張志

摘要：嵌入式系統(tǒng)是以計算機技術(shù)為核心設(shè)計的一種專用系統(tǒng)，可以實現(xiàn)可編程控制系統(tǒng)的遠程傳輸以及檢測等功能。分析嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計思路，研究在系統(tǒng)開發(fā)的過程中如何讓軟件編碼有效實現(xiàn)其功能，希望可以有效提高單片機的運行性能。

關(guān)鍵詞： 單片機；嵌入式系統(tǒng)；操作系統(tǒng)；微內(nèi)核結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）01-0258-02

單片機的嵌入式系統(tǒng)可以實現(xiàn)單片機的遠程調(diào)度、遠程控制、通信信息同步以及資源儲存管理等等，嵌入式系統(tǒng)是以計算機技術(shù)為核心的專用系統(tǒng)，在開發(fā)過程中需要以計算機操作系統(tǒng)作為平臺。近幾年隨著我國科學技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，但是單片機的嵌入式系統(tǒng)目前還沒有完整的開發(fā)方法。通過對嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計思路進行分析，研究基于單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)及實踐要點，希望可以使單片機的操作運行實現(xiàn)集成化發(fā)展。

1 嵌入式系統(tǒng)簡介及其發(fā)展狀況

嵌入式系統(tǒng)是以計算機技術(shù)為核心的專用系統(tǒng)，主要由嵌入式處理器、外圍硬件設(shè)備和操作系統(tǒng)共同組成，可以實現(xiàn)對設(shè)備的控制、操作和管理。嵌入式系統(tǒng)的核心主要是嵌入式處理器，可以將外圍功能全部集成在一塊芯片上，實現(xiàn)了系統(tǒng)的集成操作。嵌入式系統(tǒng)需要根據(jù)設(shè)備的運行環(huán)境來定制，有效地提高了設(shè)備運行效率。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)必須要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，在系統(tǒng)上安裝各種網(wǎng)絡(luò)接口，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。

我國嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)仍然處于初級階段，在嵌入式系統(tǒng)微內(nèi)核、集成軟件方面都存在很多問題，另外嵌入式系統(tǒng)的體積比較小，所以存儲容量不是特別大，在開發(fā)過程中需要對其存儲功能方面進行改進，以便滿足復雜化的應(yīng)用需求。基于單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，可以提高我國PLC使用性能，使PLC的使用可以滿足更多功能需求。

2 基于單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計需要以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，利用CAD軟件和PCB軟件對系統(tǒng)進行設(shè)計，在設(shè)計過程中，要根據(jù)嵌入式系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能，將功能進行細致區(qū)分，劃分成不同的模塊，對各個模塊來分配具體的功能。嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計就是根據(jù)實際使用過程中的性能參數(shù)需求，對相關(guān)的元件進行組合劃分，以便達到最佳的使用效果，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)計過程中需要將系統(tǒng)內(nèi)的資源進行調(diào)配，并編制具體的應(yīng)用編碼，使系統(tǒng)實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

基于單片機的嵌入式系統(tǒng)在進行設(shè)計時，要使嵌入式系統(tǒng)具有實時控制和信息處理能力，所以需要將數(shù)據(jù)存儲器和網(wǎng)絡(luò)接口等全部集成在一塊芯片上，實現(xiàn)單片機的遠程控制、信息同步、資源存儲等功能。

基于單片機的嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計過程中，可以將應(yīng)用與驅(qū)動的接口設(shè)置為統(tǒng)一的接口，使嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件實現(xiàn)標準化設(shè)計，也方便了在多個單片機之間重復使用。在對驅(qū)動程序和硬件組成進行設(shè)計時，可以利用EDA工具進行模擬調(diào)試開發(fā)，將設(shè)計程序在EDA工具上進行模擬運行，保證了嵌入式系統(tǒng)程序設(shè)計的合理性，縮短了系統(tǒng)開發(fā)時間。

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

3 基于單片機的嵌入式系統(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)可以對單片機的控制程序進行存儲，并實現(xiàn)單片機與計算機的通信功能。硬映射系統(tǒng)可以將單片機的硬件結(jié)構(gòu)映射在操作平臺上，實現(xiàn)單片機的系統(tǒng)功能。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)降低了單片機整體的運行負擔，并提高了內(nèi)核的集成性能，使單片機嵌入系統(tǒng)的移植性能和擴展性能都得到了極大程度的提高。單片機嵌入式系統(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，存儲模塊非常簡單，一般都是使用實際的物理地址，所以結(jié)構(gòu)比較簡單。嵌入式微內(nèi)核的任務(wù)劃分不是特別詳細，很多操作人員都具有可預(yù)見性。

3.2 微內(nèi)核結(jié)構(gòu)對單片機系統(tǒng)整體性能的影響

微內(nèi)核結(jié)構(gòu)雖然提高了單片機嵌入系統(tǒng)的移植性和擴展性，但是隨著單片機系統(tǒng)越來越復雜， 使微內(nèi)核的體積不斷增加，影響了單片機的整體性能，降低了嵌入式系統(tǒng)在單片機中的通用性。使用者在使用單片機的過程中是利用遠程設(shè)備來進行操作，在操作過程中，微內(nèi)核全程參與，對大量數(shù)據(jù)進行頻發(fā)拷貝，增加了單片機運行系統(tǒng)的負擔，同時嵌入式微內(nèi)核受到傳統(tǒng)操作內(nèi)核的限制，會對單片機的操作系統(tǒng)帶來不利影響，所以需要對嵌入式微內(nèi)核的性能進行改進，以便提高單片機的運行效率。

單片機在運行過程中，嵌入式微內(nèi)核是基于時鐘對內(nèi)部模塊進行控制，當單片機運行時，可以自動提取微內(nèi)核內(nèi)的運行程序，同時也可以自行書寫，提高了嵌入式系統(tǒng)的擴展性能， 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)中各個系統(tǒng)服務(wù)全部由內(nèi)核進行控制，主要利用消息機制進行通信，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，需要對單片機的系統(tǒng)程序庫進行優(yōu)化，保證嵌入式的應(yīng)用程序可以直接對庫內(nèi)程序進行使用，這種結(jié)構(gòu)有效地提高了單片機嵌入式系統(tǒng)的可擴展性和可裁剪性，使微內(nèi)核的使用靈活性大大提高。

4 基于單片機嵌入式系統(tǒng)編碼程序的實現(xiàn)

在單片機嵌入式系統(tǒng)編碼程序的開發(fā)過程中，需要對單片機的使用環(huán)境進行分析，確定單片機具體的使用需求，再針對相應(yīng)的功能需求進行程序設(shè)計。程序設(shè)計需要經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計、程序編寫、編碼功能實現(xiàn)、集成檢測等幾個步驟，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)屬于跨平臺的編碼開發(fā)，編碼程序需要直接對設(shè)備進行操控，所以對于程序準確性要求比較高，對整個編碼過程的時序要求也異常精準。很多單片機的運行不能對運行過程進行重現(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)計階段使用不同的工具包。對單片機初期運行階段的程序進行設(shè)計時，可以利用電路模擬器，分析單片機程序輸入端和輸出端，避免單片機電路運行不穩(wěn)定造成程序編寫的混亂，同時開發(fā)人員也能清晰的觀測到整個設(shè)備的運行過程，避免程序編寫需要從最底層進行預(yù)設(shè)計。

目前我國單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)越來越成熟，開發(fā)環(huán)境逐漸完善，使嵌入式系統(tǒng)的功能也更加全面。在對嵌入式系統(tǒng)進行開發(fā)時，可以利用程序編輯器、連接設(shè)備、編碼運行模擬器、調(diào)試儀器進行嵌入式系統(tǒng)的虛擬開發(fā)。開發(fā)人員可以忽略掉單片機的使用環(huán)境，直接進行嵌入式系統(tǒng)軟件的開發(fā)。硬件的開發(fā)可以單獨進行，嵌入式系統(tǒng)硬件開發(fā)完成后，利用網(wǎng)絡(luò)串口將軟件模型直接傳輸?shù)接布到y(tǒng)中即可，節(jié)省了硬件開發(fā)完成后的調(diào)試時間，優(yōu)化了單片機嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，使單片機嵌入式系統(tǒng)編碼程序能夠更好的實現(xiàn)。

基于單片機的嵌入式系統(tǒng)在實踐過程中要采用相應(yīng)的抗干擾措施，避免對嵌入式系統(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行控制電路的切斷，實現(xiàn)電磁隔離功能，降低電磁對嵌入式系統(tǒng)硬件的影響，也可以將金屬箱體對嵌入式系統(tǒng)進行隔離，消除外界的電磁干擾。利用指令冗余技術(shù)也可以對嵌入式系統(tǒng)的軟件操作進行調(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)軟件程序的正常運行。

5 基于單片機的嵌入式系統(tǒng)功能測試和網(wǎng)絡(luò)擴展

5.1 梯形圖指令測試

單片機主要應(yīng)用于工業(yè)自動控制裝置上，所以單片機的主要使用人員為電氣技術(shù)人員，在對單片機嵌入式系統(tǒng)功能進行測試時，可以利用梯形圖語言以及相關(guān)的邏輯功能圖和邏輯方程進行測試。例如在對工業(yè)運料小車進行控制時，運料小車在A點進行裝料，運送到B點，至B點之后小車繼續(xù)返回到A點，小車在運行過程中可以自動和手動的進行控制（如圖1所示）。

圖1 運料小車往返行進示意圖

在小車行進過程中，為了滿足相關(guān)的自動和手動控制，需要對小車進行I/O指令分配，該套行進流程內(nèi)需要設(shè)置2個啟動按鈕和行程開關(guān)，并設(shè)置1個總啟停按鈕，對運料小車的

往返運行進行實時控制，小車的運行一共需要設(shè)置9個I/O控制點，如圖2所示為I/O控制點的實際接線圖。

圖2 小車往返運行I/O控制點實際接線圖

按照此接線圖來實行小車的往返運行控制可以保證小車的運行邏輯正確，保證了單片機嵌入式系統(tǒng)運行的平穩(wěn)，所以證明了嵌入式系統(tǒng)可以滿足單片機的運行需求。

5.2 單片機嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)擴展

在對單片機嵌入式系統(tǒng)進行網(wǎng)絡(luò)擴展，可以將不同的設(shè)備全部連入同一個網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)備操作，實現(xiàn)了單片機之間的通訊互聯(lián)，以便企業(yè)對單片機嵌入式系統(tǒng)進行集中管理。在進行網(wǎng)絡(luò)擴展時可以進行CAN網(wǎng)絡(luò)擴展。CAN網(wǎng)絡(luò)是一種主從結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，主從結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是指系統(tǒng)中具有主節(jié)點和從節(jié)點，主節(jié)點主要負責發(fā)布執(zhí)行命令，而從節(jié)點可以接受命令進行具體的操作。通過對主節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進行監(jiān)控，可以對整個單片機嵌入式系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行監(jiān)控，準確發(fā)現(xiàn)單片機的運行狀態(tài)，保證單片機嵌入式系統(tǒng)的正常運行。

6 結(jié)論

單片機嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與實踐已經(jīng)成為了嵌入式系統(tǒng) （下轉(zhuǎn)第262頁）

（上接第259頁）

的研究核心，隨著單片機的應(yīng)用逐漸普及，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)也越來越重要。通過對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計和嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核進行分析，研究單片機嵌入式系統(tǒng)編碼程序的實現(xiàn)，希望可以提高單片機運行性能，實現(xiàn)單片機的集成化發(fā)展。

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