摘要：對于處于高速發(fā)展時期的嵌入式技術及物聯網技術時代，嵌入式軟件方向課程的教學也在各大院校中開展起來。介紹了嵌入式軟件設計概念、體系結構及發(fā)展方向。設置了嵌入式軟件設計課程內容，包括嵌入式驅動程序設計、ARM體系結構與編程及嵌入式Linux設計三部分內容，對培養(yǎng)適應社會需求的嵌入式技術人才有著重要意義。

關鍵詞：嵌入式軟件；體系結構；課程研究

作者簡介：王小妮（1977-），女，山東威海人，北京信息科技大學理學院，講師。（北京 100192）

基金項目：本文系北京信息科技大學“嵌入式系統(tǒng)及應用”課程建設項目的研究成果。

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）08-0104-02

中國擁有世界最大的嵌入式技術市場，在手持儀器設備、信息家電、城市建設、工業(yè)控制、軍事應用等領域，嵌入式技術無處不在。[1]數字化、智能化、網絡化的趨勢將使傳統(tǒng)設備逐漸轉變?yōu)榍度胧皆O備，因此嵌入式軟件對改造和提升傳統(tǒng)產業(yè)有重大作用。我國嵌入式軟件應用規(guī)模為世界第三，在中國軟件前10家企業(yè)中，嵌入式軟件產品生產企業(yè)占了6家。企業(yè)對嵌入式人才需求，如軟硬件設計人才、應用開發(fā)人才、綜合性人才的需求也逐年增加，企業(yè)同時增加了大量嵌入式軟件方面培訓項目，員工工資待遇逐漸上升。華為、中興的成功可以提供一種模式，就是發(fā)展嵌入式軟件，將傳統(tǒng)的純硬件制造業(yè)提升為軟硬件一體化的嵌入式設備制造業(yè)，這樣就可以使IT制造業(yè)有較高的增加值，更強的競爭力。據有關數據表明，2006年與嵌入式軟件對應的設備市場全球出貨量達到14億臺，2009年達到22億臺。與之相對應的是，2006年中國嵌入式軟件的市場價值是220億元，到2010年達到550億元。移動嵌入式產品將是未來消費電子類產品增長最快的領域之一。嵌入式技術發(fā)展趨勢要求從8位單片機應用向16位、32位的嵌入式微處理器轉變，并實時操作系統(tǒng)管理軟硬件，而嵌入式操作系統(tǒng)則是驅動硬件系統(tǒng)的靈魂。因此，通過嵌入式軟件增加產品的附加值無疑是最好的選擇，嵌入式軟件對改造和提升傳統(tǒng)產業(yè)有著重大作用。中國工程院院士倪光南強調，我國IT行業(yè)應大力發(fā)展嵌入式軟件，提升我國IT產業(yè)的核心競爭力。

對于處于高速發(fā)展時期的嵌入式技術及物聯網技術時代，嵌入式軟件方向課程的教學也在各大院校中開展起來。要培養(yǎng)適應社會需求的嵌入式技術人才，在設置嵌入式軟件方向課程時，要結合市場需求，制訂相應的嵌入式軟件設計這門課程內容。

一、嵌入式軟件概述

嵌入式軟件實現嵌入式計算機系統(tǒng)功能的軟件。嵌入式軟件總體上可以劃分為：嵌入式系統(tǒng)軟件和嵌入式應用軟件。嵌入式系統(tǒng)軟件涉及操作系統(tǒng)的移植、裁減、驅動程序開發(fā)，和入式應用軟件涉及視頻圖像、語音、網絡等。從運行平臺來分，嵌入式軟件可以分為運行在開發(fā)平臺上的軟件和運行在嵌入式系統(tǒng)上的軟件。運行在開發(fā)平臺上的軟件包括設計、開發(fā)、測試工具等。運行在嵌入式系統(tǒng)上的軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)、應用程序、驅動程序及部分開發(fā)工具。[2]從使用工具角度來分，嵌入式軟件可以分為系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應用軟件，如圖1所示。

其中：系統(tǒng)軟件：控制、管理計算機系統(tǒng)的資源；支撐軟件：輔助軟件開發(fā)的工具；應用軟件：面向應用領域。嵌入式軟件系統(tǒng)的體系結構如圖2所示：

驅動程序層：是直接與硬件打交道的一層，它對操作系統(tǒng)和應用提供所需的驅動支持。操作系統(tǒng)層：是提高計算機利用率的程序代碼，能協(xié)調管理計算機軟件和硬件資源。匯編語言層：操作系統(tǒng)引導程序對硬件設備進行訪問的代碼要用匯編語言完成。匯編語言可用于系統(tǒng)的低層軟件、加密解密軟件、分析和防治計算機病毒等。高級語言層：用C/C++或JAVA語言進行編程實現應用功能，也可以直接使用中間件軟件程實現應用功能。應用層：由多個任務組成，每個應用任務完成特定的工作，如I/O任務、計算的任務、通信任務等，由操作系統(tǒng)調度各個任務的運行。[3]

二、嵌入式軟件設計課程研究

嵌入式軟件設計這門課程可以設計為80課時，其中20課時講解嵌入式驅動程序設計，20課時講解ARM體系結構與編程，40課時講解嵌入式Linux設計。

1.嵌入式驅動程序設計

設備驅動程序是介于硬件和OS內核之間的軟件接口，是一種低級的、專用于某一硬件的軟件組件。

（1）串行口驅動設計：要熟悉串口通訊原理（包括設置字符的格式、波特率、校驗位），查閱ARM串口寄存器文檔（包括控制、狀態(tài)和數據寄存器），查閱電平轉換芯片資料（max3232），設計串口硬件電路圖，完成串口驅動程序的設計（包括串口寄存器初始化，發(fā)送接收函數等）。

（2）鍵盤驅動設計：學習鍵盤驅動原理（確定是否有鍵按下；確定是哪一個鍵或哪幾個鍵被按下；確定被按鍵的輸入代碼；消除按鍵抖動干擾等），掌握通過CPU的I/O擴展鍵盤的方法，設計鍵盤接口電路圖，實現4×4的鍵盤，編程實現鍵盤的驅動。

（3）A/D接口驅動程序設計：學習ARM 本身自帶的A/D 控制器及相應寄存器；掌握A/D轉換的基本原理（包括采樣、保持、量化和編碼）；熟悉A/D轉換器的類型（包括逐位比較型、積分型、計數型、并行比較型、電壓-頻率型等類型）；編程實現ARM 系統(tǒng)的A/D 功能。

（4）LCD顯示屏驅動設計：了解LCD 基本概念與原理；學習LCD驅動器相關的寄存器；理解LCD 的驅動控制；熟悉用ARM 內置的LCD 控制器驅動LCD；完成LCD驅動程序的設計（包括LCD寄存器初始化、字符顯示刷新、格式化字符輸出、圖形刷新顯示、清屏等函數）。

（5）觸摸屏驅動設計：了解觸摸屏基本概念與工作原理（包括表面聲波屏、電容屏、紅外屏和電阻屏）；學習觸摸屏相關的寄存器；分析ADS7843工作時序；理解觸摸屏與LCD 的密切配合；編程實現對觸摸屏的控制。

2.ARM體系結構與匯編語言編程

70%以上的系統(tǒng)軟件是用匯編語言編寫的。某些快速處理、位處理、訪問硬件設備等高效程序是用匯編語言編寫的。某些高級繪圖程序、視頻游戲程序是用匯編語言編寫的。在嵌入式領域中，以ARM為架構設計芯片的占據整個芯片市場的80%以上。因此學習ARM體系結構與匯編語言編程尤其重要。

了解ARM公司情況以及基于ARM技術的嵌入式系統(tǒng)的應用情況，掌握ARM處理器的種類及其主要特點。掌握ARM編程模式的基本知識，包括ARM處理器模式、寄存器及其使用方式，掌握ARM體系中存儲訪問的基本知識。了解ARM處理器的體系結構、指令系統(tǒng)及開發(fā)工具的使用，掌握開發(fā)基于ARM的應用系統(tǒng)的各方面的知識。其中包括ARM體系介紹、ARM匯編語言程序設計、ARM C/C++語言程序設計、ARM集成開發(fā)環(huán)境的介紹。掌握ARM指令集和Thumb指令集的應用領域，掌握各指令的編碼格式、語法格式、執(zhí)行的操作以及應用方法。掌握ARM匯編語言程序設計的基本方法以及ARM匯編器的使用方法。掌握匯編語言格式和程序格式。掌握ARM體系存儲系統(tǒng)的基本概念，掌握存儲管理單元MMU、寫緩沖以及Cache，了解有關存儲系統(tǒng)的程序設計。理解ARM匯編程序以及C/C++程序之間互相調用的技術，了解C編譯器中內嵌的匯編器的使用方法。了解嵌入式應用程序設計的基本知識，通過示例具體掌握嵌入式應用程序的設計方法。掌握ARM開發(fā)工具編譯、連接程序的方法。并在此基礎之上介紹一些典型的基于ARM體系的嵌入式應用系統(tǒng)設計時的基本技術。

3.嵌入式Linux設計

（1）熟悉Linux引導程序bootloader：初始化硬件設備，建立內存空間的映射圖。將操作系統(tǒng)內核映像從Flash內拷貝到RAM中，然后跳轉到內核的入口點去運行，即啟動操作系統(tǒng)。

（2）分析內核源碼：包括初始化Cache、Mmu等設置；內核解壓函數；非壓縮內核啟動匯編段；Linux內核移植NANDFLASH、

LCD、網卡、YAFFS FLASH的方法。

（3）文件系統(tǒng)建立：掌握 Flash的特性，建立在Flash上的文件系統(tǒng)（包括EXT2、Jffs2、yaffs、CRAMFS、proc）。

（4）設計圖形界面：掌握QT開發(fā)工具及QT編程核心技術、QT程序設計方法。

三、嵌入式軟件發(fā)展方向

嵌入式軟件有廣闊的創(chuàng)新空間：面向各種應用，硬件、軟件平臺多樣化，不易被壟斷；新需求不斷發(fā)展，新技術層出不窮；投入不大，容易起步；中國巨大的制造業(yè)是最好的市場。

嵌入式Linux未來的前景看好，但是人才的缺乏已經成為當前制約嵌入式Linux發(fā)展的瓶頸。一方面，因為嵌入式人才領域門檻較高，從事嵌入式軟件開發(fā)的工作人員不僅要熟練掌握c/c++、匯編語言等基礎，而且對Linux底層驅動內核，甚至是硬件都要了然于心。另一方面，因為這一領域較新，目前發(fā)展太快，很多軟硬件技術出現時間不長或正在如雨后春筍般地涌現（如ARM11處理器、嵌入式Linux操作系統(tǒng)、MPEG技術、無線通信協(xié)議、移動USB3.0高速傳輸等），目前國內乃至國際上能夠掌握這些新技術的人才相當匱乏。

近幾年包括未來幾年，市場對嵌入式Linux人才的需求旺盛，而目前熟練的Linux應用人才只有幾千名，這意味著各大跨國公司及國內消費類電子巨頭企業(yè)都面臨著人才嚴重短缺的挑戰(zhàn)。嵌入式Linux的從業(yè)者薪酬比其他IT業(yè)同行大約高出50%，初入門的開發(fā)人員平均月薪一般都能達到8000元，有三年以上經驗的人員年薪都在15萬元以上，有10年工作經驗的高級嵌入式軟件工程師年薪在40萬元左右。

四、總結

自主創(chuàng)新，發(fā)展嵌入式系統(tǒng)是提升中國信息產業(yè)競爭力的重要途徑。中國必須掌握嵌入式系統(tǒng)的核心技術，包括芯片和軟件，從中國制造發(fā)展到中國創(chuàng)造，成為一個信息強國。

參考文獻：

[1]張玢，孟開元，田澤.嵌入式系統(tǒng)定義探討[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2011，（1）.

[2]王小妮.基于嵌入式系列課程的教學改革與探索[J].教育理論與教學研究，2013，（5）.

[3]何立民.嵌入式系統(tǒng)支柱學科的交叉與融合[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2008，（5）.

（責任編輯：王意琴）