基于嵌入式设计的软硬件开发分析

门殿卿

（南京国电南自软件工程有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

随着计算机技术的不断发展和进步，嵌入式系统开发规模在全面扩大，为发挥嵌入式设计的优势作用，要优化软硬件协同开发的效能，在满足开发应用要求的同时，实现深入挖掘嵌入式硬件和软件开发技术的目标。

1 嵌入式系统概述

依据国际IEEE标准可知，嵌入式系统指的是用于控制、监视或者是辅助操作设备的装置，将相应的元件直接嵌入到研究对象的专用计算机系统内。嵌入式系统本身就是软件和硬件的综合体，要将应用作为核心，配合可剪裁的软硬件，最大程度上提升系统统筹分析的能力[1]。嵌入式系统结构如图1所示。

图1 嵌入式系统结构

嵌入式系统具有内核小、专用性强、系统精简的特点，要想保证其应用效果，就要选取适宜的开发工具和环境，具体分类见表1。

表1 嵌入式系统分类

2 嵌入式设计的软硬件开发要点

2.1 设计模型

在嵌入式设计软硬件开发工作中，为保证开发效果和控制水平，就要对嵌入式软硬件设计模型予以深入研究，主要是从IP构件开发和基于交叉开发技术的开发两个方面入手，探讨对应场景下开发工作落实的要点和规范。

2.1.1 IP构件开发

所谓IP构件开发，是基于组件的开发应用模式，要想保证嵌入式软件开发顺利开展，就要对基础开发平台进行监督，从而更好地满足嵌入式系统应用要求。其中的IP核能有效对芯片系统核心功能进行整合处理，配合单一芯片系统实现附属功能的协同控制，从而提高芯片内部应用处理的实效性。并且在建立集成化构件开发工作方案的同时，配合IP构件开发还能减少系统开发的周期，实现业务学习成本的合理化控制[2]。

2.1.2 交叉开发

相较于传统意义上的软件开发形式，嵌入式软件开发模式中，目标机和宿主机之间要利用资源分配的处理方式完成工作，如图2所示。

图2 目标机与宿主机关系

宿主机要全面分析硬件资源，并匹配资源结构和应用要求开展定址编译，满足功能模块开发的处理要求，但是整个流程的处理和控制都将最终的嵌入式软件运行平台视为目标机。配合交叉式软件开发技术，就能利用宿主机应用程序转变二进制代码。另外，在实际的编译过程中，要配合交叉编译程序实现实时性开工，并在编译完成的文件上标识为目标编译文件，以便于目标机运行的规范性。

除此之外，在定址处理的基础上，要利用合理化的控制模式完成宿主机程序和目标机程序位置偏移定位，从而为目标机程序运行管理予以保障。

2.2 设计方法

在嵌入式设计开发应用控制模式中，嵌入式系统设计的重点就是对软硬件予以划分和判断，配合设计和开发流程，在全面分析硬件特性的同时就能实现功能目标[3]。目前，多数的嵌入式芯片开发都要配合软件予以落实，这就使得软件和硬件划分界限较为模糊。为更好地提升其应用效能，就要建立去中心化应用控制体系，对原有的软硬件划分过程进行重构，秉持去中心化思想，建立完整的嵌入式系统软硬件设计控制模式。

第一，实现去中心化设计，在新的应用控制模式中，中央处理器（Central Processing Unit，CPU）已经不再是嵌入式系统整体结构的处理单元，而是实现不同独立模块沟通控制的关键，配合相应的处理环节就能建构完整的处理体系，从原有的单处理器模式转变为多处理器模式，维持良好的应用效能，还能提升去中心化嵌入式系统软硬件设计的完整性。

第二，均衡负载处理，在嵌入式软硬件开发处理控制环境中，CPU要承载的是多个CPU流转模式协同任务，针对复杂数据和大量重复逻辑业务，则要借助定制化数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）芯片完成实时性控制，从而维持实际应用过程和通信接口的一致性，确保嵌入式设计软硬件开发处理的整体效果满足标准[4]。

第三，模块化处理，在嵌入式设计软硬件开发体系中，每个功能模块的内部都要匹配对应的处理环节，将可实现嵌入式开发功能的芯片和电路予以协同控制，配合独立且可实行复用的运行模式，最大程度上提高嵌入式软硬件处理水平，实现模块固化和高度聚合，并借助接口和外部模块予以实时性连接。

第四，控制和显示分离处理，在整个设计体系中，显示环节具有独立性，能实现和控制相的分离，配合接口程序就能获取其他模块发送的控制信息，满足显示信令应用要求的同时维持功能的规范性[5]。

第五，芯片固化处理环节，主要是借助专用芯片建立工作模式，能对网络接口单位予以控制，并配合应用要求实现工作目标。在连接的过程中，不限于以太网、蓝牙互联以及无线网等连接方式，就能打造更加可控且实时性的连接处理方案，提升信息传递的可靠性和安全性。

综上所述，在去中心化设计处理环节中，要整合具体的管理要素，确保应用方案能满足嵌入式设计中软硬件开发的基本需求。

3 实 例

本文以电子温度计设计研发为例，基于应用要求完成嵌入式设计软硬件开发工作。

3.1 基本内容

第一，设计对应的处理模式，能满足电子温度计的应用需求，并且能借助人体红外测量等工作有效进行实时性温度参数的读取，保证在数据显示功能的基础上还能维持数据集的汇总处理[6]。

第二，电容显示屏能结合实时获取的数据信息完成人体当前体温测定，基于嵌入式设计软硬件开发的应用要求，能匹配完整的数据记录模式，记录至多16组的体温数据，并且能汇总相关数据生成历史周期曲线等[7]。

第三，电子温度计还能实现和互联网的连接处理，确保温度得以实时上传和汇总。建立前方信息管理和后台预警系统的实时性连接模式，一旦出现温度超出标准范围的情况，后台系统就能完成警报的发出工作。与此同时，汇总的信息会直接与应急指挥中心联动，配合防控联动机制，最大程度上提高测温控制管理的及时性和规范性[8]。

3.2 模块设计

整体温度计嵌入式开发设计方案的规范结构见图3。依据温度计应用要求，要设定对应的处理模块，确保不同模块能发挥其实际作用。

图3 温度计嵌入式开发设计

（1）温度测量模块。将温度测量过程和模数转换（Analog-to-Digital Converter，ADC）电路的转换功能予以集成管理，配合温差处理单元，就能匹配CPU完成计算和处理，最大程度上维持应用控制的合理性和规范性。

（2）触摸屏模块。触控模式和液晶显示模块共同组成触摸屏终端，借助CPU集成化处理过程和应用标准，配合集成电路总线（Inter-Integrated Circuit，I2C）和RGB接口实现实时性处理。

（3）网络接口模块。主要是借助CPU完成传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）处理控制工作，打造可控化应用运行模式，维持应用的实效性，还能匹配轻型IP协议（Light Weigh IP Protocol，LWIP） 接口对接应用模式，从而保证温度计嵌入式开发设计的规范效果符合预期[9]。

（4）图形显示模块。主要是借助CPU完成UCGUI图形显示库的调用和管理。

（5）内存模块。配合使用NAND完成存储工作，能有效完成内存和显存单位的提取。

3.3 优化效果

结合嵌入式设计软硬件开发的应用要求，在构建去中心化设计模式后，对应的模块能发挥其实际作用，尤其是测温模块，匹配电路应用标准就能添加独立的微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）控制组件，配合偏差处理固化应用模式，无须调用CPU资源，就能建立独立封闭接口运行控制机制，保证开发效果的最优化[10]。

4 结 论

嵌入式设计软硬件开发控制体系中，要整合具体应用单元的要求，保证设计处理环节的可控性和规范性，从根本上满足集成化处理的标准，在简化开发流程的同时，发挥去中心化设计的优势作用，为模块功能优化提供保障，也为嵌入式产品开发研究水平的全面提升奠定基础。