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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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’-./01.2’3-2450-6-7/8974/056-7/2/1&7:
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系统中的
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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)! "#! 总第 ! " 卷第 #! $ 期电测与仪表 %&’(! ")&(#! $ *++* 年第 # 期 ’-./01.2’3-2450-6-7/8974/056-7/2/1&7: ;0(*++* 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: ’()% 文献标识码: * 文章编号: ! $$! +! )%$ ( &$$& ) $,+$$,&+$) ! "#$%&’$: ’-./01234.50.6.7161-.3873.51/793-/0/31.026123/79/55423/12878: .;<.9= 9.96>61.;"? 1@668: 1A/0.1.3-7848B>26/4689263C66.9"? 71-.6/;.12;.D21: 80.3/6161-. 9.E.485;.7110.79271-.&! FG" ()*+,%-#: .;<.99.96>61.;;H’IJ ./)&0012’&$2,3%)#)&%’/,4)5")--)-#*#$)5 K-/7BL27B,K-.7M2/7>C7 NO/3C41>8: PC18;/1287,QC/7B987BR72E.0621>8: ’.3-7848B>,QC/7BS-8C#! $$%$,F-27/T 6786总第 ! " 卷第 #! $ 期电测与仪表 %&’(! ")&(#! $ *++* 年第 # 期 ’-./01.2’3-2450-6-7/8974/056-7/2/1&7: ;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) 欢迎订阅《电测与仪表》杂志! 邮发代号: =#>#! 请到当地邮局办理订阅手续。
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