嵌入式系统的应用与开发

郑晓霞　曹剑英　刘凌云

摘要：嵌入式技术具有很强的应用价值，近年许多人开始对这类技术进行研究，就是为了使这类技术更具实用性，应用领域更广，也使得这类技术能在科技进步中不断得到优化发展。文中对嵌入式技术概述、系统的设计原则以及软件的特点等方面内容进行了分析。

关键词：嵌入式技术；软件特点；设计原则

中图分类号：G648 文献标识码：B 文章编号：1672-1578（2016）02-0001-01

1.嵌入式系统中的应用现状

就目前而言，中国嵌入式系统市场进入快速增长期。在过去几年和未来几年，为几乎所有的电子设备的嵌入式系统的发展注入了新的活力，由于飞速发展的互联网趋势和微处理器以廉价的形式出现使嵌入式系统在我们日常的生活中形成一个更大的应用领域。中国嵌入式系统的主要客户集中在消费电子，通信，医疗，安防等行业。中国目前的嵌入式系统市场，几大热点应用领域包括：汽车和电力系统的电源管理，高清晰度数字电视和数字机顶盒，智能手机与智能工业设备，终端和联网能力。嵌入式工业设备将融入更多的智能功能，如通信和网络，并在汽车电子市场，医疗电子市场，机械和电子产品市场，视频电子市场和数码电子产品市场已越来越广泛的应用。

1.1 消费类电子产品。环球资源2004年联合研究，这项报告显示，在亚太地区的嵌入式系统最迫切的需求行业是消费电子行业。近年来FPGA技术的飞速发展和广泛的应用程序和嵌入式消费类电子产品。全球数字和高清晰度广播和电视传输标准，游戏和多媒体娱乐系统，液晶和等离子显示技术，家庭DVR和DVD-W技术，汽车驾驶室娱乐系统和GPS导航系统，信息，通信和安全系统及其他持续上升的需求和应用，标志着前者在消费类电子产品是普遍深入人们的生活。

1.2 汽车和动力系统，智能电源管理技术。随着搭载CPU的汽车电子设备要求电源电压变得更加多样化，需要更低的电压和更强大的功能，电源管理也变得越来越重要，电源管理的要求也在不断变化。汽车电子设备变得更大，屏幕分辨率变高，但在同一时间，其规模要小得多。所有这些新的应用程序将需要高集成度，高性能，高效率的电源管理。车载电源延长便携式设备的电池寿命，它也需要设法消除自动开关电源敏感电路的干扰。电力系统，变电站点多面广，以及减员增效适应现代管理要求的，有很大一部分的无人值守变电站，同时也为基于嵌入式Web服务器的配置管理技术的设备提供了良好的条件。可以大大减少劳动力，设备运行，设备管理，及时了解变电站运行信息，设备故障的处理也更迅速和有效。随着国家电网的发展，基于嵌入式Web服务器设备的维护比基于传统的拨号远程维护方法更有利。

1.3 工业控制嵌入式设备。全球各行业各领域迅速发展时，在中国工业控制领域，医疗电子市场，与国民生产总值，机械和电子产品市场，视频和数码电子产品市场的电子产品市场，航空航天，运输相关的嵌入式应用程序也快速增长起来。近年来，嵌入式网络解决方案，已经发生了重大的变化：首先是小设备，如手持式扫描仪；其次是具有更高的网络传输速度和便携无线功能要求；需求再度降低功耗；最后需要进行数据安全和加密。

2.嵌入系统的设计原则

嵌入系统设计具有很强的针对性，软硬件协同设计是系统设计的关键。需解决好软硬件的同步与集成设计问题，要结合具体应用进行综合考虑，保证设计工作的一致性与正确性。在针对具体应用系统的功能目标分析基础上，分解整个系统的各项功能指标和技术要求，结合系统的实时响应要求、接口功能定义与标准、嵌入芯片的处理能力、编程语言、开发环境、产品的升级与维护问题、开发投入能力、产品综合成本等多方面因素进行权衡考虑。

2.1 在明确系统性能需求的基础上，细化以下考虑因素。

2.1.1 系统功能实现手段的软硬件分配。

2.1.2 器（部）件选择和系统构建。包括微处理器芯片、外围接口电路、各种驱动电路形式、器部件类型、前后向通道处理方式、人机界面和手段等。

2.1.3 控制算法设计以及软件系统的架构形式。

2.1.4 语言选择。依据设计者熟练程度和习惯、开发环境和控制功能要求选取。

2.1.5 抗干扰问题的解决与设计。包括软件的和硬件的、常规的和特定的。

2.1.6 实现工艺和方式。包括印制板设计、走线安装、装配工艺、新材料或新技术的应用等。

在各实施阶段，对项目进度、关键技术的风险因素必须进行审查评估，评价软一硬件的功能设计与分配，以及实现的技术性能、工作量和时间进度。明确电路之间的接口参数、软一硬件功能衔接，以及项目中存在的问题和缺陷，及时发现关键部位或矛盾突出点的瓶颈问题，将隐患排除在早期设计阶段。

2.2 嵌入系统中微处理器选择应考虑。

2.2.1 MCU的算术、逻辑处理能力；运算速度和时钟频率；总线控制功能、中断方式和仲裁机制；RAM和FLASHROM容量；软件加密保护。

2.2.2 外围接口功能的可重构配置能力；数据通讯模式；前后向通道类型；端口电压的适应能力等；

2.2.3 开发工具的在线调试或仿真能力；FLASH代码读写环境；编程语言的支持程度；代码的可移植性等。

2.2.4 电源电压；功耗等。

3.嵌入系统的软件特点

嵌入式系统是可利用资源有限、专用性很强、实时性要求也很高的应用控制系统。故在软件设计方法和实现手段上，嵌入系统软件同PC机软件存在很大差异，主要表现在：

3.1 实时性的控制方法。PC软件提升速率方法，极大依赖处理器性能提升，还体现在缓存方案、动态分配等技术手段上。但在嵌入式系统中应用这些技术就存在硬件资源不足、工作频率低的现实问题，会降低系统的可靠性。

3.2 特定的异构特征。嵌入式控制软件设计既要考虑特定的硬件固有部分，也要考虑来自系统之外的各种通讯、传感器的专用信号处理接口，以及不同控制目标的实时期望和执行机构的异步并发事件处理能力。因此不同的硬件系统或控制目标，将会产生不同的系统构建方案。

3.3 系统的性能目标。编写嵌入式软件必须着重考虑与硬件系统相匹配的功耗、不间断运行、故障恢复、高可靠性等方面的约束条件，实现特定应用环境下的控制功能、实时性响应的目标要求。因此，嵌入系统要在借鉴通用软件技术，遵循软件工程理论，规范软件开发过程的同时。还应根据嵌入式系统特点研究开发技术和算法结构，提高开发效率，确保系统软件的质量和可靠性，以及软件的复用性、可移植性和易维护性。纵观嵌入式软件设计方法的发展历程，走过了从结构化设计、面向对象设计、基于构件的设计阶段，经历了单任务到多任务的系统转变。

4.结语

嵌入式技术的应用与发展对社会生产、人民生活都有着不同寻常的影响，为了更好的发展嵌入式计算机技术，必须要紧跟世界先进科学技术的发展，适时调整、完善自身的嵌入式计算机技术水平，以期能在不久的将来，使嵌入式计算机技术能在更多的领域中得到应用，实现其最大化的综合效益。

参考文献：

[1] 庞春辉，王德山. 嵌入式计算机技术及其应用研究[J]. 电子制作，2013，04：74.

[2] 李文. 嵌入式计算机技术及应用初探[J]. 电子测试，2014，06：105-107.