单片机在嵌入式系统软件的应用情况

李容

摘  要：单片机是一种高度集成的电路芯片，被广泛应用到工业控制领域。近年来，将其应用在嵌入式系统软件中，发挥核心作用。文章对其发展情况展开论述，并研究单片机技术的应用范围以及工作原理。目的在于提高单片机的工作性能，促进单片机嵌入系统的整体发展。

关键词：嵌入系统;单片机技术;核心角色;应用范围

中图分类号：TP311         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）33-0170-02

Abstract： Single chip microcomputer is a highly integrated circuit chip which has been widely applied to industrial control field. Recently， it plays a key role in embedded system software. This paper discusses its development situation and studies the application scope and working principle of SCM technology， aiming to improve the performance of MCU and promote the whole development of MCU embedded system.

Keywords： embedded system; MCU technology; core role; application scope

1 单片机在嵌入式系统软件中的应用背景

随着革新科技的飞速发展，嵌入式系统软件迅速普及。然而嵌入式系统的发展过程中，各种新的需求逐渐显露，尤其是日益增大存储需求，与高速下载的通信需求。嵌入式系统软件因其个性化及人性化特点，广受客户青睐。然而由于市场体量的的不断增大，竞争趋于白热化状态。但是由于我国嵌入式软件外部接口发展缓慢，以至于现有的内存难以满足日益发展的科技需求，这就需要将单片机应用到嵌入式软件系统中，以便扩大内存。由于芯片技术有着成熟的技术工艺，涵盖了功能完善的SOC层，它高度的集成能力与丰富的接口，让嵌入式软件系统看到了希望。然而，芯片的研发需要巨额的资金支撑，以至于其生产研发，让诸多企业望而却步，逐渐在激烈的竞争市场失去一席之地。相比高集成的芯片，单片机的计算能力较差，但胜在其价格低廉、易研发，这就导致其能够根据市场的不断调整，快速反应，积极调整需要研发的功能。这是单片机相比芯片，在市场竞争中的优势所在。单片机能够基于SPI接口与外围设备，设计拓展功能。即将单片机应用到前嵌入式软件系统中。单片计算机可以利用SPI，将所需功能积聚在CPU上，并利用单片机来拓展该软件的各项功能。

嵌入式软件系统，是指利用成熟的移植技术，将外部功能复制到系统内部，确实外部设备能够顺畅的运行，实现智能化控制，达到自动化水平。嵌入式软件系统相比传统软件系统优势明显，主要表现在：

（1）小巧精致。嵌入式软件系统主要应用在工业设备上，多应用于精密仪器，例如：智能控制设备、精密仪表等。这些仪器设备，本身体积就不大，想要实现相关功能，还需要将嵌入式系统安装在这些系统中，因此，嵌入式系统的体量必须能够足够小，以满足系统运作需求。

（2）存储量小。嵌入式软件系统，通常使用的存储介质为Flash与ROM。其中Flash相比ROM性能更佳，但是研发成本却呈倍数增长，以至于ROM的使用更为广泛。另外，嵌入式软件进程应较小，容量较小。单片机应用在嵌入式系统中相对适合。

（3）即时性。嵌入式系统，需要的时效性较强，这就需要在时间特性上有所要求。对于一些软件而言，一旦统计数据与结果超出规定时间，那么得到的效果将差强人意。由此可见，数据的及时性是如此重要。一旦嵌入系统的时效性不能保证，将会对整个系统造成重大反面影响。

嵌入系统可安装的扩展设备主要有：外围设备、单片机以及中央处理器。中央处理器主要利用SPI來完成和单片机的数据传输与信息交换。单片机则利用已经存在的UART接口来实现串口扩展，连接各种外围设备。最终外围数据通过单片机整合处理利用SPI数据线，将相关数据信息传输到中央处理器。反之，为确保CPU能够访问到外围设备，需要利用SPI线将相关数据信息发送到单片机，进而达到访问外部设备的目的。

SPI接口，即外围设置接口。这一接口的数据传输速度，相比I2C总线速度更快。所以，使用SPI接口，能够实现中央处理器和多外部设备之间信息数据传输的目的。另外，SPI接口运用模式为主从模式，这就需要设置一个主设备，外加多个从设备来实现两者的信息数据传输。SPI接口的设计，应充分考虑中央处理器和外围设备之间的信息数据传输。经过设计，两者可以实现点对点的数据传输。

将嵌入式系统应用到特定设备时，则可以以实际为基础，利用SPI数据线实现单片机控制多个外部设备的目的，实现多个外围设备的集成。因为不同的设备，其目的和功能存在明显差异，这就要求设计者调整SPI协议与微控固件。为控制成本，节约开发时间，可扩展嵌入系统的功能。另外，外围设备，如：MCU，能够对全部集成设备获取的全部信息与数据进行提前处理，从而有效分担中央处理器的运算压力，加快嵌入系统的反应力。

2 嵌入式系统的应用设计

嵌入式系统常用的驱动程序，是以Linux系统为基础，对其进行深加工、广设计的。事实上，Linux系统涉及到的外部设备，都被称之为文件，以此为基础，开展相关的执行操作，也就是在外部设备上展开操作，这些操作内容都是在虚拟文件系统中展开。设备驱动为设备硬件和上层用户连接的重要接口，能够对硬件设备的诸多任务进行保护，还可以将相关硬件设备转化成文件的形式，展示在用户面前。通过这些设计，实现用户之间的文件传输。用户想要读取所需内容，并写入所想内容，就需要相关驱动程序，旨在释放程序设备资源，并利用相关程序将各种信息数据传输发送出去，完成用户、内核、各物理层相互间的信息传输。嵌入式系统在扩展设计的实收，中央处理器，可以利用SPI接口，实现主机和外部设备的信息传输。在对外部单片机进行设计的时候，还应注意两个细节，分别为SPI通信、单片机外部控制，可以把外部设备与单片机以及中央处理器整合到一起，方便使用者阅读及写入。

2.1 驱动设备的过程实现

中央处理器能够将本地串行接口与设备直接加以集成，实现IO设备与单片机外围驱动设备的连接。我的电脑中的驱动程序，其中硬件驱动发生的行为取决于接口功能。一旦用户对电脑中的文件进行访问的时候，接口就会实施读取与写入此类功能。一旦用户执行串口所规定的串行端口文件之际，驱动器就会把使用者请求发送到设备的串口端口，而且串行端口驱动对与之相对性的硬件设备的传输功能。

2.2 SPI协议功能执行的过程

SPI协议组成了串行端口的外围设备的组织结构。主要使用在信号处理器、AD转换器、时钟以及解码器，这些外围设备上，由此可知，想要实现实时传输功能，就需要在芯片接头中使用4根线，将全双工通讯充分运用起来。SPI协议用于通信的基本原理，主要有SCK、SDI、CS（SS）、SDO。以SCK为控制基础，我的电脑中的双向移位寄存器将数据交换动作进行了扩展。SPI总协议想要实现数据和信息的传输，就需要占用我的设备中微处理器的I/O线，且需要4根。由此可见，SPI总接口能够控制电源设计，很大程度的省去了诸多不必要的I/O线路与接口设备，并使得电源可靠性得到显著提升。将SPI线路都集成于单片机，对其外围设备进行访问，势必将更加复杂。这时由于中央处理器难以直接实现硬件发出的任务指令。SPI通信协议栈组成主要分为两部分：虚拟通信协议栈与SPI驱动。SPI驱动协议主要对SPI数据包的传输速率进行了定义，还规定了纠错方法及其他协议，保证了SPI数据包能够在中央处理器与微控制器间实现直接传输。SPI虚拟通信栈能够规定所有外围设备数据传输的格式，利用其他协议与功能代码来优化数据包的传输、分析以及封装。设备去送虚拟的通信协议栈指的是外部扩展设备的驱动，关键是由外围设备相应与数据处理组合而成。以上虚拟驱动程序想要实施数据传输动作的时候，需要调用的协议栈的虚拟通道。单片机将外围串行端口都集成起来，并且这些端口可以和与之相同的本地串口驱动内涵进行封装，且在实际应用过程中，将变成和当地串行端口一致的端口，使之为用户服务。设备自身的串行端口驱动能够直接作用于执行任务的串行端口，如果虚拟硬件不实施设备硬件发出的任务指令，只是调用协议栈中的数据通道来实现数据的传输，那么串行端口的数据传输就只能依靠外部微控制器来完成。

3 单片机在嵌入式系统中的应用

工业领域，MCU是使用最为广泛的一种嵌入式系统，该系统在成本制作与功率消耗方面都有着不可比拟的优势，且维护起来方便省事。MCU这一嵌入式系统在工业领域应用的时候，其设计非常符合人体行为学设计。应用在工业领域的MCU系统，其设计了各种功能的网络通讯接口和与之相应的网络控制端口，能够执行TCP/IP协议。

3.1 单片机应用在电机嵌入控制系统中

以嵌入式系统为基础，将单片机嵌入其中，用于电机控制。具体执行过程，首先按照顺序对电机操控系统发起控制指令，对电机系统进行管理与调度，其中操作系统作为应用程序控制的一个主要元素，实际操作步骤：首先，员工对需要测量的数据通过本地设备发出任务指令，指令传输到相应的部门，该部门对需要数据提前处理;其次，驱动程序输出的数据决定了测量数据是否安全、可靠。并且想要做好数据处理工作，就要确保驱动输出的数据，是预处理完毕样本数据之后实施的。最后，对工作岗位的职能进行明确，保证电机操控系统能够切实高效的完成相应工作。

3.2 单片机应用在网络监测嵌入控制系统中

现阶段，单片机应用在嵌入系统趋于广泛，其中应用较为广泛的领域包含网络监测系统。这也逐渐发展成为学术界研究的主要课题。单片机嵌入系统在网络监测领域的應用随处可见。单片机嵌入系统在网络监测领域应用，不仅能够有效的收集数据，实现数据信息的实施上传与存储，还能够对外部设备进行远程控制，并加以管理。在任务执行期间，MCU系统，不仅要识别设备网络接口，还需要确认其和互联网用户间的连接。另外，将一些实用性较强的软件应用在监测系统中，能够促使监测系统更高效。网络监测系统终端的输入方法与输出方法，都与嵌入式系统一致，利用终端传输系统来完成控制功能，能够全面对网络终端系统进行检查，并控制网络终端内部的接口，尤其是网络数据通讯接口，还能实现异步串行通信，确保单片机在网络监测嵌入系统中的应用。

4 结束语

总而言之，单片机应用在嵌入式软件系统中，已经成为一种嵌入式系统发展实践的重要一环。伴随单机片技术的逐渐盛行，嵌入式系统备受关注，在不断系统研究的过程中，核心技术的研发步入正轨，在对其深入研究的过程中，编码程序将得以实现，优质性能得以提升，集成功能得以实现。

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