嵌入式系統(tǒng)對開源平臺的探索與設(shè)計

◆李源 李英 閆青 劉春霞

嵌入式系統(tǒng)對開源平臺的探索與設(shè)計

◆李源 李英 閆青 劉春霞通訊作者

（太原科技大學 山西 048011）

隨著電子、計算機和信息技術(shù)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，設(shè)計并實現(xiàn)了不同類型的嵌入式系統(tǒng)，并用于諸多不同的需求和目的，同時也衍生出許多實際應用。此類系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)使用將最大限度地適應具體應用，并高效執(zhí)行所需的特定功能。此外，這類系統(tǒng)應盡可能簡單，盡可能小尺寸，低成本，極少地消耗能源。始終是針對某些特定目的的專門和優(yōu)化的系統(tǒng)，幾乎可以用于人類活動的所有領(lǐng)域。本文將系統(tǒng)性闡述嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計理念以及在對開源平臺開發(fā)過程中應注意的事項，并結(jié)合分析多個嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)缺點案例，分析對系統(tǒng)的影響以及如何使設(shè)計更加趨于合理化。

開源平臺；嵌入式系統(tǒng)；SCADA；RFID

1 嵌入式系統(tǒng)概念

嵌入式系統(tǒng)是硬件和軟件集成性很強的電子系統(tǒng)，旨在執(zhí)行某些特定功能。這些系統(tǒng)是內(nèi)置于另一個系統(tǒng)的基于計算機的電子系統(tǒng)，為它們提供了穩(wěn)定的功能和性能。同時作為特殊用途的系統(tǒng)，它完全由其控制的設(shè)備進行封裝。該類系統(tǒng)執(zhí)行一至多項預先設(shè)定的任務(wù)，通常具有非常具體的操作要求。由于系統(tǒng)執(zhí)行特定任務(wù)的原因，開發(fā)人員可以在運行速度上進行優(yōu)化，同時降低系統(tǒng)尺寸和重量、功耗和成本。該系統(tǒng)通常為大規(guī)模生產(chǎn)和大規(guī)模消費的產(chǎn)物，且該類系統(tǒng)基于微機實現(xiàn)其功能。

嵌入式系統(tǒng)的一些基本特點是：它用來執(zhí)行特定任務(wù)，有較為廣泛的CPU處理器支持，實時限制，而且價格相對便宜。在操作系統(tǒng)使用方面，它通常是實時操作系統(tǒng)（RTOS）。在大多數(shù)情況下，此類系統(tǒng)可作為電池供電和低功率系統(tǒng)，通常習慣于在極端環(huán)境條件下運行，具有僅可用于具體用途所需的系統(tǒng)資源。這種系統(tǒng)會把所有的對象代碼都保留在ROM中，并需要使用特殊的方法對其進行設(shè)計。

提及嵌入式系統(tǒng)，大家大都不會感到陌生，它的應用范圍很廣，這種系統(tǒng)通常耗資非常低廉，幾乎可以用于每一種電子產(chǎn)品。嵌入式系統(tǒng)當前生產(chǎn)生活環(huán)境下應用的一些主要領(lǐng)域包括：計算機外圍設(shè)備、汽車電子工業(yè)、飛機電子工業(yè)、火車、電信、醫(yī)療系統(tǒng)、軍事特殊應用、平臺認證系統(tǒng)、消費電子、工業(yè)制造設(shè)備、智能建筑和智能云機器人的研發(fā)應用。嵌入式系統(tǒng)的特點是交叉開發(fā)，不過它通常用于軟件開發(fā)。一般情況，系統(tǒng)工程師會在一個平臺上對嵌入式系統(tǒng)軟件進行開發(fā)，并在另一個平臺上參與執(zhí)行。此外，它還需要在機器語言中獲得盡可能高效的程序。由于現(xiàn)有編譯器無法生成高效的機器代碼，因此我們經(jīng)常使用組裝語言編程對其進行操作。但是，嵌入式應用程序正變得越來越復雜，需要在高級編程語言中使用編程。一般來說，并沒有理想的編程語言來編程嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)中目前最常用的編程語言是：C、C++、Java等。

2 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計在開源平臺上的設(shè)計思想

嵌入式系統(tǒng)的許多實際需求和應用并不需要高性能、高速度、低功耗等大量的解決方案。在這種應用中，最重要的是滿足所需的系統(tǒng)功能，盡可能縮短系統(tǒng)開發(fā)和實施時間，盡可能降低系統(tǒng)開發(fā)和實施成本，并盡可能優(yōu)化和最小化硬件和軟件，以達到所需的運行速度。此外，它要求系統(tǒng)的體積、重量和功耗盡可能小，可靠性高，易于維護，價格盡可能低。因此，我們可以通過采取針對開源平臺設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)。這種設(shè)計概念可以簡化和加速開發(fā)、設(shè)計和實現(xiàn)過程，減少所有活動所需的時間，降低所有過程的成本。它還支持模塊化方法，以方便、加速和降低系統(tǒng)修改和維護成本?？筛鶕?jù)用戶需求優(yōu)化軟硬件資源，平衡整個系統(tǒng)所需的功能和價格。開源硬件平臺的使用（尋找合適的開源板平臺）使得硬件集成系統(tǒng)的開發(fā)、設(shè)計和實現(xiàn)過程更加簡單和廉價。我們只需要根據(jù)這一目的的需要選擇最適合特定應用的開源平臺，同時還需要選擇一些附加的硬件模塊來添加到所選的開源平臺。如果需要特定的應用程序，則啟用模塊化硬件方法。硬件設(shè)計的其他活動包括定義系統(tǒng)如何連接到環(huán)境、傳感器和執(zhí)行器以及用戶。因為現(xiàn)有的硬件開源平臺為互聯(lián)和通信提供了大量的方式和電路。在該設(shè)計中，力求對整個系統(tǒng)的硬件進行最小化和優(yōu)化，滿足系統(tǒng)的具體應用。通過對系統(tǒng)硬件的設(shè)計和實現(xiàn)，證明了該方案的可行性和可靠性，并且總體成本很低。

使用開源軟件平臺（合適的開源軟件開發(fā)工具）可減少軟件和整個系統(tǒng)的開發(fā)、設(shè)計和實施過程，使開發(fā)設(shè)計和實施過程更加簡單價格低廉。開發(fā)工具包括開源編程語言和軟件工具、操作系統(tǒng)和調(diào)試工具，只需選擇最合適的開源軟件工具進行具體應用。它主要使用編程，目的是盡可能多地使用高水平的編程語言。此類方案的優(yōu)點是簡化、快速和成本較低，問題是它只能在需要極其高速運行的應用程序中，當在高水平編程語言中編程無法滿足所需速度的應用程序時，在這種情況下我們可以使用組裝語言編程。但是，它將使該計劃的開發(fā)過程復雜化、減速和增加成本。對此，在必要的情況下，嘗試在高水平編程語言中通過編程，組裝語言編程僅在程序中需要盡可能高速度的部分使用。還必須實施可用于設(shè)計完整系統(tǒng)軟件的軟件模塊。如果在具體應用中有必要，則啟用了這種模塊化軟件方法。此外，在此類系統(tǒng)中，它不必使用操作系統(tǒng)，但可以使用一些開源操作系統(tǒng)。由于操作系統(tǒng)會減慢系統(tǒng)的運行速度，并且需要更多的硬件資源（更大的內(nèi)存），因此它不用于需要高速運行和小硬件資源的應用。在不重要的應用程序中，最好使用一些開源操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的使用非常方便，加快了整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計、實施、修改和維護。它可以簡化、降低軟件和整個系統(tǒng)開發(fā)和實施的所有活動的成本。軟件開發(fā)的進一步活動包括系統(tǒng)與環(huán)境和用戶通信的編程。全系統(tǒng)的硬件和軟件的最佳集成在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中也非常重要。這能夠并確保實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳特性，滿足所有要求，并實現(xiàn)系統(tǒng)的硬件和軟件的平衡。在系統(tǒng)設(shè)計中，需要決定硬件將實現(xiàn)什么，軟件實現(xiàn)什么，它始終需要最大限度地減少硬件的使用，并最大限度地利用軟件。應盡可能少地通過硬件實現(xiàn)功能，并盡可能多地通過軟件實現(xiàn)功能，最大限度地減少整個系統(tǒng)的尺寸、重量、能耗和成本。因此，在開發(fā)和實施這種嵌入式系統(tǒng)時，應該從一開始就兼并同時實現(xiàn)系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計及其集成和驗證。所有這些在此類嵌入式系統(tǒng)中也得到了簡化，因為主要使用同一制造商的開源硬件和軟件平臺。

3 系統(tǒng)平臺上的嵌入式RFID和SCADA系統(tǒng)

微機嵌入式系統(tǒng)幾乎存在于人類活動和環(huán)境的每一個環(huán)節(jié)。這種系統(tǒng)的應用使得許多已實現(xiàn)的系統(tǒng)具有低成本的功能、移動性和自治性。其中許多系統(tǒng)應用程序包括：從進程獲取、處理和存儲數(shù)據(jù)、監(jiān)控過程。加強過程中的安全。所有這些導致所謂的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)，工業(yè)系統(tǒng)的監(jiān)測，控制和數(shù)據(jù)采集。所謂的射頻識別（RFID）通常被用作識別流程參與者的安全技術(shù)。RFID是識別物體和用戶的標準技術(shù)。在很多情況下，由于非接觸式的身份識別，它具有相對高速、簡單和廉價的特點。

在這里，我們建議考慮和描述的可能性，設(shè)計、實施和應用嵌入式SCADA和RFID系統(tǒng)使用開源技術(shù)。

4 基于微機的嵌入式SCADA和RFID系統(tǒng)

對于標準SCADA系統(tǒng)可使用PLC設(shè)備。PLC 是一種基于微機的一種特殊類型的控制器，可用于實時控制流程和系統(tǒng)。在當前控制系統(tǒng)中PLC的使用非常常見，因為它對環(huán)境條件、可靠性、功能、編程和維護的易用性抗干擾力較強，為開發(fā)和實施嵌入式基于微機的SCADA系統(tǒng)提供了很大的創(chuàng)造性，可以隨著微機的進展和擴展而進行的具體應用。這些系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：優(yōu)化系統(tǒng)硬件、軟件、速度和存儲需求：根據(jù)應用要求實現(xiàn)最大采用，成本合理。SCADA 系統(tǒng)包括：測量設(shè)備（傳感器）和執(zhí)行單元（執(zhí)行器）、遠程輸入/輸出模塊、遠程站（終端單元）、通信系統(tǒng)和中央站。

5 基于微機的軟件嵌入式模擬硬件設(shè)備系統(tǒng)

我們通常對軟件編程模擬CPU硬件設(shè)備的設(shè)計習慣采用標準的微型CPU，在符合系統(tǒng)穩(wěn)定和系統(tǒng)標準負荷的環(huán)境下，我們多采用可搭配的軟件模塊對其進行設(shè)計開發(fā)，用這些可配置的軟件模塊來達到某種外設(shè)的功能的實現(xiàn)應用。同時將其采取配置、升級、重組的方式使其完成特定的操作。在此應說明的是，我們所知的所有硬件并不是所有外設(shè)的功能都可以完全由軟件實現(xiàn)替換，我們對其設(shè)計方法的初衷是希望它可以盡可能在系統(tǒng)允許的條件下盡量“以軟代硬”的方式最大化實現(xiàn)，以盡可能少的硬件損耗開銷來獲得最佳的性能比。

6 結(jié)語

數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展歷程使嵌入式系統(tǒng)可以針對不同的需求和應用進行設(shè)計和應用。這些系統(tǒng)最適合具體應用，并針對特定目的進行專項優(yōu)化。不同的軟，硬件平臺可用于設(shè)計和實現(xiàn)該類系統(tǒng)。特殊設(shè)計的平臺最常用于此類目的。但是在許多實際需求中，使用開源軟硬件平臺要方便得多。

在這里我們建議使用開源硬件和基于軟件的微機技術(shù)，為許多實際應用設(shè)計和實施嵌入式系統(tǒng)來作為這種方法及其好處的例證，分析研究這兩種實際設(shè)計和實施的嵌入式系統(tǒng)，如用于系統(tǒng)硬件實現(xiàn)的開源微機板、適當?shù)膫鞲衅?、?zhí)行器等，用于系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的開源軟件工具和程序以及操作系統(tǒng)。同時對系統(tǒng)設(shè)計還可以采用模塊化方法，使系統(tǒng)易于擴展、簡化維護和適應用戶的需求，它可以極大程度地實現(xiàn)系統(tǒng)功能和成本之間的平衡。

在接下來設(shè)計和實施這個嵌入式系統(tǒng)時，我們可以根據(jù)系統(tǒng)需要對所有已使用的組件和工具進行優(yōu)化設(shè)計，對所有的硬件和軟件設(shè)計進行系統(tǒng)性能優(yōu)化。這樣，系統(tǒng)在功能和成本上實現(xiàn)了相對平衡。與其他的設(shè)計和實現(xiàn)方式相比，這種嵌入式系統(tǒng)最主要優(yōu)勢是：成本更低，應用優(yōu)化，尺寸和重量更小，電能消耗更低。但同時它也帶來的一些缺點是：出于可靠性較低，確定性較低，對系統(tǒng)設(shè)計需要的應用受到限制等等一系列問題。

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