基于单片机的嵌入式系统的开发研究

魏娟

【摘 要】 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，希望可以使单片机的操作运行实现集成化发展。

【关键词】 单片机；嵌入式系统；操作系统

【中图分类号】G64.23 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）22-00-01

1、嵌入式操作系统的定义

单片机是在嵌入式系统程序应用的基础上产生的，它就是其该系统的主控单元。其大部分软件的应用性都非常的广泛，不是凭空制造出来了，都有很强的目的性。在与其他程序做对比时，它把其他的程序的一些无关紧要的功能都剔除了，做到了简单，但是功能非常的强大，只有一个微内核。外加上该程序的嵌入性和专用性等特点，使得应用程序与操作系统处于同一个空间，使得操作系统和应用程序融为一体。这个时候存储管理模块非常的简单。就成了人们熟知的微内核。

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。

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。

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）.

[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）.