基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)研究

魏娟

【摘 要】 近幾年隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，但是單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)目前還沒有完整的開發(fā)方法。通過對(duì)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行分析，研究基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，希望可以使單片機(jī)的操作運(yùn)行實(shí)現(xiàn)集成化發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】 單片機(jī)；嵌入式系統(tǒng)；操作系統(tǒng)

【中圖分類號(hào)】G64.23 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）22-00-01

1、嵌入式操作系統(tǒng)的定義

單片機(jī)是在嵌入式系統(tǒng)程序應(yīng)用的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，它就是其該系統(tǒng)的主控單元。其大部分軟件的應(yīng)用性都非常的廣泛，不是憑空制造出來了，都有很強(qiáng)的目的性。在與其他程序做對(duì)比時(shí)，它把其他的程序的一些無關(guān)緊要的功能都剔除了，做到了簡(jiǎn)單，但是功能非常的強(qiáng)大，只有一個(gè)微內(nèi)核。外加上該程序的嵌入性和專用性等特點(diǎn)，使得應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)處于同一個(gè)空間，使得操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序融為一體。這個(gè)時(shí)候存儲(chǔ)管理模塊非常的簡(jiǎn)單。就成了人們熟知的微內(nèi)核。

2、基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用CAD軟件和PCB軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中，要根據(jù)嵌入式系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，將功能進(jìn)行細(xì)致區(qū)分，劃分成不同的模塊，對(duì)各個(gè)模塊來分配具體的功能。嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是根據(jù)實(shí)際使用過程中的性能參數(shù)需求，對(duì)相關(guān)的元件進(jìn)行組合劃分，以便達(dá)到最佳的使用效果，所以不同設(shè)備應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)在功能上都是不同的。在設(shè)計(jì)過程中需要將系統(tǒng)內(nèi)的資源進(jìn)行調(diào)配，并編制具體的應(yīng)用編碼，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要使嵌入式系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)控制和信息處理能力，所以需要將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和網(wǎng)絡(luò)接口等全部集成在一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的遠(yuǎn)程控制、信息同步、資源存儲(chǔ)等功能。

基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，可以將應(yīng)用與驅(qū)動(dòng)的接口設(shè)置為統(tǒng)一的接口，使嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，也方便了在多個(gè)單片機(jī)之間重復(fù)使用。在對(duì)驅(qū)動(dòng)程序和硬件組成進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用EDA工具進(jìn)行模擬調(diào)試開發(fā)，將設(shè)計(jì)程序在EDA工具上進(jìn)行模擬運(yùn)行，保證了嵌入式系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的合理性，縮短了系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間。

在單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的過程中，可以先將程序的運(yùn)行流程和運(yùn)行邏輯進(jìn)行測(cè)試，分析嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，以及各類訪問周期信息。這些信息的測(cè)試可以使系統(tǒng)的調(diào)試階段更加順利。利用EDA工具對(duì)單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，降低了開發(fā)人員的工作難度，在計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)完成后，直接將軟件移植到嵌入式系統(tǒng)中，基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)即為開發(fā)完成。

3、基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)微內(nèi)核

3.1嵌入式系統(tǒng)的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)部分組成，分別是資源管理調(diào)度系統(tǒng)和硬件映射系統(tǒng)。資源管理調(diào)度系統(tǒng)可以對(duì)單片機(jī)的控制程序進(jìn)行存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通信功能。硬映射系統(tǒng)可以將單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)映射在操作平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的系統(tǒng)功能。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)降低了單片機(jī)整體的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，并提高了內(nèi)核的集成性能，使單片機(jī)嵌入系統(tǒng)的移植性能和擴(kuò)展性能都得到了極大程度的提高。單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的微內(nèi)核一般沒有shell以及圖形用戶接口，所以嵌入式微內(nèi)核的部分功能是可以去掉的；嵌入式系統(tǒng)微內(nèi)核的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序不是特別明確，也可以說操作系統(tǒng)也屬于應(yīng)用程序中的一部分；嵌入式系統(tǒng)微內(nèi)核的內(nèi)存容量比較小，存儲(chǔ)模塊非常簡(jiǎn)單，一般都是使用實(shí)際的物理地址，所以結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。嵌入式微內(nèi)核的任務(wù)劃分不是特別詳細(xì)，很多操作人員都具有可預(yù)見性。

3.2微內(nèi)核結(jié)構(gòu)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)整體性能的影響

微內(nèi)核結(jié)構(gòu)雖然提高了單片機(jī)嵌入系統(tǒng)的移植性和擴(kuò)展性，但是隨著單片機(jī)系統(tǒng)越來越復(fù)雜，使微內(nèi)核的體積不斷增加，影響了單片機(jī)的整體性能，降低了嵌入式系統(tǒng)在單片機(jī)中的通用性。使用者在使用單片機(jī)的過程中是利用遠(yuǎn)程設(shè)備來進(jìn)行操作，在操作過程中，微內(nèi)核全程參與，對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行頻發(fā)拷貝，增加了單片機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)嵌入式微內(nèi)核受到傳統(tǒng)操作內(nèi)核的限制，會(huì)對(duì)單片機(jī)的操作系統(tǒng)帶來不利影響，所以需要對(duì)嵌入式微內(nèi)核的性能進(jìn)行改進(jìn)，以便提高單片機(jī)的運(yùn)行效率。

單片機(jī)在運(yùn)行過程中，嵌入式微內(nèi)核是基于時(shí)鐘對(duì)內(nèi)部模塊進(jìn)行控制，當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，可以自動(dòng)提取微內(nèi)核內(nèi)的運(yùn)行程序，同時(shí)也可以自行書寫，提高了嵌入式系統(tǒng)的擴(kuò)展性能，使嵌入式微內(nèi)核的通用性得到了極大的提高。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)中各個(gè)系統(tǒng)服務(wù)全部由內(nèi)核進(jìn)行控制，主要利用消息機(jī)制進(jìn)行通信，所以微內(nèi)核核心性能的優(yōu)劣主要取決于系統(tǒng)通信開銷的大小，為了保證微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的能效，需要對(duì)單片機(jī)的系統(tǒng)程序庫進(jìn)行優(yōu)化，保證嵌入式的應(yīng)用程序可以直接對(duì)庫內(nèi)程序進(jìn)行使用，這種結(jié)構(gòu)有效地提高了單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可裁剪性，使微內(nèi)核的使用靈活性大大提高。

4、基于單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)編碼程序的實(shí)現(xiàn)

在單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)編碼程序的開發(fā)過程中，需要對(duì)單片機(jī)的使用環(huán)境進(jìn)行分析，確定單片機(jī)具體的使用需求，再針對(duì)相應(yīng)的功能需求進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)需要經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、程序編寫、編碼功能實(shí)現(xiàn)、集成檢測(cè)等幾個(gè)步驟，嵌入式系統(tǒng)編碼程序的開發(fā)與普通的軟件開發(fā)沒有太大差異，但是嵌入式系統(tǒng)編碼程序的開發(fā)屬于跨平臺(tái)的編碼開發(fā)，編碼程序需要直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行操控，所以對(duì)于程序準(zhǔn)確性要求比較高，對(duì)整個(gè)編碼過程的時(shí)序要求也異常精準(zhǔn)。很多單片機(jī)的運(yùn)行不能對(duì)運(yùn)行過程進(jìn)行重現(xiàn)，所以編碼程序的開發(fā)要求特別高，為了保證程序開發(fā)的有效性，需要在程序不同的設(shè)計(jì)階段使用不同的工具包。對(duì)單片機(jī)初期運(yùn)行階段的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用電路模擬器，分析單片機(jī)程序輸入端和輸出端，避免單片機(jī)電路運(yùn)行不穩(wěn)定造成程序編寫的混亂，同時(shí)開發(fā)人員也能清晰的觀測(cè)到整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行過程，避免程序編寫需要從最底層進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)。

基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)在實(shí)踐過程中要采用相應(yīng)的抗干擾措施，避免對(duì)嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件造成干擾。在硬件抗干擾方面可以利用光電耦合器來進(jìn)行控制電路的切斷，實(shí)現(xiàn)電磁隔離功能，降低電磁對(duì)嵌入式系統(tǒng)硬件的影響，也可以將金屬箱體對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行隔離，消除外界的電磁干擾。利用指令冗余技術(shù)也可以對(duì)嵌入式系統(tǒng)的軟件操作進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免嵌入式程序出現(xiàn)跑飛現(xiàn)象，影響嵌入式系統(tǒng)軟件程序的正常運(yùn)行。

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