器、调试仪器进行嵌入式系统的虚拟开发。开发人员可以忽略掉单片机的使用环境，直接进行嵌入式系统软件的开发。硬件的开发可以单独进行，嵌入式系统硬件开发完成后，利用网络串口将软件模型直接传输到硬件系统中即可，节省了硬件开发完成后的调试时间，优化了单片机嵌入式系统的开发环境，使单片机嵌入式系统编码程序能够更好的实现。

基于单片机的嵌入式系统在实践过程中要采用相应的抗干扰措施，避免对嵌入式系统的硬件和软件造成干扰。在硬件抗干扰方面可以利用光电耦合器来进行控制电路的切断，实现电磁隔离功能，降低电磁对嵌入式系统硬件的影响，也可以将金属箱体对嵌入式系统进行隔离，消除外界的电磁干扰。利用指令冗余技术也可以对嵌入式系统的软件操作进行调节，避免嵌入式程序出现跑飞现象，影响嵌入式系统软件程序的正常运行。

5 基于单片机的嵌入式系统功能测试和网络扩展

5.1 梯形图指令测试

单片机主要应用于工业自动控制装置上，所以单片机的主要使用人员为电气技术人员，在对单片机嵌入式系统功能进行测试时，可以利用梯形图语言以及相关的逻辑功能图和逻辑方程进行测试。例如在对工业运料小车进行控制时，运料小车在A点进行装料，运送到B点，至B点之后小车继续返回到A点，小车在运行过程中可以自动和手动的进行控制（如图1所示）。

图1 运料小车往返行进示意图

在小车行进过程中，为了满足相关的自动和手动控制，需要对小车进行I/O指令分配，该套行进流程内需要设置2个启动按钮和行程开关，并设置1个总启停按钮，对运料小车的

往返运行进行实时控制，小车的运行一共需要设置9个I/O控制点，如图2所示为I/O控制点的实际接线图。

图2 小车往返运行I/O控制点实际接线图

按照此接线图来实行小车的往返运行控制可以保证小车的运行逻辑正确，保证了单片机嵌入式系统运行的平稳，所以证明了嵌入式系统可以满足单片机的运行需求。

5.2 单片机嵌入式系统的网络扩展

在对单片机嵌入式系统进行网络扩展，可以将不同的设备全部连入同一个网络进行设备操作，实现了单片机之间的通讯互联，以便企业对单片机嵌入式系统进行集中管理。在进行网络扩展时可以进行CAN网络扩展。CAN网络是一种主从结构网络，主从结构网络是指系统中具有主节点和从节点，主节点主要负责发布执行命令，而从节点可以接受命令进行具体的操作。通过对主节点的网络状态进行监控，可以对整个单片机嵌入式系统的工作状态进行监控，准确发现单片机的运行状态，保证单片机嵌入式系统的正常运行。

6 结论

单片机嵌入式系统的开发与实践已经成为了嵌入式系统 （下转第262页）

（上接第259页）

的研究核心，随着单片机的应用逐渐普及，嵌入式系统的开发也越来越重要。通过对嵌入式系统开发设计和嵌入式系统内核进行分析，研究单片机嵌入式系统编码程序的实现，希望可以提高单片机运行性能，实现单片机的集成化发展。

参考文献：

[1]孟江，李丽，高屹. 单片机嵌入式互联网技术及系统开发研究[J]. 电子技术与软件工程，2015（3）：264.

[2]田亮，林永君，王炳谦. 单片机及嵌入式系统课程实践化特色化教学改革[J]. 轻工科技，2012（2）：164-165.

[3]冯川放. 基于仿真开发平台实现单片机与嵌入式系统的设计[J]. 常州工学院学报，2011（2）：9-12.