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摘要：嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)技術(shù)的研究在近年來(lái)受到了公眾廣泛歡迎，本文圍繞嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行討論，提出幾點(diǎn)思考，僅供參考。

關(guān)鍵詞：嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)；軟件設(shè)計(jì)；技術(shù)

嵌入式屬于軟件設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的一個(gè)分支，由于其自身具備的很多特點(diǎn)最終決定了系統(tǒng)架構(gòu)師的選擇，另外它也具備一些環(huán)節(jié)有一定的通用性，能夠被廣泛應(yīng)用到其他的一些領(lǐng)域中。

1嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概述

確切地來(lái)說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展史已經(jīng)有很長(zhǎng)時(shí)間了，起初被應(yīng)用于軍事、航空航天及工業(yè)控制工作中，自20世紀(jì)90年代中期以后，開(kāi)始在互聯(lián)網(wǎng)、通信、以及信息家電等各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用到了嵌入式系統(tǒng)，也就是說(shuō)，該系統(tǒng)開(kāi)始逐步進(jìn)入了人們的生活中，為此也使得計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)由PC時(shí)代普及至計(jì)算機(jī)及嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合的后PC時(shí)代。那么究竟什么是嵌入式系統(tǒng)呢？它是一種以應(yīng)用為核心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它的特點(diǎn)是實(shí)時(shí)、專(zhuān)用、資源有限等，所以，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，它既具備普通計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)共性，同時(shí)也具備一定的特殊性。傳統(tǒng)的嵌入式軟件設(shè)計(jì)給我們的印象是單片機(jī)，匯編，高度依賴(lài)硬件，而且傳統(tǒng)嵌入式軟件在開(kāi)發(fā)過(guò)程中只是看重它的本身功能的實(shí)現(xiàn)，卻忽視了代碼的復(fù)用，同時(shí)數(shù)據(jù)還和界面相互分離，以及可測(cè)試性等因素。從這些特點(diǎn)集中來(lái)說(shuō)，最終導(dǎo)致軟件的最終質(zhì)量過(guò)于依賴(lài)開(kāi)發(fā)者的水平。隨之嵌入式系統(tǒng)軟件的發(fā)展，如今的嵌入式系統(tǒng)軟件在包括功能、規(guī)模和復(fù)雜程度等各方面均收獲了大幅度的提高。例如Marvell公司生產(chǎn)的PXA3系列，其最高主頻已經(jīng)達(dá)到800Mhz，內(nèi)部建有USB，WIFI，2D圖形加速以及32位DDR內(nèi)存。從硬件方面進(jìn)行分析，現(xiàn)如今的嵌入式系統(tǒng)顯然已經(jīng)超越了數(shù)年之前的PC平臺(tái)。從軟件方面分析，很顯然已經(jīng)形成了成熟的操作系統(tǒng)，例如Symbian，Linux，WinCE。在完善的操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上其他的一些應(yīng)用程序同樣也凸顯出來(lái)，比如字處理，圖像處理以及視頻、音頻和游戲處理或者網(wǎng)頁(yè)瀏覽等，這些程序的復(fù)雜性乃至功能性可謂相較PC軟件只增不減。原本那些大部分選擇使用專(zhuān)用硬件及系統(tǒng)的公司也開(kāi)始慢慢從各方面轉(zhuǎn)換思路，憑借出色且廉價(jià)的硬件完善操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用軟件代替之前專(zhuān)用硬件能夠完成的所有功能，以達(dá)到更高成本及低成本的可變更及可維護(hù)性[1]。

2我國(guó)嵌入式技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

自從20世紀(jì)嵌入式系統(tǒng)概念提出之后，它就憑借自身高性能、低功耗、低成本、小體積的優(yōu)勢(shì)，收獲了前所未有的發(fā)展，但也因?yàn)槭艿疆?dāng)時(shí)硬件水平制約的緣故，使得嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方式以及以PC為主要代表的通用型計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)方式從一開(kāi)始的時(shí)候就存在差異性。起初的嵌入式系統(tǒng)硬件僅僅只是一個(gè)基于8位數(shù)的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，而且系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)者也往往都是其開(kāi)發(fā)者，編程語(yǔ)言大部分都是以匯編語(yǔ)言為主的，硬件設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)的時(shí)候往往會(huì)綜合考慮到程序的編寫(xiě)問(wèn)題，但在實(shí)際程序設(shè)計(jì)時(shí)，又必須考慮到硬件的配合，所以，對(duì)于嵌入式軟件的編程開(kāi)發(fā)，相關(guān)都非常了解系統(tǒng)底層軟、硬件各部位細(xì)節(jié)。鑒于軟硬件開(kāi)發(fā)條件的制約，通常情況下這些系統(tǒng)都是用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)或者多個(gè)簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)的采集控制的，并且其程序的控制結(jié)構(gòu)也大多以簡(jiǎn)單的控制循環(huán)為主，并且配合中斷服務(wù)以實(shí)現(xiàn)呼應(yīng)外界請(qǐng)求，不予采用操作系統(tǒng)，因此，開(kāi)發(fā)人員在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)工具理解掌握方面有一定的局限性。另外，有一大群人則更感興趣以MicrosoftWindows、Linux為代表的操作系統(tǒng)，他們深深沉陷于操作系統(tǒng)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)當(dāng)中，他們的興趣點(diǎn)在于怎么樣使用像VC、VB、Java一類(lèi)的高級(jí)編程語(yǔ)言，關(guān)心在操作系統(tǒng)中如何更加復(fù)雜且精彩地進(jìn)行應(yīng)用，卻疏于對(duì)系統(tǒng)中硬件細(xì)節(jié)問(wèn)題的關(guān)心。立足傳統(tǒng)意義上的觀點(diǎn)進(jìn)行考慮，通常我們都把前者歸結(jié)為硬件開(kāi)發(fā)人員，但對(duì)于后者則常常稱(chēng)為是軟件程序員。

在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，此二者幾乎都是井水不犯河水，都存在各自的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，人們?cè)谶@方面的應(yīng)用需求也越來(lái)越高，尤其在伴隨著人們對(duì)以ARM、PowerPC、MPS等高性能嵌入式微處理器的普遍使用，使傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)概念出現(xiàn)了大幅度的變化。我們以基于8位數(shù)的嵌入式系統(tǒng)為舉例，當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)面對(duì)人們?cè)絹?lái)越復(fù)雜的使用需求，并且這種要求范圍越來(lái)越廣泛時(shí)，系統(tǒng)每增加一項(xiàng)新功能，都會(huì)引起應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)方面的變化，或者是需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，但這種問(wèn)題是在基于操作系統(tǒng)的通用型計(jì)算機(jī)則就小很多，很明顯，嵌入式系統(tǒng)軟件最大的缺陷就體現(xiàn)在它不具備操作系統(tǒng)的支持，但也限于8位機(jī)系統(tǒng)比較有限的運(yùn)算能力或存儲(chǔ)容量的限制，不能夠支持操作系統(tǒng)的整體化運(yùn)行，對(duì)此，即便很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了這個(gè)問(wèn)題，并沒(méi)有找到好的解決方法。自20世紀(jì)九十年代后，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人們提出了“片上系統(tǒng)”的概念，現(xiàn)階段的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)步入了以Soc為核心的階段，很明顯，Soc為高性能的嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了廣闊的平臺(tái)，但它所具備的極其強(qiáng)大的運(yùn)算能力或存儲(chǔ)能力，卻能夠支持極其復(fù)雜的嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn)行。嵌入式系統(tǒng)軟件是繼嵌入式微處理器性能不斷發(fā)展之后才慢慢發(fā)展起來(lái)的，近幾年隨著嵌入式系統(tǒng)軟件應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，究其原因主要在于嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)復(fù)雜度的提高，再加上嵌入式微處理器的推廣應(yīng)用，為其嵌入式系統(tǒng)軟件的硬件平臺(tái)的運(yùn)行提供了保障。另外目前在嵌入式系統(tǒng)軟件使用過(guò)程中種類(lèi)繁多，而占據(jù)市場(chǎng)份額較高的有Linux、WindowsCE、VxWorks、QNX、eCos、uC/OSII等。確切地說(shuō)，嵌入式操作系統(tǒng)可以劃分為兩大類(lèi)，即商業(yè)級(jí)嵌入式操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)通常都是在經(jīng)過(guò)比較長(zhǎng)的一段時(shí)間的使用過(guò)后，由部分大公司進(jìn)行開(kāi)發(fā)并進(jìn)行維護(hù)，并且其在使用性能方面也都具備較好的保證，比如WindowsCE，VxWorks，QNX等，但這些系統(tǒng)有一個(gè)共同的缺陷就是價(jià)格昂貴，并且也都不公開(kāi)核心代碼，單從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，它是違背嵌入式系統(tǒng)用戶(hù)定制性較強(qiáng)且升級(jí)換代快的特點(diǎn)的。也正是因?yàn)槿绱?，它的?yīng)用范圍才受到了限制。還有一類(lèi)屬源代碼開(kāi)放的嵌入式操作系統(tǒng)，像是Linux、eCos和uC/OSII等，即使此類(lèi)系統(tǒng)從技術(shù)支持或服務(wù)方面存在缺陷，但對(duì)于開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)要求卻比較高，同時(shí)也因?yàn)橛脩?hù)可定制性好且具備可持續(xù)開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)下對(duì)于它的應(yīng)用相較于商業(yè)嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)更多一些。

3嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1電子設(shè)備

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)質(zhì)上屬于一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定的應(yīng)用設(shè)計(jì)出來(lái)的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，”嵌入式系統(tǒng)同時(shí)為控制、監(jiān)視及輔助設(shè)備和機(jī)器或者是用作工廠運(yùn)作的設(shè)備儀器。相較于普通的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同點(diǎn)在于，嵌入式系統(tǒng)軟件一般執(zhí)行的屬附帶特定要求的預(yù)先定義的任務(wù)。又因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)軟件僅針對(duì)某一項(xiàng)特定的特殊任務(wù)，因此設(shè)計(jì)人員只能將其優(yōu)化，并且減小尺寸并降低其成本。一般嵌入式系統(tǒng)都會(huì)進(jìn)行大批量生產(chǎn)，因此單個(gè)生產(chǎn)成本就會(huì)節(jié)約很多，可以隨著產(chǎn)量大小呈數(shù)以千計(jì)的倍數(shù)不斷放大。嵌入式系統(tǒng)軟件具體是用于控制或監(jiān)視機(jī)器、裝置和工廠等比較大規(guī)模的設(shè)備系統(tǒng)的。國(guó)內(nèi)比較普遍地為嵌入式系統(tǒng)定義為：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)作為基礎(chǔ)，并且軟硬件都可以裁剪，適合應(yīng)用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本和體積以及功耗等嚴(yán)格控制的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)使用系統(tǒng)，它的應(yīng)用范圍非常廣泛。我們生活中使用的家庭自動(dòng)化產(chǎn)品和家用電器、手提電話(huà)及自動(dòng)柜員機(jī)（ATM）等都有應(yīng)用[2]。

3.2信息家電

此為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用范圍最廣的一個(gè)領(lǐng)域，日常我們常見(jiàn)的冰箱、空調(diào)等家用電器的智能化和網(wǎng)絡(luò)化將會(huì)把人們帶入一個(gè)新的生活空間。即便家中沒(méi)人，通過(guò)電話(huà)線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)也可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，嵌入式系統(tǒng)在這些設(shè)備中將會(huì)發(fā)揮出其極大的功用。

3.3環(huán)境工程

用于水文資料的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、應(yīng)用于防洪體系和水土質(zhì)量監(jiān)測(cè)，堤壩安全，地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)，及實(shí)時(shí)氣象信息網(wǎng)，水源以及空氣污染監(jiān)測(cè)。于很多惡劣環(huán)境下，并且地況較為復(fù)雜的地區(qū)，嵌入式系統(tǒng)都可以進(jìn)行無(wú)人監(jiān)測(cè)。

3.4POS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)

公共交通不具備智能發(fā)卡系統(tǒng)，公共電話(huà)卡發(fā)行系統(tǒng)，或者自動(dòng)售貨機(jī)以及各種終端智能ATM機(jī)等都會(huì)慢慢進(jìn)入人們的日常生活。

3.5家庭智能管理系統(tǒng)

嵌有專(zhuān)用控制芯片會(huì)逐步替代水、電、燃?xì)獗淼倪h(yuǎn)程自動(dòng)抄表以及防盜系統(tǒng)人工檢查工作，而且能發(fā)揮出它更高、準(zhǔn)確度更高且安全性能更好的性能。在當(dāng)前的服務(wù)領(lǐng)域，包括像遠(yuǎn)程點(diǎn)菜器等都已經(jīng)慢慢彰顯出了嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

3.6工業(yè)控制

目前嵌入式芯片的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備在未來(lái)將收獲一片光明的發(fā)展前途，當(dāng)前也已經(jīng)有大量的8位、16位以及32位嵌入式微控制器被廣泛應(yīng)用到工業(yè)控制當(dāng)中。而網(wǎng)絡(luò)化則成了提升產(chǎn)品的生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量并且減少人力資源的核心途經(jīng)，比如工業(yè)過(guò)程控制和數(shù)字機(jī)床以及電力系統(tǒng)與電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)和石油化工系統(tǒng)等等。

3.7機(jī)器人

嵌入式芯片的應(yīng)用和發(fā)展更加凸顯出了機(jī)器人微型化且高智能的優(yōu)勢(shì)，而且還會(huì)更大幅度使機(jī)器人的價(jià)格再度降低，促進(jìn)其更加廣泛地應(yīng)用于工業(yè)及服務(wù)業(yè)等諸多領(lǐng)域。

3.8交通管理

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于車(chē)輛導(dǎo)航、流量控制和信息監(jiān)測(cè)以及汽車(chē)服務(wù)方面，并且其內(nèi)部嵌有CPs模塊，GSM模塊的移動(dòng)定位終端當(dāng)前也被成功地應(yīng)用于各種運(yùn)輸行業(yè)。

3.9軍用

戰(zhàn)爭(zhēng)中用于各種武器控制（火炮、導(dǎo)彈、智能炸彈導(dǎo)引爆裝置）、坦克、艦艇、轟炸機(jī)等各種陸?？哲娪秒娮友b備，雷達(dá)、電子對(duì)抗軍事通信裝備和野戰(zhàn)中指揮作戰(zhàn)使用的作戰(zhàn)裝備等等。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)技術(shù)的出現(xiàn)在未來(lái)幾十年里將會(huì)普遍地出現(xiàn)在我們的生活中，它將會(huì)為我們的學(xué)習(xí)、工作和生活帶來(lái)更多的便捷，也會(huì)將我們帶入一個(gè)高質(zhì)量的生活狀態(tài)。

作者：盧增寧 單位：宿遷澤達(dá)職業(yè)技術(shù)學(xué)院