郭倫，李樂(lè)星，于佳慧

摘要：嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)指的是任意包含的可編程計(jì)算機(jī)設(shè)備，而可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)屬于其中的一種應(yīng)用特例，其具有可持續(xù)性、可移動(dòng)性以及人機(jī)交互等特征，大大加強(qiáng)了和使用者之間的聯(lián)系，為使用者提供通信、提醒、感知以及測(cè)量環(huán)境等諸多服務(wù)，國(guó)產(chǎn)化嵌入式系統(tǒng)能夠極大地提升使用者的工作效率。文章以實(shí)現(xiàn)可滿足計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能以及性能需求的嵌入式系統(tǒng)為研究目的，對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成、國(guó)產(chǎn)化嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)I/O結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)述，并進(jìn)一步探討了國(guó)產(chǎn)化嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究工作。

關(guān)鍵詞：嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng);國(guó)產(chǎn)化;設(shè)計(jì)分析

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）34-0119-02

可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)指的是微型個(gè)人移動(dòng)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)密切結(jié)合，具備傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所不具備的功能與交互方式，并且被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域當(dāng)中，如軍事方面，其可實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的快速獲取與處理，在通信方面也有眾多優(yōu)勢(shì)。其對(duì)社會(huì)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，當(dāng)前國(guó)內(nèi)可穿戴計(jì)算機(jī)相關(guān)研究起步比較晚，依然處于發(fā)展階段，整體水平落后。嵌入式系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟硬件為基礎(chǔ)，適用于系統(tǒng)對(duì)功能、成本、體積、可靠性、功耗嚴(yán)格要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。近年來(lái)，隨著微電子工藝技術(shù)的不斷提升，集成電路制造領(lǐng)域逐漸將嵌入式應(yīng)用所需的微處理器I/O接口、A/D、轉(zhuǎn)換串行接口以及ROM、RAM集成到VLSI當(dāng)中，并制造出微控制器，即單片機(jī)。并且逐漸被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，針對(duì)各項(xiàng)不同應(yīng)用的實(shí)際需求，不斷改進(jìn)與優(yōu)化工藝技術(shù)，提升運(yùn)行速度和效率，降低功耗。

1 國(guó)產(chǎn)化嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成及處理器

1.1 國(guó)產(chǎn)化嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成

嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般情況下，被廣泛應(yīng)用于特殊化且需要滿足特性要求的計(jì)算機(jī)設(shè)備功能應(yīng)用當(dāng)中，這也使得嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加豐富多樣化，當(dāng)前嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要分為兩種。即以電子技術(shù)為核心主體的應(yīng)用類型，該應(yīng)用模式軟、硬件具有隨意性特征，缺乏計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法，只適合于應(yīng)用比較少的嵌入式系統(tǒng)軟硬件，具有電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。還有一種是隨著近年來(lái)互聯(lián)網(wǎng)與電子終端的普及，網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)步入了高速發(fā)展階段，處理器芯片設(shè)計(jì)與制造技術(shù)也在快速的進(jìn)步，市場(chǎng)與人們的需求不斷增加，也使得嵌入式系統(tǒng)被逐漸應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體等多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。通過(guò)分析與總結(jié)不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)主要包含以下幾個(gè)部分。首先是被應(yīng)用于嵌入式計(jì)算機(jī)功能控制的系統(tǒng)，針對(duì)具體應(yīng)用的不同，應(yīng)當(dāng)選擇適用于特定嵌入式系統(tǒng)的功能控制程序或者嵌入式操作系統(tǒng)。單進(jìn)程功能控制程序功能相對(duì)更加單一化，大多數(shù)都是定制的，并且應(yīng)用于更加簡(jiǎn)單的應(yīng)用控制當(dāng)中，嵌入式操作系統(tǒng)則被應(yīng)用于各種不同類型微處理器當(dāng)中，且具有良好兼容性與擴(kuò)展性，同時(shí)還支持網(wǎng)絡(luò)、多任務(wù)、目錄管理以及用戶界面等多項(xiàng)功能，開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序也相對(duì)更加簡(jiǎn)單，具有豐富嵌入式應(yīng)用軟件。其次是以存儲(chǔ)器以及處理器為核心，也是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要核心部分，其直接決定嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)與性能。再者是針對(duì)實(shí)際需求選擇基本輸入/輸出、多媒體以及控制通信接口[1]。

1.2 嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方式

（1）開(kāi)發(fā)復(fù)雜程度

各類多媒體與通信設(shè)備、家電等復(fù)雜系統(tǒng)都是需要比較強(qiáng)大的微處理器去完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。如當(dāng)前比較常見(jiàn)的手機(jī)需要具備多屏顯示、網(wǎng)頁(yè)瀏覽以及信息發(fā)送、查找等多項(xiàng)功能，很多攝像機(jī)也具備數(shù)據(jù)壓縮、自動(dòng)識(shí)別以及自動(dòng)化智能處理等功能，需增加DSP功能，電話交換機(jī)采用多處理器結(jié)構(gòu)。

（2）開(kāi)發(fā)形式和手段

隨著開(kāi)發(fā)對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜，硬件與軟件設(shè)計(jì)占比也在逐漸發(fā)生改變，軟件開(kāi)發(fā)占比不斷增加，系統(tǒng)設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，不能由一個(gè)設(shè)計(jì)師去完成軟硬件的設(shè)計(jì)，而需要團(tuán)隊(duì)分工合作去完成。從而推動(dòng)了開(kāi)發(fā)形式及工具的發(fā)展，特別是硬件、軟件協(xié)同設(shè)計(jì)及相關(guān)管理技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具與技術(shù)手段也得到了迅速的發(fā)展。

（3）開(kāi)發(fā)平臺(tái)

隨著人們的需求不斷發(fā)生改變，為了提升時(shí)效，以往的設(shè)計(jì)模式逐漸改變，被采用具有IP產(chǎn)品所替代，從而極大地推進(jìn)了標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及調(diào)試技術(shù)的快速發(fā)展。因?yàn)?2位架構(gòu)的MPU資源非常豐富，且指令集龐大，系統(tǒng)軟件也更加復(fù)雜化，系統(tǒng)在多任務(wù)情況下，會(huì)選擇RTOS當(dāng)作開(kāi)發(fā)平臺(tái)，對(duì)多任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。系統(tǒng)需要連接INTERNET網(wǎng)，如果采用的是支持TCP/IP協(xié)議的嵌入式操作系統(tǒng)，就能夠大幅度降低復(fù)雜多任務(wù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)難度。

（4）開(kāi)發(fā)語(yǔ)言

從8/16位微處理器逐漸朝著32位轉(zhuǎn)換過(guò)程中，其使用的軟件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言也會(huì)逐漸發(fā)生改變，以往微處理器并沒(méi)有太多性能冗余，軟件編寫也適用于其處理功能，所以，軟件開(kāi)發(fā)更多的是應(yīng)用于語(yǔ)言編寫。8/16微處理器采用的是高等級(jí)語(yǔ)言編程，之后再轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)言執(zhí)行，但是以往編譯效率不高，運(yùn)行效率大幅度下降，其本身的處理速度也比較有限，隨著對(duì)微處理器性能不斷提升，高級(jí)語(yǔ)言的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。

2 國(guó)產(chǎn)化嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

2.1 嵌入式可穿戴計(jì)算機(jī)特點(diǎn)及功能

可穿戴計(jì)算機(jī)由主機(jī)完成整個(gè)系統(tǒng)的信息處理、計(jì)算以及系統(tǒng)資源控制，可穿戴計(jì)算機(jī)功能和結(jié)構(gòu)更多受任務(wù)復(fù)雜性、可選擇部件以及設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想等諸多方面因素影響。對(duì)可穿戴計(jì)算機(jī)主體制定任務(wù)以及對(duì)計(jì)算能力進(jìn)行了綜合分析，從而進(jìn)一步確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)更為適合的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其不只是將計(jì)算機(jī)微型化，而是將人機(jī)緊密結(jié)合在一起，促使人的大腦得到有效擴(kuò)充和延伸，從而增強(qiáng)了智能性，弱化了“人操作機(jī)器”，完成了極大的轉(zhuǎn)變。為了有效實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，計(jì)算機(jī)應(yīng)當(dāng)具備以下特點(diǎn)：可移動(dòng)或者是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下可使用，可進(jìn)行有效控制，功能豐富，且具備可持續(xù)性。從計(jì)算機(jī)特征來(lái)看，我們也能夠總結(jié)出可穿戴計(jì)算機(jī)應(yīng)當(dāng)具備輕型化、低能耗以及豐富外設(shè)接口等特點(diǎn)，針對(duì)系統(tǒng)特點(diǎn)，選擇符合以上特點(diǎn)的選材與設(shè)計(jì)方案[2]。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信功能

可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備網(wǎng)絡(luò)通信遠(yuǎn)程信息獲取能力，只有這樣才能夠完成機(jī)器輔助人的使命，因?yàn)槠渚邆湟苿?dòng)性，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是非常重要的通信手段。當(dāng)前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，可以保留有線網(wǎng)絡(luò)接口，從而便于在需要情況下，獲取高速的信息數(shù)據(jù)。在多層次通信協(xié)議當(dāng)中，由CPU負(fù)責(zé)鏈路層及以上通信協(xié)議，包含數(shù)據(jù)信息的拷貝、拆分重組及校驗(yàn)。

2.3 加密與解密功能

因?yàn)榭纱┐饔?jì)算機(jī)需要與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)互連，在這個(gè)執(zhí)行過(guò)程中，很容易會(huì)受到干擾、攻擊以及監(jiān)測(cè)，因此，保密也是關(guān)鍵問(wèn)題，可充分利用可穿戴計(jì)算機(jī)加密解密程序去實(shí)現(xiàn)，包含通訊任務(wù)以及關(guān)鍵信息等。常見(jiàn)的手法有：IDEA、DES、RSA等，對(duì)于可靠性整體要求大幅度提升，加密運(yùn)算量也大幅度提升，DES算法復(fù)雜度也發(fā)生了巨大變化。

2.4 多媒體處理功能

在很多的應(yīng)用場(chǎng)合環(huán)境下，要求可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具備良好的文字、聲音以及圖像等多種處理能力，因此，也對(duì)計(jì)算機(jī)處理能力提出了更高的要求，多媒體很多時(shí)候是以龐大數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)。當(dāng)前常用的媒體數(shù)據(jù)壓縮方式是從時(shí)域到頻域變換，如DCT變換，再輔以游程碼以及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法，時(shí)域與頻域變化計(jì)算非?？捎^，運(yùn)動(dòng)圖像壓縮計(jì)算量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)以上計(jì)算量[3]。

2.5 嵌入式可穿戴計(jì)算機(jī)主機(jī)性能分析

2.5.1 計(jì)算能力分析

通過(guò)以上分析，能夠得出可穿戴計(jì)算機(jī)主機(jī)必須完成的各類基本任務(wù)當(dāng)中，多媒體信息處理以及通信數(shù)據(jù)加密解密的整體計(jì)算量最大，而語(yǔ)音傳輸在多媒體信息處理過(guò)程中，具有實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，采集獲取的語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)解壓縮之后延遲較小，且不會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量。運(yùn)動(dòng)圖像必須要保障視頻具有連續(xù)性特點(diǎn)，且數(shù)據(jù)壓縮率也能夠最大程度上保障在一定寬帶條件環(huán)境下將數(shù)據(jù)進(jìn)行正常傳輸?？纱┐饔?jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)具備比較強(qiáng)的多媒體處理綜合能力，尤其是極端能力備受關(guān)注，這也是選擇處理器過(guò)程中重點(diǎn)考慮的因素，而S3C2410A便能夠完全滿足該要求[4]。

2.5.2 儲(chǔ)存能力分析

為了保障系統(tǒng)的信息處理能力滿足實(shí)際要求，僅僅靠著比較強(qiáng)的CPU顯然是不夠的，存儲(chǔ)器的重要性也是非常突出的，速度與容量適當(dāng)?shù)膬?nèi)存，能夠最大程度上發(fā)揮計(jì)算機(jī)處理器的綜合處理能力。就目前可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，儲(chǔ)存量也隨著處理能力逐漸增大，并且當(dāng)前的可穿戴計(jì)算機(jī)不再采用傳統(tǒng)PC機(jī)當(dāng)中的IDE硬盤，由FLASH存儲(chǔ)器或體積更小的硬盤驅(qū)動(dòng)器取代。如東芝公司的1.8英寸硬盤等，存儲(chǔ)器種類以及容量會(huì)涉及目標(biāo)確定以及操作系統(tǒng)選擇等多方面因素的影響?？纱┐饔?jì)算機(jī)應(yīng)用環(huán)境下，最大程度上減少存儲(chǔ)器當(dāng)中占用空間以及消耗的功耗，面對(duì)龐大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器顯然已經(jīng)無(wú)法滿足，在具體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，可采用ATA接口2.5英寸硬盤存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，采用低容量Flash存儲(chǔ)系統(tǒng)的啟動(dòng)代碼[5]。

3 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)化嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究成為熱點(diǎn)，而基于嵌入式操作系統(tǒng)uCLinux軟件開(kāi)發(fā)也逐漸受到了人們的廣泛關(guān)注。文章通過(guò)對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)、發(fā)展趨勢(shì)以及處理器的不同應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步探討了嵌入式可穿戴計(jì)算機(jī)的具體性能要求以及關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)嵌入式可穿戴計(jì)算機(jī)的實(shí)際需求以及不同處理器的特點(diǎn)，選擇了嵌入式處理器S3C2410A，并給出了基于S3C2410A的I/O設(shè)備與接口模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于嵌入式操作系統(tǒng)uCLinux的可穿戴計(jì)算機(jī)演示系統(tǒng)，充分運(yùn)用硬件系統(tǒng)各項(xiàng)功能模塊，滿足系統(tǒng)驗(yàn)證的目的，也為國(guó)產(chǎn)化嵌入式操作系統(tǒng)的研發(fā)及其應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姜廣順，金芮芃，曹佩武，等.遙碼通信系統(tǒng)的反設(shè)計(jì)和國(guó)產(chǎn)化研究[J].兵工自動(dòng)化，2016，35（10）：1-3，16.

[2]喬磊， 楊樺， 劉波，等. 國(guó)產(chǎn)化空間飛行器嵌入式操作系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[C]// 中國(guó)宇航學(xué)會(huì). 中國(guó)宇航學(xué)會(huì)，廣西北海：中國(guó)宇航學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)委員會(huì)2011年度技術(shù)交流會(huì)，2011：243-248.

[3] 范成，李芳芳，范祥華，等.基于國(guó)產(chǎn)化軟硬件平臺(tái)的指控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[C]//2014第二屆中國(guó)指揮控制大會(huì)論文集.北京，2014：174-177.

[4] 周海力，朱達(dá)書(shū)，劉沖，等.基于PC104結(jié)構(gòu)的龍芯1A嵌入式控制模塊設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2017，36（10）：98-101，121.

[5] 李釗，李文新，金田.基于BM3803的操作系統(tǒng)移植和應(yīng)用研究[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2016，14（3）：311-316，323.

【通聯(lián)編輯：唐一東】