嵌入式系统概述张晶.docx

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嵌入式系统概述张晶

嵌入式系统概述

张晶，曾宪云

（广东工业大学自动化学院，广州510090）

第

#!

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期电测与仪表

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年第

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期

’-./01.2’3-2450-6-7/8974/056-7/2/1&7:

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系统中的

<

语言编译器要专门进行优化，以提高编

译效率。

优秀的嵌入式系统

<编译器代码长度和执

行时间仅比以汇编语言编写的同样功能程序长

=>

*+?

。

新型的微控制器指令及

@A<（片上系统）速度

不断提高，存储器空间也相应加大，已经达到甚至

超过了目前的通用计算机中的微处理器，为嵌入式

系统工程师采用过去一直不敢问津的

了条件。

但是，

码生成效率方面不免有所下降。

为此，针对嵌入式

应用，制定了减小代码尺寸的

了

的主要优点，提供对

的向上兼容性，并满

足嵌入式系统设计的一些特殊要求。

发和个人计算机、小型机等之间在开发上的差别正

在逐渐消除，软件工程中的很多经验、方法乃至库

函数可以移植到嵌入式系统。

（

!

）源程序模拟器

源程序模拟器是在广泛使用的、人机接口完备

的工作平台上，如小型机和

D<，通过软件手段模拟

执行为某种嵌入式处理器内核编写的源程序测试

工具，简单的模拟器可以通过指令解释方式逐条执

行源程序，分配虚拟内存空间和外设，供程序员检

查；高级的计算机可以利用计算机的外部接口模拟

出处理器的

9CA电气信号。

模拟器软件独立于处理器硬件，一般与编译器

集成在同一个环境中，是一种有效的源程序检验和

测试工具。

但模拟器毕竟是以一种处理器模拟另一

种处理器的运行，在指令执行时间、中断响应、定时

器等方面很可能与实际处理器有相当的差别。

（

#）EFA@开发平台

软件技术的进步，特别是嵌入式实时操作系统

的推出，为开发复杂嵌入式系统应用软件提供了底

层支持和高效率开发平台。

EFA@是一种功能强大、

应用广泛的实时多任务系统软件。

它一般都具有操

作系统所具有的各种系统资源管理功能，用户可以

通过应用程序接口

:

D9调用函数形式来实现各种

资源管理。

用户程序可以在

EFA@的基础上开发并

运行。

它与通用系统机中的

A@相比，主要有系统内

核短小精悍、开销小、实时性强和可靠性高等特点。

完善的

EFA@还提供各种设备的驱动程序。

为了适

应网络应用和

97/-07-/应用。

还可以提供F

议支持。

EFA@最关键的部分是实时多任务内核，它的

基本功能包括任务管理、信息管理、资源管理、事件

管理、队列管理、旗语管理等。

这些管理功能是通过

内核服务函数形式交给用户调用的，也就是

EFA@

的

:

D9。

EFA@的引入，解决了嵌入式软件开发标准

化的难题。

随着嵌入式系统软件比重不断上升、应

用程序越来越大，对开发人员来说应用程序接口、

程序档案的组织管理成为一个大的课题。

引入

EFA@相当于引入了一种新的管理模式。

基于

EFA@开发出的程序，具有较高的可移植性。

一

些成熟的通用程序可以作为专家库函数产品推向

社会。

"嵌入式系统的发展动向

#（G

为设备网络通信提供标准接口

为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，

面向

*G世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或

多种网络通信接口。

针对外部联网要求，嵌入设备

必须配

/H-07-/网口，相应需要F

支持：

由于家用电器相互关联（如防盗报警、灯光能

源控制、影视设备等）及实验现场仪器的协调工作

等要求，新一代嵌入式设备还需具备

9,,,G!

"#、

I@J、<:

）、或90K:

通信接口，同时也需要提供相应

的组网协议软件核物理层驱动软件。

为了支持应用

软件的特定编程模式，如

L-M或无线L-M编程模

式，还需要相应的协议软件，如

NFFD、O:

D等。

#（*支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成

本

为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应

降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯

片，这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。

如：

选用最佳的编程模式和不断改进算法，采用

因此既要软件人

员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，

如

O-M和O:

D等。

#（!

提供精巧的多媒体人机界面

嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要

因素之一是他们与使用者之间的亲和力，自然和人

机交互界面。

人们与信息终端交互要求以

PI9屏幕

为中心的多媒体界面。

手写文字输入、语音拨号上

网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已获得初步

成效，一些先进的

DK:

在显示屏幕上已实现汉字写

（下转第

GG页右下）!

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就具有较长的生命周期。

嵌入式系统中的软件，一

般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，

可以随意更换，所以嵌入式系统的应用软件的生命

周期也和嵌入式产品一样长。

另外，各个行业的应

用系统和产品，和通用计算机软件不同，很少发生

突然性的跳跃，嵌入式系统的软件也因此更强调可

继承性和技术衔接性，发展比较稳定。

$

嵌入式系统的应用

嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种

通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含

了

<=>+个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬

盘、显示卡、显示器、

3&?

-6、网卡、声卡、打印机、扫

描仪、数字相机、

@AB集成器等均是由嵌入式处理

器控制的。

在制造工业、过程控制、通信、仪器、仪

表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品

等方面均是嵌入式计算机的应用领域。

最有量产效益和时代特征的嵌入式产品应属

因特网上的信息家电，如

C-D可视电话、C-D游戏

机、

C-DEF:

、G:

E电话手机以及多媒体产品，如

AHB（电视机顶盒）、F%F播放机、电子阅读机。

其中

G:

E手机算得上一种具有代表性的嵌入式设备，其

结构小巧、电池供电，且屏幕较大，能无线入网，全

球漫游，因此其功能复杂度较高、要求内嵌高，而

G:

E（无线应用协议）则赋予手机以随时随地访问

因特网的功能，读取互联网上的诸多信息服务，如

电子邮件、电子商务、气象查询等。

G:

E信息设备的

出现标志着革命性的一代嵌入式系统已经诞生。

#嵌入式系统软件技术

!

（>软件的特征

嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统

功能的关键，对嵌入式处理器系统软件和应用软件

的要求也和通用计算机有所不同。

（

>）软件要求固态化存储

为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的

软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而

不是存储于磁盘等载体中。

（

*）软件代码高质量、高可靠性

尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提

高、片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，

存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。

因

此要求程序编码和编译工具的质量要高，以减少程

序二进制代码长度，提高执行速度。

（

!

）系统软件（

IA

）的高实时性是基本要求

在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同

的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务

及时执行的关键。

单纯通过提高处理器速度是无法

完成和没有效率的。

这种任务调度只能由优化编写

的系统软件来完成，因此系统软件的高实时性是基

本要求。

（

#

）多任务操作系统是知识集成的平台和走向

工业标准化的道路基础。

!

（*开发工具

嵌入式处理器是一个复杂的高技术系统，要在

短时间内掌握并开发出所有功能是很不容易的，而

市场竞争则要求产品能够尽快上市，这一矛盾要求

嵌入式处理器能够有容易掌握和使用的开发工具

平台，提高程序员和用户的时间投入回报率。

好的开发工具除能够开发出处理器的全部功

能以外，还应当是用户友好的。

目前嵌入式系统的

开发工具平台主要包括下面几类：

（

>）实时在线仿真系统9J,

直到计算机辅助设计非常发达的今天，实时在

线仿真系统（

9J,）仍是进行嵌入式应用系统调试最

有效的开发工具。

9J,首先可以通过实际执行，对应

用程序进行原理性检验，排除以人的思想难以发现

的设计逻辑错误。

9J,的另一个主要功能是在应用

系统中仿真微控制器的实时执行，发现和排除由于

硬件干扰等引起的异常执行行为。

此外，

9J,带有完

善的跟踪功能，可以将应用系统的实际状态变化、

微控制器对状态变化的反应、以及应用系统对控制

的响应等以一种录像的方式连续记录下来以供分

析，在分析中优化控制过程。

9J,不仅是软件硬件排

错工具，同时也是提高和优化系统性能指标的工

具。

高档

9J,工具是可以根据用户投资裁减功能的

系统，亦可根据需要选择配置各种档次的实时逻辑

跟踪器、实时映像存储器及程序效率实时分析功

能。

（

*）高级语言编译器

J语言作为一种通用的高级语言，大幅度提高

了嵌入式系统工程师的工作效率，使之能够充分发

挥出嵌入式处理器日益提高的性能，缩短产品进入

市场时间。

另外，

J语言便于移植和修改，使产品的

升级和继承更迅速。

区别于一般计算机中的

J语言编译器，嵌入式摘要：

阐述了嵌入式系统的概念、特点及应用，并对其软件技术进行了讨论，同时针对其

发展现状论述了

&!

世纪嵌入式系统的发展动向。

关键词：

嵌入式系统；实时多任务操作系统

中图分类号：

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文献标识码：

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文章编号：

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期

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;0（*++*

量，将测量结果放于队尾，而扔掉原来队首的一个

数据，这样在队列中始终有

!

个“最新”的数据。

计

算平均值时，只要把队列中的

!

个数据进行算术平

均，就可得到新的算术平均值。

这样每进行一次测

量，就可计算得到一个新的算术平均值。

对于交流采样，计算电压、电流的有效值，有功

功率等可以利用滑动平均值法的原理，采用固定队

列循环移位来实现，计算公式如下：

电压有效值：

"<

=

!

!

#<=

!

$

#

*

"

电流有效值：

%<

=

!

!

#<=

!

&

#

*

"

有功功率：

’<

=

!

!

#<=

!

$

#

&

#

视在功率：

（）"%

无功功率：

*<（

*

>’

*

"

功率因数：

’+<

’

（

其中

!

———每周期采样点数；

$

#

、

&

#

———离散采样数据。

#结束语

本文采用的同步交流采样技术为有源滤波器

的矢量控制算法的实现打下了基础，在具体实验中

控制系统的性能指标达到了预定要求，证明了该方

案的可行性。

但在实际中也存在一些问题，即硬件

锁相调试比较麻烦。

随着近年来可编程逻辑器件的

广泛使用，如果能用

?

@A:

实现数字锁相环并应用

于有源滤波器的控制系统，系统的可靠性和精度必

能得到较大的提高，这也是笔者准备做的工作之

一。

参考文献：

［

=

］卓放，王跃等

（

采用双

BC@

控制技术实现的三相四线制有源电

力滤波器［

D

］

（

第七届中国电力电子与传动控制学术会议论文集，

D@,B’*++=（

［

*］王淑青，蔡维由等（交流采样测量电量的精度问题及解决方法

［

E

］

（

工业仪表与自动化装置，

*++=

（

*

）

（

［

!

］徐爱钧

（

智能化测量控制仪表原理与设计［

3

］

（

北京航空航天

大学出版社，

=""F（

作者简介：

刘小端，男，在读研究生，研究方向为单片机、

BC@测控系统，电力电

子应用技术与装置等。

收稿日期：

*++*>+*>+*

（郭松林编发）

（上接第

#=页）频率、周期、相位差、占空比等功能

的主板联接使用。

本电路在键控下向主板发出函数

波形、频率、幅值、偏移量、脉冲序列数等参数信息，

以及测频率、测周期、测相位差、测占空比、启动、停

止计数等操作等命令，接收来自主板的测量结果，

整理转换后并显示。

两块板的处理器并行工作。

由

于任务均分，接口明确，电路独立，提高了主板的性

能，且缩短了软、硬件设计和调试的周期。

参考文献

G

［

=］李华（3DC>F=系列单片机实用接口技术H3I（北京航空航天大

学出版社，

=""!

（

作者简介：

陶安利（

="F=>），男，现任山东科技大学信电学院教授，主要从事可

靠性、虚拟仪表等方面的科研工作。

收稿日期：

*++*>+*>+!

（郭松林编发）

（上接第

##页）入，短信息、语音发布。

#（#发展影响深远的软件新技术

这些技术包括：

行业性编程接口

:

@9规范、无线

网络操作系统、

9@（知识产权）构件库和嵌入式E:

%:

等。

$结束语

*=世纪初，以信息家电为代表的嵌入式系统，

其应用广泛、领域特色突出，发展空间巨大。

加之互

联网技术在世界范围的扩展和中国通信事业的高速

发展，相信嵌入式系统在我国将有美好的发展前景。

参考文献：

［

=］邵贝贝（实时操作系统入列我国嵌入式应用（="""（

［

*］吕京建等（嵌入式系统开发工具及JKLC平台［E］（电子产品世

界，

="""（"）（

［

!

］李广军（嵌入式系统与9@>DLJ,、3>DLJ,设计技术［E］（半导体

技术，

*++=（=）（

［

#］吕京建等（面向*=世纪的嵌入式系统［E］（半导体技术，*++=（$）（

［

F］97/-’（,6M-NN-N:

;;’1.2/1&74（=""F（

作者简介：

张晶（

="OO>），女，硕士研究生，主要研究方向为检测技术与自动化装

置。

收稿日期：

*++*>+*>=+

（马甲军编发）

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