李容

摘? 要：?jiǎn)纹瑱C(jī)是一種高度集成的電路芯片，被廣泛應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域。近年來(lái)，將其應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)軟件中，發(fā)揮核心作用。文章對(duì)其發(fā)展情況展開(kāi)論述，并研究單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用范圍以及工作原理。目的在于提高單片機(jī)的工作性能，促進(jìn)單片機(jī)嵌入系統(tǒng)的整體發(fā)展。

關(guān)鍵詞：嵌入系統(tǒng);單片機(jī)技術(shù);核心角色;應(yīng)用范圍

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）33-0170-02

Abstract： Single chip microcomputer is a highly integrated circuit chip which has been widely applied to industrial control field. Recently， it plays a key role in embedded system software. This paper discusses its development situation and studies the application scope and working principle of SCM technology， aiming to improve the performance of MCU and promote the whole development of MCU embedded system.

Keywords： embedded system; MCU technology; core role; application scope

1 單片機(jī)在嵌入式系統(tǒng)軟件中的應(yīng)用背景

隨著革新科技的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)軟件迅速普及。然而嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中，各種新的需求逐漸顯露，尤其是日益增大存儲(chǔ)需求，與高速下載的通信需求。嵌入式系統(tǒng)軟件因其個(gè)性化及人性化特點(diǎn)，廣受客戶青睞。然而由于市場(chǎng)體量的的不斷增大，競(jìng)爭(zhēng)趨于白熱化狀態(tài)。但是由于我國(guó)嵌入式軟件外部接口發(fā)展緩慢，以至于現(xiàn)有的內(nèi)存難以滿足日益發(fā)展的科技需求，這就需要將單片機(jī)應(yīng)用到嵌入式軟件系統(tǒng)中，以便擴(kuò)大內(nèi)存。由于芯片技術(shù)有著成熟的技術(shù)工藝，涵蓋了功能完善的SOC層，它高度的集成能力與豐富的接口，讓嵌入式軟件系統(tǒng)看到了希望。然而，芯片的研發(fā)需要巨額的資金支撐，以至于其生產(chǎn)研發(fā)，讓諸多企業(yè)望而卻步，逐漸在激烈的競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)失去一席之地。相比高集成的芯片，單片機(jī)的計(jì)算能力較差，但勝在其價(jià)格低廉、易研發(fā)，這就導(dǎo)致其能夠根據(jù)市場(chǎng)的不斷調(diào)整，快速反應(yīng)，積極調(diào)整需要研發(fā)的功能。這是單片機(jī)相比芯片，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的優(yōu)勢(shì)所在。單片機(jī)能夠基于SPI接口與外圍設(shè)備，設(shè)計(jì)拓展功能。即將單片機(jī)應(yīng)用到前嵌入式軟件系統(tǒng)中。單片計(jì)算機(jī)可以利用SPI，將所需功能積聚在CPU上，并利用單片機(jī)來(lái)拓展該軟件的各項(xiàng)功能。

嵌入式軟件系統(tǒng)，是指利用成熟的移植技術(shù)，將外部功能復(fù)制到系統(tǒng)內(nèi)部，確實(shí)外部設(shè)備能夠順暢的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)智能化控制，達(dá)到自動(dòng)化水平。嵌入式軟件系統(tǒng)相比傳統(tǒng)軟件系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯，主要表現(xiàn)在：

（1）小巧精致。嵌入式軟件系統(tǒng)主要應(yīng)用在工業(yè)設(shè)備上，多應(yīng)用于精密儀器，例如：智能控制設(shè)備、精密儀表等。這些儀器設(shè)備，本身體積就不大，想要實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，還需要將嵌入式系統(tǒng)安裝在這些系統(tǒng)中，因此，嵌入式系統(tǒng)的體量必須能夠足夠小，以滿足系統(tǒng)運(yùn)作需求。

（2）存儲(chǔ)量小。嵌入式軟件系統(tǒng)，通常使用的存儲(chǔ)介質(zhì)為Flash與ROM。其中Flash相比ROM性能更佳，但是研發(fā)成本卻呈倍數(shù)增長(zhǎng)，以至于ROM的使用更為廣泛。另外，嵌入式軟件進(jìn)程應(yīng)較小，容量較小。單片機(jī)應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中相對(duì)適合。

（3）即時(shí)性。嵌入式系統(tǒng)，需要的時(shí)效性較強(qiáng)，這就需要在時(shí)間特性上有所要求。對(duì)于一些軟件而言，一旦統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與結(jié)果超出規(guī)定時(shí)間，那么得到的效果將差強(qiáng)人意。由此可見(jiàn)，數(shù)據(jù)的及時(shí)性是如此重要。一旦嵌入系統(tǒng)的時(shí)效性不能保證，將會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成重大反面影響。

嵌入系統(tǒng)可安裝的擴(kuò)展設(shè)備主要有：外圍設(shè)備、單片機(jī)以及中央處理器。中央處理器主要利用SPI來(lái)完成和單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸與信息交換。單片機(jī)則利用已經(jīng)存在的UART接口來(lái)實(shí)現(xiàn)串口擴(kuò)展，連接各種外圍設(shè)備。最終外圍數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)整合處理利用SPI數(shù)據(jù)線，將相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)街醒胩幚砥?。反之，為確保CPU能夠訪問(wèn)到外圍設(shè)備，需要利用SPI線將相關(guān)數(shù)據(jù)信息發(fā)送到單片機(jī)，進(jìn)而達(dá)到訪問(wèn)外部設(shè)備的目的。

SPI接口，即外圍設(shè)置接口。這一接口的數(shù)據(jù)傳輸速度，相比I2C總線速度更快。所以，使用SPI接口，能夠?qū)崿F(xiàn)中央處理器和多外部設(shè)備之間信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。另外，SPI接口運(yùn)用模式為主從模式，這就需要設(shè)置一個(gè)主設(shè)備，外加多個(gè)從設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者的信息數(shù)據(jù)傳輸。SPI接口的設(shè)計(jì)，應(yīng)充分考慮中央處理器和外圍設(shè)備之間的信息數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，兩者可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。

將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到特定設(shè)備時(shí)，則可以以實(shí)際為基礎(chǔ)，利用SPI數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制多個(gè)外部設(shè)備的目的，實(shí)現(xiàn)多個(gè)外圍設(shè)備的集成。因?yàn)椴煌脑O(shè)備，其目的和功能存在明顯差異，這就要求設(shè)計(jì)者調(diào)整SPI協(xié)議與微控固件。為控制成本，節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間，可擴(kuò)展嵌入系統(tǒng)的功能。另外，外圍設(shè)備，如：MCU，能夠?qū)θ考稍O(shè)備獲取的全部信息與數(shù)據(jù)進(jìn)行提前處理，從而有效分擔(dān)中央處理器的運(yùn)算壓力，加快嵌入系統(tǒng)的反應(yīng)力。

2 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)常用的驅(qū)動(dòng)程序，是以Linux系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行深加工、廣設(shè)計(jì)的。事實(shí)上，Linux系統(tǒng)涉及到的外部設(shè)備，都被稱之為文件，以此為基礎(chǔ)，開(kāi)展相關(guān)的執(zhí)行操作，也就是在外部設(shè)備上展開(kāi)操作，這些操作內(nèi)容都是在虛擬文件系統(tǒng)中展開(kāi)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)為設(shè)備硬件和上層用戶連接的重要接口，能夠?qū)τ布O(shè)備的諸多任務(wù)進(jìn)行保護(hù)，還可以將相關(guān)硬件設(shè)備轉(zhuǎn)化成文件的形式，展示在用戶面前。通過(guò)這些設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)用戶之間的文件傳輸。用戶想要讀取所需內(nèi)容，并寫(xiě)入所想內(nèi)容，就需要相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序，旨在釋放程序設(shè)備資源，并利用相關(guān)程序?qū)⒏鞣N信息數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送出去，完成用戶、內(nèi)核、各物理層相互間的信息傳輸。嵌入式系統(tǒng)在擴(kuò)展設(shè)計(jì)的實(shí)收，中央處理器，可以利用SPI接口，實(shí)現(xiàn)主機(jī)和外部設(shè)備的信息傳輸。在對(duì)外部單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，還應(yīng)注意兩個(gè)細(xì)節(jié)，分別為SPI通信、單片機(jī)外部控制，可以把外部設(shè)備與單片機(jī)以及中央處理器整合到一起，方便使用者閱讀及寫(xiě)入。

2.1 驅(qū)動(dòng)設(shè)備的過(guò)程實(shí)現(xiàn)

中央處理器能夠?qū)⒈镜卮薪涌谂c設(shè)備直接加以集成，實(shí)現(xiàn)IO設(shè)備與單片機(jī)外圍驅(qū)動(dòng)設(shè)備的連接。我的電腦中的驅(qū)動(dòng)程序，其中硬件驅(qū)動(dòng)發(fā)生的行為取決于接口功能。一旦用戶對(duì)電腦中的文件進(jìn)行訪問(wèn)的時(shí)候，接口就會(huì)實(shí)施讀取與寫(xiě)入此類功能。一旦用戶執(zhí)行串口所規(guī)定的串行端口文件之際，驅(qū)動(dòng)器就會(huì)把使用者請(qǐng)求發(fā)送到設(shè)備的串口端口，而且串行端口驅(qū)動(dòng)對(duì)與之相對(duì)性的硬件設(shè)備的傳輸功能。

2.2 SPI協(xié)議功能執(zhí)行的過(guò)程

SPI協(xié)議組成了串行端口的外圍設(shè)備的組織結(jié)構(gòu)。主要使用在信號(hào)處理器、AD轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘以及解碼器，這些外圍設(shè)備上，由此可知，想要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸功能，就需要在芯片接頭中使用4根線，將全雙工通訊充分運(yùn)用起來(lái)。SPI協(xié)議用于通信的基本原理，主要有SCK、SDI、CS（SS）、SDO。以SCK為控制基礎(chǔ)，我的電腦中的雙向移位寄存器將數(shù)據(jù)交換動(dòng)作進(jìn)行了擴(kuò)展。SPI總協(xié)議想要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的傳輸，就需要占用我的設(shè)備中微處理器的I/O線，且需要4根。由此可見(jiàn)，SPI總接口能夠控制電源設(shè)計(jì)，很大程度的省去了諸多不必要的I/O線路與接口設(shè)備，并使得電源可靠性得到顯著提升。將SPI線路都集成于單片機(jī)，對(duì)其外圍設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)，勢(shì)必將更加復(fù)雜。這時(shí)由于中央處理器難以直接實(shí)現(xiàn)硬件發(fā)出的任務(wù)指令。SPI通信協(xié)議棧組成主要分為兩部分：虛擬通信協(xié)議棧與SPI驅(qū)動(dòng)。SPI驅(qū)動(dòng)協(xié)議主要對(duì)SPI數(shù)據(jù)包的傳輸速率進(jìn)行了定義，還規(guī)定了糾錯(cuò)方法及其他協(xié)議，保證了SPI數(shù)據(jù)包能夠在中央處理器與微控制器間實(shí)現(xiàn)直接傳輸。SPI虛擬通信棧能夠規(guī)定所有外圍設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷剑闷渌麉f(xié)議與功能代碼來(lái)優(yōu)化數(shù)據(jù)包的傳輸、分析以及封裝。設(shè)備去送虛擬的通信協(xié)議棧指的是外部擴(kuò)展設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，關(guān)鍵是由外圍設(shè)備相應(yīng)與數(shù)據(jù)處理組合而成。以上虛擬驅(qū)動(dòng)程序想要實(shí)施數(shù)據(jù)傳輸動(dòng)作的時(shí)候，需要調(diào)用的協(xié)議棧的虛擬通道。單片機(jī)將外圍串行端口都集成起來(lái)，并且這些端口可以和與之相同的本地串口驅(qū)動(dòng)內(nèi)涵進(jìn)行封裝，且在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，將變成和當(dāng)?shù)卮卸丝谝恢碌亩丝?，使之為用戶服?wù)。設(shè)備自身的串行端口驅(qū)動(dòng)能夠直接作用于執(zhí)行任務(wù)的串行端口，如果虛擬硬件不實(shí)施設(shè)備硬件發(fā)出的任務(wù)指令，只是調(diào)用協(xié)議棧中的數(shù)據(jù)通道來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，那么串行端口的數(shù)據(jù)傳輸就只能依靠外部微控制器來(lái)完成。

3 單片機(jī)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

工業(yè)領(lǐng)域，MCU是使用最為廣泛的一種嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)在成本制作與功率消耗方面都有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，且維護(hù)起來(lái)方便省事。MCU這一嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的時(shí)候，其設(shè)計(jì)非常符合人體行為學(xué)設(shè)計(jì)。應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域的MCU系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)了各種功能的網(wǎng)絡(luò)通訊接口和與之相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)控制端口，能夠執(zhí)行TCP/IP協(xié)議。

3.1 單片機(jī)應(yīng)用在電機(jī)嵌入控制系統(tǒng)中

以嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將單片機(jī)嵌入其中，用于電機(jī)控制。具體執(zhí)行過(guò)程，首先按照順序?qū)﹄姍C(jī)操控系統(tǒng)發(fā)起控制指令，對(duì)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行管理與調(diào)度，其中操作系統(tǒng)作為應(yīng)用程序控制的一個(gè)主要元素，實(shí)際操作步驟：首先，員工對(duì)需要測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)本地設(shè)備發(fā)出任務(wù)指令，指令傳輸?shù)较鄳?yīng)的部門(mén)，該部門(mén)對(duì)需要數(shù)據(jù)提前處理;其次，驅(qū)動(dòng)程序輸出的數(shù)據(jù)決定了測(cè)量數(shù)據(jù)是否安全、可靠。并且想要做好數(shù)據(jù)處理工作，就要確保驅(qū)動(dòng)輸出的數(shù)據(jù)，是預(yù)處理完畢樣本數(shù)據(jù)之后實(shí)施的。最后，對(duì)工作崗位的職能進(jìn)行明確，保證電機(jī)操控系統(tǒng)能夠切實(shí)高效的完成相應(yīng)工作。

3.2 單片機(jī)應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)嵌入控制系統(tǒng)中

現(xiàn)階段，單片機(jī)應(yīng)用在嵌入系統(tǒng)趨于廣泛，其中應(yīng)用較為廣泛的領(lǐng)域包含網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這也逐漸發(fā)展成為學(xué)術(shù)界研究的主要課題。單片機(jī)嵌入系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用隨處可見(jiàn)。單片機(jī)嵌入系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用，不僅能夠有效的收集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實(shí)施上傳與存儲(chǔ)，還能夠?qū)ν獠吭O(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并加以管理。在任務(wù)執(zhí)行期間，MCU系統(tǒng)，不僅要識(shí)別設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口，還需要確認(rèn)其和互聯(lián)網(wǎng)用戶間的連接。另外，將一些實(shí)用性較強(qiáng)的軟件應(yīng)用在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，能夠促使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更高效。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端的輸入方法與輸出方法，都與嵌入式系統(tǒng)一致，利用終端傳輸系統(tǒng)來(lái)完成控制功能，能夠全面對(duì)網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)進(jìn)行檢查，并控制網(wǎng)絡(luò)終端內(nèi)部的接口，尤其是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊接口，還能實(shí)現(xiàn)異步串行通信，確保單片機(jī)在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)嵌入系統(tǒng)中的應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，單片機(jī)應(yīng)用在嵌入式軟件系統(tǒng)中，已經(jīng)成為一種嵌入式系統(tǒng)發(fā)展實(shí)踐的重要一環(huán)。伴隨單機(jī)片技術(shù)的逐漸盛行，嵌入式系統(tǒng)備受關(guān)注，在不斷系統(tǒng)研究的過(guò)程中，核心技術(shù)的研發(fā)步入正軌，在對(duì)其深入研究的過(guò)程中，編碼程序?qū)⒌靡詫?shí)現(xiàn)，優(yōu)質(zhì)性能得以提升，集成功能得以實(shí)現(xiàn)。

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