凌陽嵌入式物聯(lián)網(wǎng)培訓_嵌入式應用設(shè)計模式

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嵌入式應用是指嵌入于各種設(shè)備及應用產(chǎn)品內(nèi)部的計算機應用。嵌入式應用分微控制器（Microcontroller，簡稱MCU）和嵌入式微處理器（Embedded Microprocessor，簡稱MPU）的應用。微控制器即國內(nèi)俗稱的單片機，由 Single Chip Computer翻譯而來，主要是面向控制，是計算機小型化發(fā)展的產(chǎn)物。嵌入式微處理器主要是面向數(shù)據(jù)處理，有相應的CPU對應。單片機是20世紀80年代初引入我國的。經(jīng) 20多年的發(fā)展，單片機品種不斷增多，功能不斷增強，應用范圍不斷擴大，開發(fā)時間（Time to Market）要求越來越短。為了節(jié)省時間，嵌入式微處理器在16位和32位應用場合得到使用，大量的微機程序可直接引用。在軟件開發(fā)上，由匯編語言編程、高級語言C語言編程，轉(zhuǎn)向在實時操作系統(tǒng)（Real Time Operating System，簡稱RTOS）之上編程。在硬件設(shè)計上，由使用分立元件和微機接口芯片轉(zhuǎn)向更加集成化的設(shè)計模式——CPU+PLD+AD/DA.CPU即 MCU或MPU， PLD即可編程邏輯器件。模數(shù)混合的集成電路很難設(shè)計生產(chǎn)，現(xiàn)階段AD/DA即模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等模擬電路還采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法。PLD芯片可以在系統(tǒng)編程ISP（In System Programming），硬件已經(jīng)軟化，隨時可以進行修改。1999年全國大學生電子設(shè)計競賽和許多產(chǎn)品的硬件設(shè)計已采用這種設(shè)計模式。為進一步縮短開發(fā)時間、加強管理，平臺觀念已逐步引入到產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程中。從隨意性開發(fā)轉(zhuǎn)向平臺開發(fā)模式是嵌入式應用軟硬件設(shè)計開發(fā)的發(fā)展趨勢。

一、 軟件開發(fā)

單片機生產(chǎn)廠家不斷增多，單片機品種層出不窮。單片機廣泛選擇是當今產(chǎn)品開發(fā)的一個重要環(huán)節(jié)。每個單片機系列的指令系統(tǒng)不同，與指令系統(tǒng)對應的匯編助記符就不同。匯編語言的不兼容性使得在一種單片機上編制的程序，在另一種單片機上不能運行，單片機重新選型后程序必須重新編制。匯編語言的難記、難讀及易搞混，每個匯編程序員深有同感。自己編制的程序過一段時間修改時，往往要重讀很大部分，經(jīng)過長時間回憶才能找到問題所在。修改別人留下的匯編源程序，若程序的注釋說明不詳細、程序的思路不清晰、子程序使用不夠多的話，還不如自己重新編制。

用C語言編程是單片機軟件開發(fā)的必然趨勢。C語言是一種編譯型程序設(shè)計語言，它兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。 C語言有功能豐富的庫函數(shù)、運算速度快、編譯效率高、可移植性好，而且可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制。C語言是一種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言，支持當前程序設(shè)計中廣泛采用的由頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計技術(shù)。采用C語言也不必對單片機和硬件接口的結(jié)構(gòu)有很深入的了解，編譯器可以自動完成變量存儲單元的分配，編程者專注于應用軟件部分的設(shè)計即可，這樣大大加快了軟件的開發(fā)速度。采用C語言可以很容易地進行單片機的程序移植工作，有利于產(chǎn)品中單片機的重新選型。采用C語言，可針對單片機常用的接口芯片編制通用的驅(qū)動函數(shù)，針對常用的功能模塊、算法等編制相應的函數(shù)。這些函數(shù)經(jīng)過歸納整理可形成專家?guī)旌瘮?shù)，供廣大的單片機愛好者使用、完善，這樣可大大提高國內(nèi)單片機軟件設(shè)計水平。C語言可讀性的特點，更容易使大家借鑒前人的開發(fā)經(jīng)驗，提高自己的軟件設(shè)計水平。對于C語言生成代碼的時空效率，一般來講，程序代碼長度增加20%，程序執(zhí)行速度約減慢20%.這在片內(nèi)程序存儲器不斷擴大、晶振頻率不斷提高的今天，已不是主要考慮的問題。況且，這是和優(yōu)秀的匯編程序員編制代碼的比較。當然，非常注重代碼效率的場合可以是以C語言為主，匯編語言為輔。匯編語言掌握到只要可以讀懂程序，在時間要求比較嚴格的模塊中進行程序的優(yōu)化即可。在可移植性方面，單片機C語言都符合ANSI C標

準，差別主要是有關(guān)片內(nèi)資源的不同配置及使用，這可以通過采用不同的頭文件，經(jīng)過少量的加工就可以實現(xiàn)。隨著國內(nèi)單片機開發(fā)工具研制水平的提高，現(xiàn)在的單片機仿真器普遍支持C語言程序調(diào)試，為單片機編程使用C語言提供了便利的條件。單片機的C語言相對微機的C語言要好學得多，它沒有微機 C語言有關(guān)文件的使用，也不必掌握標準輸入輸出設(shè)備有關(guān)的格式要求。北京航空航天大學出版社出版的《單片機的C語言應用程序設(shè)計》（修訂版）教材是專為沒有C基礎(chǔ)的人編寫的，大量的實例可引導大家進入單片機C時代。嵌入式微處理器是以C、C++甚至JAVA語言進行編程的，并普遍采用RTOS.

在嵌入式應用中使用RTOS是由于嵌入式應用一般是計算機實時系統(tǒng)，有兩個重要特性：實時性和可靠性。實時性標準常用“系統(tǒng)響應時間”來衡量，即當一外部事件發(fā)生，系統(tǒng)能在多少時間內(nèi)響應事件。RTOS分強實時和弱實時兩種。強實時RTOS用于對時間要求比較嚴格的場合。可靠性標準常用系統(tǒng)平均無故障運行時間，即平均的故障間隔時間MTBF來衡量。操作系統(tǒng)（OS）是一組計算機程序的集合，用來有效地控制和管理計算機的硬件和軟件資源，即合理地對資源進行調(diào)度，并為用戶提供方便的應用接口。它為應用支持軟件提供運行環(huán)境，即對程序開發(fā)者提供功能強、使用方便的開發(fā)環(huán)境。OS的前身就是監(jiān)控程序，類似于單片機仿真器的監(jiān)控程序。RTOS是多任務(wù)的，每個用戶的應用程序可以設(shè)計成多個不同的任務(wù)，這些任務(wù)可以并發(fā)執(zhí)行，提高系統(tǒng)的吞吐量，更有效地利用系統(tǒng)資源。常用的任務(wù)調(diào)度算法為：優(yōu)先級加輪詢、非搶占式優(yōu)先級調(diào)度、按優(yōu)先級搶占的調(diào)度算法。任務(wù)間通信與同步機制為：郵箱、隊列、信號量、事件標志。劃分任務(wù)時，任務(wù)之間的通信要盡可能少，這樣可以簡化設(shè)計。基于任務(wù)的設(shè)計可擴展、可管理、可大大提高系統(tǒng)的可靠性。RTOS提供給用戶的是各種系統(tǒng)調(diào)用。中斷、時間基準及定時的管理都由RTOS完成。采用RTOS編程可大幅度縮短程序的開發(fā)時間。RTOS一般都可裁剪、移植，適用于多種硬件環(huán)境，可以和應用程序一起固化到應用系統(tǒng)中。隨著后PC時代的來臨，微軟維納斯計劃推出Windows CE，我國女媧計劃推出自主版權(quán)的Hopen實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。 “3C”結(jié)合的信息家電問世，RTOS引起國內(nèi)業(yè)界的極大關(guān)注。國內(nèi)已引入pSOS、 VRTX、VxWorks、QNX、Nucleus等RTOS以及 CMX和RTXC小型適合單片機的帶源代碼的RTOS.免費公開內(nèi)核的RTLinux和 μCOS也是使用的熱點。清華大學出版社出版了《工業(yè)控制計算機實時操作系統(tǒng)》。國際上很有名的有關(guān)μCOS的專著《Micro C/OS-ii The Real Time Kernel》不久將在國內(nèi)翻譯出版。 RTOS會更加深入人心，嵌入式應用軟件開發(fā)由匯編、C向 RTOS發(fā)展。[!--empirenews.page--]

二、 硬件設(shè)計

單片機，即一個芯片就是一個計算機，代表著計算機小型化的理想。隨著超大規(guī)模高速集成電路 VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）的發(fā)展，專用集成電路 ASIC（Application Special Integrated Circuit）設(shè)計已使片上系統(tǒng) SOC（System On a Chip）的設(shè)計與制造正在或已經(jīng)成為現(xiàn)實。單片機和SOC是硬件設(shè)計高度集成化的產(chǎn)物。高度集成可以增加系統(tǒng)的可靠性、縮小體積并降低成本。集成電路產(chǎn)品的集成度，目前仍然保持每18個月增長一倍的發(fā)展速度（摩爾定律），而產(chǎn)品的生命周期卻日趨縮短，因此，迫切要求提高ASIC芯片的設(shè)計速度。其中最重要的是盡可能重復運用已有的設(shè)計成果，采用具有知識產(chǎn)權(quán)的功能單元塊，即IP核（Intelligence Property Core）。因此，必須重視IP核的開發(fā)和重用。在設(shè)計方法上運用電子設(shè)計自動化（EDA）工具，使用 VHDL和 Verilog硬件描述語言HDL（Hardware Description Language）進行硬件的設(shè)計。VHDL支持行為級描述，并有IEEE 87和IEEE 93標準，設(shè)計效率明顯高于Verilog，更加受歡迎。從集成電路的觀點看，單片機是IP核，常用接口芯嵌入式適合哪些專業(yè), 嵌入式技術(shù)吧, 嵌入式分布平臺, 單片機和嵌入式區(qū)別, 棗莊嵌入式工程師, qt嵌入式環(huán)境移植, 嵌入式系統(tǒng)比賽作品, 墻壁嵌入式置物臺, 嵌入式內(nèi)核版本, 嵌入式下載的軟件, 美式半嵌入式雙臺盆, 嵌入式計算機品牌, 嵌入式人機交互設(shè)計, 什么叫嵌入式面試, 40歲學習嵌入式, 嵌入式和單片機, 嵌入式系統(tǒng)怎么解釋, 嵌入式光管盤,

片 8255、8250、8279等也有類似功能的IP核。8051單片機得到Philips、Atmel等眾多廠商的支持也得益于其IP核的互換和轉(zhuǎn)讓。內(nèi)含CPU的可編程邏輯器件已列入集成電路生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)計劃。模數(shù)混合的集成電路還存在設(shè)計制造難度。目前，嵌入式應用硬件設(shè)計采用滿足要求的單片機是理想的選擇，采用CPU+PLD+AD/DA模式是明智的選擇。可編程邏輯器件的發(fā)展經(jīng)歷了由GAL/PAL、EPLD向 CPLD/FPGA（復雜可編程邏輯器件/現(xiàn)場可編程邏輯器件）發(fā)展，集成度越來越高。Lattice、Altera、Xilinx、AMD等公司提供可編程邏輯器件和EDA設(shè)計工具，支持HDL文本輸入和原理圖輸入，配備編輯、編譯、仿真、綜合、芯片編程等功能。通過在系統(tǒng)編程ISP（In System Programming）或稱在線下載，利用微機并口配有的下載電纜和可編程器件的JTAG接口相連，即可修改系統(tǒng)中PLD部分的設(shè)計，實現(xiàn)硬件設(shè)計的軟化。系統(tǒng)定制電路部分的設(shè)計已從ASIC集成電路設(shè)計的殿堂變成電子工程師的必備知識。集成電路的設(shè)計和電子電路的設(shè)計在融合。當然，單片機外接的簡單邏輯也可采用邏輯表達式和 ABEL語言設(shè)計GAL芯片或PSD器件實現(xiàn)。PSD器件上含有PLD、FLASH、EEPROM、RAM等，是單片機較理想的外接芯片�，F(xiàn)內(nèi)置 FLASH的單片機也有帶JTAG或類似接口的產(chǎn)品，支持在線程序下載，生產(chǎn)廠家有 TI、Atmel、Microchip等。只須簡單的下載開發(fā)工具，大大方便了程序的開發(fā)和現(xiàn)場的修改。在線修改是電子設(shè)計的革命，是發(fā)展方向。硬件電路設(shè)計采用VHDL語言是發(fā)展趨勢。VHDL語言是電子工程師的必備知識，VHDL語言比C語言還容易掌握。

國內(nèi)出版的VHDL書有：西安電子科技大學出版社的《VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計》（修訂版）、電子科技大學出版社的《VHDL實用教程》和清華大學出版社的《VHDL簡明教程》及《VHDL語言100例詳解》等。

三、 平臺模式

隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，人類社會正逐步進入后PC時代，嵌入式應用是當今計算機發(fā)展的一個熱點。嵌入式應用的從業(yè)人員來自各行各業(yè)，技術(shù)背景參差不齊，很多還是非電子類專業(yè)。應用的設(shè)計帶有很大的自主性、隨意性。低水平重復勞動是制約產(chǎn)品設(shè)計水平的關(guān)鍵因素。20年來嵌入式應用的發(fā)展，國內(nèi)業(yè)界已成一定氣候，嵌入式應用設(shè)計亟待從隨意性設(shè)計轉(zhuǎn)入平臺開發(fā)模式。

平臺開發(fā)模式，即在一個設(shè)計集團中，實行嚴格的標準化、系列化、規(guī)范化設(shè)計，將某一類產(chǎn)品領(lǐng)域的基本硬件結(jié)構(gòu)及基本軟件形成產(chǎn)品的“統(tǒng)一機芯”，即基礎(chǔ)平臺，并將基礎(chǔ)平臺相關(guān)的周邊擴展電路及應用軟件進行優(yōu)化、篩選，形成基礎(chǔ)平臺的平臺庫資源。在開發(fā)新產(chǎn)品時，利用基礎(chǔ)平臺，并選擇平臺庫中的相關(guān)資源進行。

嵌入式應用設(shè)計亟待發(fā)展軟/硬IP產(chǎn)業(yè)，完善軟/硬IP功能庫。專家?guī)旌瘮?shù)是廣義的軟IP，網(wǎng)絡(luò)應用使用的TCP/IP協(xié)議軟件是典型的軟 IP.在平臺方式下，基礎(chǔ)軟硬件工作可解決在平臺之中。常用的外圍接口芯片8255、8250、8279等都可以做成類似功能的硬IP，軟件庫函數(shù)可包含它們的驅(qū)動程序。鍵盤可規(guī)范成8鍵、4×4鍵、8×8鍵設(shè)計，LED顯示可規(guī)范成8個或16個數(shù)碼管。顯示和鍵盤掃描可編成標準程序。嵌入式應用的從業(yè)人員可互相借鑒交流 IP，建設(shè)自己的開發(fā)平臺。

基于平臺觀念的設(shè)計工具有我國東大阿爾派公司的NEST2000通用型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計平臺和美國I-

Logix公司的基于UML的面向嵌入式應用的軟件開發(fā)環(huán)境——Rhapsody.NEST2000面向信息終端類產(chǎn)品設(shè)計，采用32位微處理器作為核心，支持FLASH、DRAM、SRAM等存儲器，具有LCD顯示、觸摸屏、語音、鍵盤、紅外調(diào)制解調(diào)器、條形碼閱讀器、IC卡等多種外圍接口模塊，其支撐軟件包括RTOS、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TCP/IP）、圖形用戶接口（GUI）、嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及JAVA平臺等。硬件模塊可以方便地根據(jù)用戶的需求進行選擇使用，軟件平臺提供它們的驅(qū)動程序，在RTOS 之上提供給用戶應用程序接口（API），可以最快速度地完成產(chǎn)品應用軟件的開發(fā)。Phapsody采用迭代增量式軟件開發(fā)方法，支持可視化建模，支持基于模型調(diào)試。更令人驚訝的是，改變模型，代碼隨之改變，并可自動生成可讀性好，可直接使用的C、C++、 JAVA語言代碼。隨著平臺觀念逐步深入人心，愿嵌入式應用的設(shè)計人員都能建設(shè)平臺、使用平臺，借鑒前人的設(shè)計開發(fā)經(jīng)驗，利用自己的技術(shù)儲備，以最快的速度推出新產(chǎn)品。