嵌入式设计系统例1

中图分类号：TP311 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)07-1649-02

A Reseach on Design of Embedded System

FANG Jian-gang

(Computer College, Wuhan University of Technology, Wuhan 473000, China)

Abstract: Embedded technique as a new and great development force's science technique has been concerned by more and more people.The article discusses the feature of embedded system,embedded software and hardware developing process and design methods.

Key words: embedded system; development environment

嵌入式系统已经广泛的应用到通信、家电、汽车、工业控制等领域，极大的便利了人们的生活。嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统,，也是为实现对象体系智能化控制的计算机系统。嵌入式系统如图1。

嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，其分类可以从硬件和软件进行划分。从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分，而目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种，流行体系结构包括MCU，MPU等30多个系列。很多半导体制造商都大规模生产嵌入式处理器，并且公司自主设计处理器也已经成为了未来嵌入式领域的一大趋势，从软件方面划分，主要可以依据操作系统的类型。目前嵌入式系统的软件主要有两大类：实时系统和分时系统。其中实时系统又分为两类：硬实时系统和软实时系统。

嵌入式系统应该具备4个特性：1) 执行特定的功能；2) 以微处理器和设备构成核心；3) 需要严格的时序与稳定性；4)全自动操作。

1 嵌入式处理器

嵌入式处理器可以分成下面几类：嵌入式微处理器（Micro Processor Unit，MPU）、嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)、嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)、嵌入式片上系统(System On Chip)，其中采用RISC架构的ARM微处理器以它优越的性能被广泛的应用与嵌入式开发各个领域。

2 嵌入式操作系统

嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度、控制、协调；它必须体现其所在系统的特征，能够通过加载卸载某些模块来达到系统所要求的功能。实时操作系统是嵌入式系统目前最主要的组成部分。

Linux是目前最为流行的一款开放源代码的操作系统，在当今开发嵌入式系统中，70%以上的项目选择的Linux作为嵌入式系统。另一种常见的嵌入式Linux是UcLinux,它去掉了内存管理单元，该系统直接访问内存，所有的程序中访问的地址都是物理地址。嵌入式Linux有以下特点：精简的内核，性能高、稳定，支持多任务、多种体系结构等。

3 嵌入式系统的设计方法

3.1 嵌入式系统的总体结构

一个嵌入式系统一般都由嵌入式微处理器系统和被控制对象组成，其中微处理器系统是整个系统的核心，由硬件层、中间层、软件层和功能层组成。硬件层是嵌入式微处理器、电路和外设，软件层主要是操作系统，功能层是基于操作系统开发的应用程序组成，用来完成对被控对象的控制功能。中间层是将系统软件与底层硬件部分隔离，使系统的底层设备驱动程序与硬件无关。

3.2 嵌入式系统的开发特点和流程

开发特点：1) 采用宿主机|目标机的方式。2) 生成的代码需要固态化存储。3) 软件代码具有高质量、高可靠性。

开发流程一般由5个阶段构成：需求分析、体系结构设计、硬件|软件设计、系统集成和代码固化。各个阶段之间往往要求不断地反复和修改，直至完成最终设计目标。

3.3 嵌入式系统调试

在嵌入式系统中系统调试是非常困难的，不同于传统软件的调试，因为开发程序平台和目标平台是分开的。一般来说，大部分的工作是在RAM中进行的，只有当程序完成并能运行后才切换到ROM上。调试方法有多种，可分为模拟器方式、在线仿真器方式、在线调试器方式、监控器方式。

4 嵌入式Linux应用程序开发

4.1 开发环境的建立

进行项目开发前，首先要搭建一套基于Linux操作系统的应用开发环境，一般由目标机和宿主机所构成。目标板用于运行操作系统和系统应用软件，而目标板所用到的操作系统的内核编译、应用程序的开发和调试则需要通过宿主机来完成。双方之间通过关键接口如串口、以太网口或USB口建立连接关系。个人进行嵌入式开发可以在自己的PC上安装一套Linux,使用系统中的工具来编译、调试。多人开发的最好建立个Linux服务器，使用服务器的Linux系统的gcc编译生成目标代码，通过ftp传到每个开发人员的PC,然后通过串口或网络下载开发板上。开发人员也可以在Windows下安装模拟Linux环境的软件（如Cygwin、虚拟机等）来开发。

交叉编译环境是一个由编译器、连接器和解释器组成的综合开发环境。交叉编译工具主要包括针对目标系统的编译器gcc、目标系统的二进制工具binutils、目标系统的标准c库glibc、gdb代码调试器和目标系统的Linux内核头文件。

4.2 引导程序

一个嵌入式软件系统通常可以分为引导程序BootLoader、操作系统内核、文件系统和用户程序4个层次。

BootLoader和PC机中的BIOS很相似，整个系统的加载启动任务完全由它来完成。BootLoader是在操作系统内核或用户应用程序运行之前运行的一段小程序，可以初始化硬件设备，建立内存的映射图，从而将系统的软硬件环境带来一个合适的状态，为最终调用内核和应用程序准备好正确的环境。大多数BootLoader都包含两种不同的操作模式：启动加载模式和下载模式。

BootLoader的启动过程大多数分两个阶段，第一阶段主要包含依赖于CPU的体系结构硬件的初始化代码，通常是用汇编语言实现的，这一阶段任务是硬件设备初始化，为加载BootLoader的阶段2准备RAM空间，拷贝BootLoader阶段2的代码到RAM中，设置好堆栈，跳转到阶段2的C程序入口。阶段2通常是用C语言来实现，这阶段任务是初始化本阶段要使用的硬件设备，检测系统的内存映射，将内核映像和跟文件系统映射从FLASH上读到RAM空间中，为内核设置参数，调用内核。

4.3 Linux操作系统的移植

Linux系统实际上由两个比较独立的部分组成，即内核部分和系统部分。Linux系统的移植分为内核移植和系统移植，内核可以视为由5个功能部分组成：进程管理、内存管理、设备管理、虚拟文件系统、网络。由于Linux内核良好的分层结构将硬件相关的代码独立出来，在做系统移植时，只需要改动进程管理、内存管理和设备管理中被独立出来的那部分与硬件相关的代码，开发者要将自己开发的代码加到Linux内核中，需要确定代码放入到内核的位置，了解Linux的内核配置系统，把开发功能增加到Linux的配置选项中，使用户能够选择此功能。

4.4 应用程序的移植和调试

在开发环境和操作系统建立后，就可以开始应用程序的开发了，应用程序的开发一般先在宿主机上调试完成，然后下载到目标板，宿主机和目标板必须建立可靠的连接，连接主要方式是串口连接、网络连接和JTAG口连接。

Linux中可以使用应用程序资源非常丰富，可将现成的程序移植到嵌入式系统中，可以极大加快开发流程，提高开发效率。

调试应用程序：Linux包含一个gun调试程序gdb,它是一个用来调试C和C++程序的调试器。通过gdb还可以在程序运行时观察内部结构和内存的使用情况。

5 嵌入式Linux驱动程序开发

由于嵌入式设备硬件种类丰富，对于Linux系统的开发，很大工作量是为各种设备编写驱动程序。操作系统一般提供设备驱动程序来完成对特定硬件的控制，以建立应用程序和设备之间的抽象接口。设备驱动程序实际是处理和操作硬件控制器的软件，从本质上讲是内核中具有最高特权硬件的、驻留内存的、可共享的底层硬件处理例程。驱动程序是内核的一部分，屏蔽了硬件的细节，Linux操作系统将所有的设备全部看成文件，都纳入文件系统的范畴，并通过文件的操作界面进行操作。

5.1 驱动程序的开发过程

实现一个嵌入式Linux设备驱动的流程：

1) 查看原理图，理解设备工作原理。2) 定义设备号。3) 实现初始化函数，在驱动程序中实现驱动的注册和卸载。4) 设计所要实现的文件操作。5) 实现所要的文件操作调用。6) 实现中断服务，并用request-irq向内核注册。7) 编译该驱动程序到内核中，或者用insmod命令加载模块。8) 测试该设备，编写应用程序，对驱动程序进行调试。

5.2 模块化驱动程序

当谈到软件时，我们通常称执行态为内核空间和用户空间，模块是在内核空间中运行的，而应用程序则是在用户空间中运行。

Linux通过系统调用和硬件中断完成从用户空间到系统空间的控制转换。模块的作用就是扩展内核的功能，是运行在内核空间的模块化的代码，模块的某些函数作为系统调用执行，而某些函数负责中断。内核模块的一部分保存在Kernel中，另一部分在Modules包中，模块就像一个插件，内核提供一个插槽，在需要时，插入内核中使用，不需要时从内核拔出，这一切都由一个称作Kernel的守护进程自动处理。内核模块的这种动态加载具有以下优点：将内核映像的尺寸保持在最小，并具有最大的灵活性。这便于检验新的内核代码，而不需要重新编译内核并重新引导。

6 总结

本文对嵌入式系统设计的进行了深入浅出的探讨，分析了嵌入式系统的组成和特点，描述了嵌入式系统开发流程以及嵌入式Linux下驱动程序开发特点。

参考文献：

[1] 马忠梅,李善平,叶楠.ARM&Linux嵌入式教程[M].北京:北京航天航空出版社,2004.

嵌入式设计系统例2

关键词：

公交清洗小车；嵌入式系统；超声波测距；平台升降控制

0引言

为解决公交车的高效便捷清洗问题，青岛理工大学韩旭东教授的团队设计了一款“垂直滚筒式公交清洗小车”[1]。但在该设计中，仅对机械结构与工作原理做了介绍，缺少相关的控制电路与控制程序的设计，给清洗小车的使用带来了极大的不便。本文在原产品的基础上，针对小车与公交车之间距离的控制不准确的问题，设计了超声波测距系统；针对平台升降控制不方便的问题，设计了手动/自动双模平台升降控制系统。有效地提高了该产品的实用性，完善了该产品的设计。

1超声波测距系统

1.1设计目的

清洗小车由人力推动并控制方向，但由于路面不平，人力控制精度有限，会使小车与公交车车体间的距离发生改变，距离过近会使滚筒挤压车体表面，阻碍滚筒旋转；距离过远，则会使滚筒毛刷与车体表面间间隙过大，影响清洗效果。需要一套测距系统使小车与公交车车体间的距离始终保持在一个合理范围之内。

1.2测距方式的选择

超声波测距是利用机械波反射来测量距离，适用于短距离测距，原理简单，成本低，远距离测量精度较低。公交清洗小车的使用环境比较复杂，对测距系统的精度要求不高，测量的距离在1～2m，且要求结构简单、成本低廉、性能稳定。根据需要和集中测距方式的特点，本文选择超声波测距方式。

1.3超声波测距原理

超声波在均匀介质中的传输速度为一恒定值，由发生器发射超声波，在遇到测量目标后反射回来，由接收器接收并记录由发射到接收经历的时间，便可以计算出发生器与测量目标之间的距离[2]。公式如下：L=12C•Δt。式中：L为测量距离；C为超声波在当前介质中的传输速度（空气中常温下速度为340m/s）；Δt为从发射到接收经历的时间。

1.4设计内容

本文利用AT89C51单片机、HC-SR04超声波测距模块、LED灯组成了一个超声波测距警报系统。当距离过近时，指示距离过近的红灯点亮；距离适中时，指示距离适中的绿灯点亮；当距离过远时，指示距离过远的红灯点亮。工作人员可以根据灯光指示调整小车位置，使之与车体表面间的距离保持在一个合理范围。1.4.1HC-SR04超声波测距模块工作原理本文所采用的HC-SR04超声波测距模块，具有成本低、体积小、精度高、使用简单方便等优点，其基本工作原理为：1)采用I/O口TRIG触发测距，提供至少10μs的高电平信号;2)模块自动发送8个40kHz的方波，自动检测是否有信号返回；3)有信号返回，通过I/O口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间[3]。1.4.2程序控制过程利用AT89C51单片机自带的定时计数器资源，通过I/O口给超声波模块一个发射信号并开始计时，当收到超声波模块的反馈信号时，结束计时并计算距离。

2手动/自动双模平台升降控制系统

2.1设计目的

现行大多数公交车的高度在3m左右，为能够确保清洗整个车体表面，原产品采用双丝杠旋转驱动平台升降的设计，并利用直流电动机产生动力。为方便用户使用，能够快捷高效操作平台升降，提高清洗效率，本文设计了一套手动/自动双模平台升降控制系统。

2.2设计内容

根据计算，清洗平台需调整2次高度才可将车体表面清洗完毕，为了方便工作人员操作，本文设计了手动/自动双模控制系统。该系统采用AT89C51单片机，配合L289直流电动机驱动模块，通过控制电动机的正反转实现平台的升降，设计原理图见图4[5]。操作过程为：启动系统后，在自动模式下，按UP键，平台会上升一个固定高度；按DOWN键，平台会下降一个固定高度。该高度值是为实现最高清洗效率，以3m高的车身为标准，经优化计算得出的最适高度。因为公交车的型号差异，车身高度也各不相同，所以为满足实际使用要求，我们又设计了手动控制模式。在手动模式下，按住UP键，平台会上升，松开立即停止；按住DOWN键，平台会下降，松开立即停止。为防止工作人员误操作，本文增加了按键防抖动延迟，防止工作人员误触按键；如果UP和DOWN键同时按下，则电动机停转，直至其中一个按键松开。

嵌入式设计系统例3

2基于桌面总线的嵌入式系统嵌入式设备结构

2.1嵌入式设备的结构

嵌入式设备是嵌入式系统的核心部件，在生产现场，需要根据具体对象采用模块化的方法来开发嵌入式设备，其基本思想是将复杂控制系统转化成一个个具有独立功能的简单模块。这些简单的模块都有通用的接口，它们可根据需要不加改造通过总线接口模块与桌面总线相连，从而实现与嵌入式系统的无缝连接。不同的嵌入式设备结构不尽相同，但一般都包含五个部分，如图1所示。（1）输入设备：完成用户对数据的输入。（2）输出设备：将信息处理CPU处理好的信号通过用户界面显示给用户。（3）数据存储器：保存信息处理CPU处理结果。（4）数据采集CPU：完成信号的采集、预处理，并将处理信号提交给信息处理CPU。（5）信息处理CPU：接收用户输入信号和数据采集CPU提交信号，对信息进行处理，同时把处理结果提交给用户界面并做好存储工作。

2.2总线接口模块的结构

由底层到高层依次有：（1）物理层：是最底层，是设备之间的物理接口，数据通过该接口从一台设备传送给另一台设备。（2）数据链路层：完成用户信息的处理，确保网络之间数据帖可靠地传输。（3）应用层接口：是最高层，提供计算机网络与最终用户界面。

3基于桌面总线的嵌入式系统桌面总线的拓扑结构

对于不同的生产需求，桌面总结的拓扑结构不尽相同，图2是一种常见的嵌入式设备桌面总线的拓扑结构。（1）各嵌入式设备通过总线接口模块与桌面总线连接。（2）中继器：算一个嵌入式设备，单段总线传输距离有限，中继器可扩展桌面总线连接嵌入式设备的台数。（3）总线终端：总线终端有一个网络终结器，用于消除信号传输时的反射。（4）嵌入式处理器：是桌面总线的主站，并提供与桌面计算机的接口。

4基于桌面总线的嵌入式系统嵌入式Internet服务器体系结构

4.1嵌入式Internet服务器体系结构

Internet通信技术，具有开放性的互联标准，能够提供强大的通信能力，但嵌入式处理器通常只支持8位并行数据处理，而建立在Internet基础上的各种通信协议对于计算机内存储器的容量、计算机CPU的运行速度都有较高的要求。[3]本文将桌面计算机（高端机）与嵌入式处理器（低端机）作为服务器，如图3所示。两个嵌入式处理器通过P1口实现数据通信，嵌入式处理器二通过桌面总线、嵌入式接口模块（图1）与接入的各嵌入式设备实现通信处理及协议转换，嵌入式处理器一负责与桌面计算机交换数据。两个嵌入式处理器都具有独立处理信息的能力，并能各自独立完成不同的信息处理功能，对高速运行的桌面计算机与低速运行的嵌入式处理器速度不匹配问题起到了一个缓冲的作用。Key是键盘输入功能。LED显示器接口：通用的计算机主要显示设备是CRT显示器。但是在专用的计算机系统中，特别是在多数微型计算机控制系统和测量系统中，往往有了数字显示功能就可以了。在这种情况下，使用LED数码管来构成数字显示器则非常适用，这种显示器价格低廉、体积小、功耗低，而且可靠性很好。

4.2嵌入式处理器与各嵌入式设备之间通信

嵌入式处理器二作为底层桌面总线的中心控制点，通过桌面总线与各嵌入式设备相连，实时监控各嵌入式设备的当前工作状态，采用并行处理的工作方式与各嵌入式设备通信，同时，也使用并行的工作方式与嵌入式处理器一通信。嵌入式处理器与各嵌入式设备之间通信编程语言一般使用汇编语言或C语言。使用C语言能够使软件开发的时间缩短，开发过程加快，所以目前获得广泛的应用。使用汇编语言在开发编程和调试阶段要花费较多的时间，但是与等效的C语言相比，具有执行速度快，占用内在少，并且只有汇编语言与机器硬件紧密相连。为了扬长避短，有时在一个程序中，对执行速度或实时性要求较高的部分使用汇编语言，而其余部分则使用C语言编写[4]。

4.3桌面计算机与嵌入式处理器之间通信

桌面计算机主要接受来自嵌入式处理器的实时数据，根据定义的数据访问协议和处理规则，对实时数据进行分析、显示、存储等功能，同时将相关的控制命令发送给嵌入式处理器。桌面计算机与嵌入式处理器之间的通信方式有串行传输和并行传输两种传输方式。并行传输通常使用8根或更多根导线来传输数据，并行传输的特点是同时可以传输多个二进制位，传输速度快，但是传输线路结构较复杂、传输距离有限。而串行传输一次仅能传输一个二进制位，多个二进制位“鱼贯而入”，传输速度慢，但传输线路结构简单、传输距离远。目前，计算机的并行口已经从基本的SPP（Standard-ParallelPort）类型并行口发展到EPP（EnhancedParallelPort）增强式并行口，EPP并行口可以直接进行8位数据的读写操作，其读写操作可以在一个总线周期内完成。总线周期：通常把CPU通过总线对其外部进行一次访问所需要的时间称为总线周期。一个总线周期一般包含4个时钟周期，时钟周期又称节拍周期，是微处理器处理操作的最基本时间单位[4]。

4.4桌面计算机与互联网之间通信

桌面计算机通过路由器（HUB）与互联网（Internet）相连，借助TCP/IP（TrasmissionControlProtocol/Internetprotocol，传输控制协议/网间协议）协议和HTTP（HyperTextTransmis-sionprotocol，超文本传输协议）协议实现与互联网之间通信。同时，桌面计算机还能过TCP/IP协议、ADO（ActiveX-DataObjects）组件（访问数据库的模型）、数据库提供的中间软件（SQLServer，Oracle）实现对数据库服务器的访问。

嵌入式设计系统例4

中图分类号：TP311

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式计算机系统与通用计算机系统有着本质上的不同，嵌入式计算机系统在很多情况下需要考虑的是为其产品性能，生命周期和商业驱动做优化，而不是努力提高其最大计算吞吐量。对于一个有市场适应能力的嵌入式计算机系统来说，产品的成功与否更重要的是其在性价比上的优势。

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。

由于嵌入式计算机系统自身功能和具体应用环境的限制，其在设计技术上会面临如下两个方面的挑战：

1 系统自身发展升级挑战

应用领域的不断扩大和用户要求的逐渐提高推动了嵌入式计算机系统功能的升级，而在升级过程中，嵌入式计算机系统设计技术作为系统开发的核心环节，无法避免的要面对来自整个系统的全面挑战。

1.1 单片机向多模块组合转变

随着用户对备选方案数量要求的提高，嵌入式系统从过去单一的单片机应用模式，转变为能够提供更多不同层次方案的多样化模式。通过重用和组合IP核构件技术实现的片上SoC系统，是目前嵌入式系统能够实现的最高形式。通过利用FPGA和IP模块进行功能组合PSoC/SOPC设计，彻底改变了过去单片机从底层全权包揽的单一设计局面。

1.2 对设计技术的要求更高

经过几年发展，目前高端嵌入式系统都是建立在RTOS基础之上的，所以很多非计算机专业技术人员就要学习全新的RTOS技术。这无疑是一次设计技术的重头再来，需要设计人员做到从观念认识到设计技术的一次彻底转变。

1.3 运用新开发工具进行系统开发

嵌入式设计从8/16位转向功能更强大的32位MCU，升级之后，开发工具的投入就成为了系统开发过程中最大的障碍。升级之后的开发环境不仅加大了系统投资数目，对其使用的技术有了更高要求，其开发工具较之前也有了更复杂的变化。使用新系统进行开发时，如何正确选择处理器架构、评估嵌入式操作系统，以及使用陌生的开发工具，都是一个新的挑战。

1.4 多种技术协同设计

嵌入式系统对软硬件的协同配合有着超高的要求，所以在设计过程中，软硬件设计的同步与集成是主要问题。由于技术细节处的不断增加，控制软硬件一致性与正确性需要消耗极大的时间。目前业界已经开发Polis、CosYma及Chinook等多种方法和工具来支持集成式软硬件的协同设计。这使得系统可以跨越硬件和软件平台复用，并支持设计空间探索。是一种统一软硬件的开发方法。

2 应对市场的重点性能挑战

嵌入式计算机系统设计技术在满足用户多样性需求和自身不断升级方面的提升与完善是信息技术发展的必然趋势，但是其最根本的基础性能提高则是市场判定该系统是否卓越，亘古不变的标准。在设计过程中，基础性能设计的重点如下：

2.1 操作实时响应

嵌入式计算机系统嵌入到对象系统中的计算机应用系统，嵌入系统在运行时不仅要求得到正确的结果，更要满足时间交互过程的响应要求。在设计过程中，有时需要要求设计技术按照软件运行最坏情况下的时间进行预留，因为软件运行耗费的时间会立刻增加系统响应的时间，致使系统不能满足嵌入对象系统提出的响应时间。“信号处理系统”、“紧急任务处理系统”就是典型的实时性要求很强的系统。

2.2 嵌入系统安全性

嵌入式计算机系统通常应用于安全性很高的情况下，这就要求设计技术能够保证系统极高的安全性能和可靠性能。

（1）可靠性能。嵌入式计算机系统的可靠性是衡量其设计技术的重要标准，它要求设计技术满足增长系统生命周期，拓宽系统适用范围，减少系统中的错误，增加系统的稳定性，甚至要降低嵌入式系统的维护费用。为满足如上诸多要求，嵌入式系统设计技术应该从工作温度，抗震动，抗电磁干扰，抗辐射等方面着手进行全面加强。

（2）可用性能。嵌入式计算机系统为达到提供预期的功能要求提高系统的可靠性，在系统设计时，通常需要采用故障避免、故障检测与故障容错等设计技术。

（3）安全性能。嵌入式计算机系统的安全性，要求系统的设计技术尽量使系统能够无错误的完成预期功能，同时降低系统的危害程度，安全完成运行任务。

（4）保密性能。保密性能在网络嵌入式计算机系统中尤为重要。通过现有的保密技术和网络安全措施基本可以保证数据的安全，但也无法做到完全保证。这就需要我们通过系统的设计技术加入入侵检测模块来提升嵌入系统的保密性。使入侵模块成为整个系统的最后防线，在系统遭受威胁或被攻击后，通过分析攻击行为，有效保护系统免受同样攻击。

通常在设计时，都是利用技术通过提高嵌入系统的抗入侵能力来提高保密性，在遭到入侵时，嵌入计算机系统能够进行安全的现场重编程及提供重建保护等。

3 结语

互联网在日常生活与工作中的作用越来越大，信息技术的发展日益迅速。嵌入式计算机系统作为当今信息技术的核心部分，对我国的各行各业产生了深远影响。嵌入式计算机系统设计技术，则是嵌入式计算机系统开发的核心环节。更高的应用需求，对嵌入式计算机系统的设计技术提出了更高的要求。与此同时，嵌入式系统本身的升级，也使得嵌入式计算机系统的设计技术面临更大的挑战。本文通过以上对嵌入式计算机系统设计技术的几点分析，主要分析了嵌入式计算机系统的设计技术为更好的适应和满足市场，而需要面对的诸多挑战。可以看出，嵌入式计算机系统在市场上的需求日益增大，用户的要求也在向多样化和高标准的趋势发展。这就要求系统的设计技术，一方面要不断与时俱进熟练掌握新升级技术，来适应市场满足多样化需求；另一方面要保证系统基本的实时性与安全性。只有这样抓牢基础，不断提高才能在当今的信息化社会中站稳脚跟，不会被市场淘汰。

参考文献：

[1]刘洪涛，孙天泽.嵌入式系统技术与设计[J].21世纪高等学校计算机规划教材，2009，1：12-13.

[2]冯立杰，傅民仓，李文波.多CPU嵌入式系统的设计方法[J].现代电子技术，2006，6：33-34.

嵌入式设计系统例5

中图分类号：TP391.41文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 06-0000-01

DSP-based Hardware Design of Embedded Computer System

Chen Cheng

(Affiliate Hospital of North Sichuan Medical College Hospital,Nanchong637000,China)

Abstract:The embedded system has penetrated into every corner of our lives,this paper introduces A design of embedded system based on DSP hardware design.This paper mainly discusses the choice of memory chips and A/D conversion module circuit design.

Keywords:DSP embedded system;Hardware design

DSP嵌入式系统是把DSP系统嵌入到应用电子系统中的一种通用系统。这种系统具有DSP系统的所有技术特征，同时还具有应用目标所需要的技术特征。DSP嵌入式系统不再是一个专用的DSP系统，而是一个完整的、具有多任务和实时操作系统的计算机系统，以这个计算机系统为基础，可以十分方便地开发出用户所需要的应用系统。

一、嵌入式系统的微处理器介绍

在嵌入式系统中，微处理有着至关重要的作用，它负责系统的启动，协调各个模块电路的工作，并将信息反馈给上位机等。我们主要介绍处理器DSP芯片TI公司针对于控制领域应用推出的TMS320F2812。

TMS320F2812是基于TMS320C2000内核的定点数字信号处理器。器件上集成了多种先进的外设，为电机及其他运动控制领域应用的实现提供了良好的平台。同时代码和指令与F24x系列数字信号处理器完全兼容，从而保证了项目或产品设计的可延续性。与F24x系列数字信号处理器相比，F28l2系列数字信号处理器提高了运算的精度（32位）和系统的处理能力（达到150MIPS）。该系列数字信号处理器还集成了128KB的Flash存储器，4KB的引导ROM，数学运算表以及2KB的OTPROM，从而大大改善了应用的灵活性。128位的密码保护机制有效地保护了产品的知识产权。两个事件管理模块为电机及功率变换控制提供了良好的控制功能。

二、嵌入式计算机系统硬件设计

本设计采用的所采用的TMS320F2812内部含有最多达128K*16位的Flash存储器；最多达128K*16位的ROM；1K*l6位的OTPROM。128K的Flash对于绝大多数的用户来说已经完全够用，所以本设计无需对程序存储器进行扩展。

（一）外部存储器的设计

选取RAM芯片时需要考虑的最重要的问题是存储器的存取速度是否与DSP的读写速度相匹配。本系统中，F2812工作时CPUCLK是20MHz，单指令周期是50ns。考虑到实际电路中芯片相互连接及片选需要用CPLD构成一些门电路的功能，而一级门电路的最大延时在6ns左右，所以在选取RAM时，选用读写周期为40ns的存储器是比较合适的。在本设计选取ISSI公司的61LV25616AL芯片作为外扩存储器。61LV25616系列芯片的读写周期在5ns-45ns之间，根据上述分析同时考虑价格因素和系统的扩展升级后，系统确定使用61LV25616AL（读写周期是10-12ns），该芯片是256K*16位的SRAM，工作电压是3.3V，而且数据宽度是16位，可以和DSP芯片直接相连。

（二）内部寄存器的设计

RTL8019AS网络控制器的寄存器，分为兼容NE2000寄存器组和PnP寄存器组。本系统设计中主要使用NE2000寄存器组，该组寄存器共包括4页：PAGE0、PAGE1、PAGE2、PAGE3，每页包含16个寄存器，页的选择可通过设置CR（Command Register命令寄存器）中的PS0和PS1位实现。RTL8019AS具有32个输入输出地址，地址偏移量为00H-1FH。其中00H-0FH共16个地址，为寄存器地址；远程DMA地址包括10H-17H，都可以用来作为远程DMA端口，只要用其中的一个即可；复位端口包括18H-1FH共8个地址，功能一样，用于RTL8019AS复位。

（三）A/D转换模块电路设计

对于一个基于DSP的计算机系统，A/D转换电路主要完成对模拟信号的数据采集，数据采集系统各器件的定时关系是严格的，以确保系统精度，DSP中的定时电路和逻辑控制电路按照各个器件的工作次序产生时序信号和依据时序信号产生逻辑控制信号，最后完成数据的预处理和存储。对于本系统，采用片内自带的AD转换器，上述过程都在F2812处理器内部完成。

TMS320F2812ADC模块是一个12位带流水线的模数转换器（ADC），模数转换单元的模拟电路包括前向模拟多路复用开关、采样/保持电路、变换内核、电压参考以及其他模拟辅助电路。模数转换单元的数字电路包括可编程转换序列器、结果寄存器、与模拟电路的接口、与芯片外设总线的接口以及同其他片上模块的接口。

模数转换模块ADC有16个通道，可配置为2个独立的8通道模块，分别服务于事件管理器A和B，两个独立的8通道模块也可以级联构成一个16通道模块。尽管在模数转换模块中有多个输入通道和两个排序器，但仅有一个转换器。两个8通道模块能够自动排序，每个模块可以通过多路选择器（MUX）选择8通道中的任何一个通道。在级联模式下，自动排序器将变成16通道。对于每个通道而言，一旦ADC转换完成，将会把转换结果存储到结果寄存器中。

参考文献：

嵌入式设计系统例6

中图分类号：TP368.1

1 嵌入式系统的历史

20世纪60年代以晶体管、磁芯存储为基础的计算机开始用于航空等军用领域。

20世纪70年代之后，随着单片机出现，再到今天发展成各式各样的嵌入式微处理器。这使得汽车、民用电器、工业机械器材及各种通信设施，通过内嵌电子设备来获得更好的使用性能，这些内嵌的电子设备已经初步具备了嵌入式的特点。

20世纪80年代，计算机程序编写有了突飞猛进的发展，专业人士开始用更高级更精准的操作系统编程进行实际嵌入式应用，使得他们不但节约开发成本，并且可以获得极高的开发效率和更短的开发周期。

20世纪90年代，随着对实时急迫要求及各种应用软件的出现，导致软件规模数量不断上升，嵌入式操作系统已经开始出现新的变化，实时性变得非常突出，从而导致一场嵌入式系统研发的革命。

2 嵌入式系统的定义

国际上通用的嵌入式系统定义是“控制、监视或者辅助机器和设备运行的系统装置，从而完成既定功能的一种软件系统”。

在我们国家嵌入式系统概念一般认为是：嵌入式系统是以计算机实际应用为基础，辅以计算机技术，对实际应用功能、安全可靠性、资本消耗等各种程序为导入要求的专用计算机系统。嵌入式系统一般由微处理器、嵌入式操作系统、硬件设备及客户应用程序组成。

通常的嵌入式系统有以下几种：：Linux、uClinux、WinCE、PalmOS、Symbian、eCos、uCOS-II、VxWorks、pSOS、Nucleus、ThreadX 、Rtems 、QNX、INTEGRITY、OSE、C Executive。

3 嵌入式系统的发展现状

2011年全球嵌入式软件市场平均增长率为31%，中国嵌入式软件市场则超过了40%，居世界之首，2012年中国嵌入式软件产业销售收入已突破3000亿元人民币，但仍有市场空间。有业内专业咨询公司预计未来5年，嵌入式软件产业将继续保持高速增长态势，到2015年，产业规模有望达到5000亿元人民币。

在网络与通信设备、消费电子、数字家电、汽车电子、医疗设备、工业精准控制方面都是嵌入式系统应用的领域，同时嵌入式系统在办公自动化、金融电子、国防军事及航空航天等领域也有她的身影，嵌入式软件均已得到广泛应用。在应用深度方面，也由最简单的仅有执行单一功能控制能力的嵌入式系统，发展到几乎与PC具有一样的功能，很多复杂的嵌入式系统，由若干个小型嵌入式系统组成。随着需求的旺盛、技术的进步和市场的成熟，嵌入式设计与应用已成为工业现代化、智能化的必经之路，使嵌入式软件产业与数字化时代的传统产业和新兴产业的融合趋势进一步加强。

4 嵌入式系统设计

4.1 硬件设计部分

对于嵌入式系统的硬件设计部分，包含处理器以及I/O 端口等，具体设计包含以下几个部分。

处理器设计：在嵌入式系统设计中，其核心就是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器设计中，应该具备对实时多任务的响应能力，具有很强的存储保护功能，具有可扩展性，降低嵌入式微处理器功耗。

总线设计：在总线设计部分，因为总线是进行互连以及传输信息、指令、数据的桥梁，因此在设计中应该特别注意，因此在嵌入式系统中，可以采用片内总线与片外总线的方式，确保CPU 与片内部件的连接，也可以确保与外部设备的准确连接。

存储器设计：在对嵌入式系统的设计中，在嵌入式系统内可以分为高速缓存Cache以及主存、外存三种形式的存储器，在设计中对这三个存储器也应该有明确的设计，以便提高系统的运行速度。

I/O端口设计：对于嵌入式系统的I/O设计中，因为嵌入式系统是面向应用的，因此对于输入/输出接口设计中，应该具备多任务、多平台的特点，确保嵌入式系统的适用性。

4.2 软件设计部分

对于嵌入式系统的软件设计部分，首先应该清楚嵌入式软件是嵌入在硬件内的操作系统或者开发工具软件，是在嵌入式系统设计中的关联核心，与嵌入式系统是密不可分的，因此对于嵌入式系统的软件设计中应该具备一定的优势，嵌入式操作系统中，包括驱动软件、系统内核以及通信协议、图形界面、标准化浏览器等程序，以满足嵌入式系统开发设计的需求。

软件设计中的任务管理：对于嵌入式系统来说，在内核的软件设计部分，其任务管理中应该具备任务调度、删除任务、创建任务、挂起任务以及设置任务优先级的功能，以此来实现对嵌入式系统的调度。

内存管理的设计：在嵌入式系统的软件设计中，对于系统的内存管理中，将会采用静态内存分配以及动态内存分配的方式进行管理，并且应用虚拟内存技术，为实时用户提供强大的虚拟存储管理机制。

通信以及同步互斥机制：对于嵌入式系统的通信，将会采用一定的机制，实现任务间的通信，在优先级的限制性下实现任务的中断、同步以及互斥的功能。

软件设计中的中断管理：中断设计中，当程序中的中断发生时，需要对中断现场进行保存，将其转到相应的服务程序上，并且在退出中断后还要恢复中断。

软件设计中的时间管理：在嵌入式系统中，具有很高的时效性，这些全是依靠时钟的作用，因此在软件设计中提供高精度以及可以设置的时钟，在嵌入式系统中负责与时间有关的任务管理工作；其中包括对计时、时间片轮转调度等。

任务扩展功能的设计：在嵌入式系统软件设计部分，在软件设计中还需要设置一些任务扩展部分，以此来实现对新任务的创建、切换以及删除工作，提高嵌入式系统的使用效率。

5 嵌入式系统发展的趋势

随着信息时代的到来，嵌入式系统有了快速发展的基础，也产生了众多嵌入式产品，为嵌入式系统发展展现了美好的未来，从目前来看，嵌入式系统发展趋势有以下几点：

首先，嵌入式系统开发是一项综合系统工程，包括了几项或者N项不同系统产品的集合体。嵌入式系统研发厂商不但要提坚实可靠的嵌入式系统软硬件，还需要提供为嵌入式系统软硬件服务的开发工具和软件支持，这是嵌入式系统能良好发展下去的必备条件。

其次，现实社会的高度信息化对嵌入式系统要求越来越高，并且二者依赖性越来越强。这不光表现在互联网技术的成熟，3G、4G带宽速度提高，归根到底是人类知识成几何级数爆发，这样的产品使得我们身边的多媒体产品和远程智能操控更加便捷，如手机、智能家电（电视、冰箱、空调、微波炉）、智能房屋等功能不再单一，打破了人们对一般产品的惯性思维，导致产品结构更加复杂。

再次，现实生活产品与网络互联（虚拟世界）是嵌入式系统发展的必然趋势。这主要体现在嵌入式设备为了适应高速运行的网络，通过硬件上不同的网络通信信息接口来进行各种不同功能有机整合。目前嵌入式处理器大多是内嵌网络接口，支持TCP/IP协议，同时支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA当中的一种或者几种，嵌入式系统软件系统内核还要支持不同网络模块版本，以此来实现工作、生活、娱乐三合一式上网要求。

四是精简嵌入式系统内核，适当降低系统功耗，实现功能成本最大化。在人们的设想中未来的嵌入式产品应该是适用性强、覆盖面广、性价比高、价格低廉的一款大众化产品，这就要求嵌入式系统研发厂商不但减低系统功耗，减少不必要的成本，还要精简系统内核，求得与系统功能紧密相关的软硬件设计，运用价值工程原理进行优化组合生产出更多更优秀的嵌入式系统产品。

最后嵌入式系统要为客户提供更多更理想的多媒体人机界面，完美体现人性化的一面。

之所以嵌入式设备产品能有很好的发展前景，与嵌入式系统方便快捷人性化特点是分不开的。嵌入式系统产品不光与客户互动，还能虚拟化出现实生活中的场景，让客户深入其中，为人们带来巨大角色互换感觉，同时也对产品的图像界面、灵活的操制方法及便携等提出了更高的要求，嵌入式设备的高要求反过来促使软件设计人员在多媒体（或者M媒体）技术上下大力气进行编程扩展。如，界面手写输入、语音输入、远程家电控制、图像色彩、多合一功能等等都要客户获得崭新的感受，成为人们生活中不可离缺的一部分。

6 流行的嵌入式Linux操作系统介绍

嵌入式linux是将现阶段的人们经常使用的Linux操作系统进行修改升级，并让其在嵌入式计算机系统上运行，保证使用者要求功能的一种操作系统。嵌入式linux特点一是既继承了互联网上无限的开放源代码，二是它的版权费免费（我认为未来一定时期内是免费的，可能是十年吧，但天底下没有免费的午餐），三是便捷性操控性能优异，更容易软件移植，四是产品更替速度快，研发周期短，产品上市迅速，极大地发挥人类知识的创造力。五是产品实时性能稳定，安全性好、性价比高。

嵌入式linux速度很快，linux是可以定制的，系统内核最小只有一两百KB。Linux是免费的OS，在价格上极具竞争力。Linux还有着嵌入式操作系统所需要的很多特色，突出的就是Linux适应于多种CPU和多种硬件平台，是一个跨平台的系统。到目前为止，它可以支持二三十种CPU。而且性能稳定，裁剪性很好，开发和使用都很容易。Linux内核的结构在网络方面是非常完整的，Linux对网络中最常用的TCP/IP协议有最完备的支持。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太网络，以及无线网络，Toker ring、光纤甚至卫星的支持。所以Linux很适于做信息家电的开发，还有使用Linux为的是来开发无线连接产品的开发者越来越多。

嵌入式Linux的应用领域非常广泛，涵盖了我们生活工作大部分空间，人们越来越离不开它，它影响着并在一定程度上改变着我们的生活与工作方式。近来研发人员利用嵌入式Linux自身特点，把它应用到嵌入式系统里中，像GNOME，KDE，UTITY等都是很优秀的桌面管理器就是一个典型，并且其背后有着众多的社团支持，可定制性极强，这点已经在Unix和Linux世界普及开来。

7 结束语

作为新一代IT发展和提升价值链高端地位的关键技术，可信嵌入式软件是推动中国高端装备产业由“中国制造”向“中国创造”转型升级的关键因素。 综上所述，在今后的嵌入式系统发展中，还将更加趋于低成本、网络化、智能化、精简化、效率高以及集成性的发展趋势，让嵌入式系统彻底改变人们的生活。

参考文献：

[1]魏洪兴.嵌入式系统设计师教程全国计算机技术与软件专业技术资格水平考试指定用书.2012，03，01.

[2]余甫炜.对嵌入式系统发展趋势的思考[J].网络财富，2010（14）：56-57.

[3]王树红.嵌入式系统的现状及发展趋势[J].太原大学学报，2011，（34）：45-46.

[4]张晓莹.计算机嵌入式操作系统初探[J].信息与电脑（理论版），2012（08）：31-32.

嵌入式设计系统例7

一、嵌入式通信系统概述

1.嵌入式通信系统特征

为适应经济发展和时代进步，通信系统制造商需要制造出功能更加齐全、性能更加强大的通信产品来迎合市场的激烈竞争。嵌入式通信系统需要满足更多的功能和更多样的性能要求。嵌入式通信系统由于特定的应用场景、特殊的应用目的，其与一般的系统相比，具备特有的属性：一是响应时间受限性，通信系统的任务具有时限属性，当任务开始后，要在一个特定的时间内执行完毕。二是可靠性，通信系统对可靠性有严格要求，特别是汽车、航空器等控制系统，通信系统的执行情况和执行结果对生命、财产、国防安全有重大的影响，一个微小的故障就可能造成严重的后果；三是约束的复杂性，约束分为时间约束和资源约束，前者指每个任务都需满足时限约束，后者指当多个任务共享同一的资源时，按照一定的资源访问控制协议进行，防止死锁，避免高优先级任务被低级任务阻塞；四是多任务类型，嵌入式通信系统需要处理不同类型的任务，如周期式任务、偶发式任务、非周期式任务和非实时式任务。

2.嵌入式通信系统工作原理

嵌入式通信系统运行中，在不同任务之间需要进行通信，其是通过读写、共享变量实现的。必须保证共享变量的数据的一致性，才能保证嵌入式通信系统正常工作。嵌入式通信系统通常采用原子锁的机制来确保共享变量访问一致性，在任务访问共享变量之前对其锁定，在访问结束后解锁。如果锁定或者解锁失败，则不能访问系统共享变量。由此任务的执行过程产生关联，当高优先级任务访问系统共享变量时，访问相同共享位置变量的低优先级任务会被拒绝，从而落实嵌入式通信系统运算规则。嵌入式通信系统需要同时保证对共享资源的互斥访问与任务的可调度性。

3.嵌入式通信系统调度原理

为了精确调度嵌入式通信系统的资源，达到实时、可预测的特定要求，在嵌入式通信系统部署之前，需要用调度理论对目标任务进行可调度性分析，再进行调度方案搜索。嵌入式通信系统任务调度技术分为嵌入式通信系统可调度性分析方法和嵌入式通信系统调度策略。嵌入式通信系统任务调度技术研究包括任务共享系统资源的策略、机制，并提供判断嵌入式通信系统任务可否调度。嵌入式通信系统经历了从简单到复杂的历程。嵌入式通信系统的特定应用需求要求通信系统设备小型化、集成度高，紧密与网络契合，具备移动能力。并进一步要求嵌入式通信系统的嵌入式CPU体积小、低功耗，能够将通用CPU中由板卡完成的目标任务集成在芯片内部。嵌入式通信系统的CPU要求硬件和软件有较高的效率，去除冗余，在同样的条件下达到更高的性能。毋庸置疑，嵌入式通信系统是一项技术密集、资金密集、研发密集、不断创新的高新知识集成系统。

二、嵌入式通信系统存在的可扩展性问题

1.嵌入式通信系统网络容量不足

举一个常见的嵌入式通信系统的例子，该系统包含4个ECU和8个消息，嵌入式通信系统的通信周期为1，每个消息的周期亦为1，嵌入式通信系统系统的每个通信周期都包含8个时间槽。所有节点通过单个嵌入式通信系统总线连接，各个ECU节点之间的信号通信情况正常，消息在嵌入式通信系统总线静态段上调度。稍作分析可知，消息M1、M2、M3……M8刚好会占满嵌入式通信系统系统静态段的全部时间槽，导致嵌入式通信系统资源占用率已达饱和状态，网络容量不足，无暇处理其他信息。

2.嵌入式通信系统分支负载不均衡

当嵌入式通信系统的静态段时间槽全部占用，而嵌入式通信系统系统的静态段时间槽占有率仅为50%，属于严重的负载不均。嵌入式通信系统负载不均会导致嵌入式通信系统不能容纳新消息传输，限制通信系统升级，进而造成嵌入式通信系统系统无法进行扩展。这一问题产生的根源在于嵌入式通信系统通信网络结构设计缺陷，其消息调度未将负载均衡作为设计指标，亦无其它相关工作考虑了嵌入式通信系统负载均衡。

三、嵌入式通信系统优化

1.嵌入式通信系统消息缓存交换结构优化

使用嵌入式通信系y交换机代替原有的设备，嵌入式通信系统交换机只负责把消息转发给需要该消息的分支，允许多个分支上的ECU 节点同时发送消息，进而提高嵌入式通信系统通信网络的有效带宽。嵌入式通信系统的交换机采用电路交换模式，交换机与嵌入式通信系统的总线保持同步。配置嵌入式通信系统交换机中不同输入端口、输出端口的连接方式，进而确定消息转发路径。嵌入式通信系统的每个时间槽都含有一个报文，在每个时间槽上都要对嵌入式通信系统的交换机的连接进行重新配置。将此方式改进为无缓冲、无延迟的嵌入式通信系统 交换机，有助于嵌入式通信系统的交换结构优化。

2.嵌入式通信系统HSRN负载均衡优化

对嵌入式通信系统HSRN各分支进行负载均衡优化设计，可扩展的通信网络利用优化后的交换机将嵌入式通信系统的通信网络分割。在各分支之间的负载均衡性极大的情况下，将提升嵌入式通信系统通信网络的可扩展性。负载均衡设计之后具有明显的优势：在电子系统中，软件升级会导致嵌入式通信系统通信数据量的增加，而负载均衡设计可以为每个分支都预留较大的扩展量，从而方便的完成系统的升级和扩展。嵌入式通信系统HSRN结构本身引入了消息可缓存的系统交换机，有效隔离了广播域，提高了嵌入式通信系统的网络容量。在嵌入式通信系统交换机中设置的消息缓存队列，能够放松对跨分支消息的同步传输约束，进而提高嵌入式通信系统通信系统的消息可调度性，使得嵌入式通信系统可容纳更多消息，提高了嵌入式通信系统的通信网络的带宽利用率。

参考文献

[1] 王永吉，陈秋萍.单调速率及其扩展算法的可调度性判定. 软件学报. 2014年.

[2] 金宏，王宏安，王强.一种任务优先级的综合设计方法. 软件学报.2013年.

嵌入式设计系统例8

一、嵌入式系统设计

嵌入式系统由软件模块以及硬件模块组成，其中软件模块需要在硬件模块中运行才可以实现其功能。嵌入式系统中的硬件部分是嵌入式系统的基础部分，主要提供嵌入式系统的I/O端口、外设接口等，而软件是嵌入式系统的控制核心，通过运行，给硬件提供指令，指示硬件进行相应的动作，也就是说软件必须在硬件部分上运行，才可以起到很好的作用。

二、嵌入式系统趋向低功耗的必要性

1.节能的需求

嵌入式系统是一个相对复杂的系统，各个模块工作时工作量是很大的，这就需要电源供应正常，保证系统的正确运行。而随着系统的不断扩大，各个模块会造成更大的功耗，因此，为了更有效的利用嵌入式系统，延长嵌入式系统的工作时间，需要采取节能措施。

2.增强抵抗能力

在嵌入式系统工作的过程中，难免会受到外界的干扰，特别是嵌入式系统中敏感电子元器件，更应该做好防磁的措施，如果处理不当，不能很好的增强抵抗力，将严重影响系统的正常工作。嵌入式系统的功耗越高的话，电磁辐射能量就会越大，这样嵌入式系统自身以及外设都会受到影响，造成精度的降低。

三、利用嵌入式系统硬件设计方法降低功耗

对于嵌入式系统而言，硬件功耗问题是主要原因，对于嵌入式系统低功耗设计的影响因素最大，处理好硬件低功耗设计，会对嵌入式系统低功耗做出重大贡献。

1.优先选择低功耗芯片、元器件

在嵌入式系统工作的过程中，芯片元器件对电源的消耗非常的大，因此，在嵌入式系统设计前，对于元器件的选择，除了满足设计性能指标的需求，还需要满足功耗问题，尽量选择低功耗芯片。现在比较成熟的工艺主要有两种，一个是TTL工艺，另一种是CMOS工艺，其中CMOS工艺耗能很少，可以优先选择。对于芯片的设计或者焊接时，需要注意的是芯片引脚不要出现悬空端，悬空端容易引进外界噪声信号，对嵌入式系统的电源会产生很大的影响，造成高低电平的转换。在默认的情况下，如果高低电平转换，功耗会很大，这个时候，最好选择高电平输出，确保耗能降到最低。

2.采用不同步供电技术

一个完整的嵌入式系统包含很多部分，比如说包含AD采样、DA转换、UART异步串行通信等等，这些模块在系统工作时不会同时工作，有可能在进行完一个模块后才进行下个模块，为了降低功耗，可以选择不同步，即采取分时方法，当某一模块工作完后如果需要隔很长时间才会再执行操作，那就可以选择执行完后将此模块设置为休眠状态，从而降低功耗。

3.合理利用I/O端口资源

嵌入式系统工作时，需要频繁的使用I/O口，I/O口在输出的情况下可以输出约为20mA的电流，对于次，可以采取有效的措施，很好的利用这一电流，对其他外设采取供电的办法，当然，外设对电流的需求需要小于20mA。采取这种办法，可以很好的利用这一资源，得到充分的利用，更好的降低功耗。

4.加强智能电源设计工作

解决好嵌入式系统低功耗的问题，需要注意的就是减少耗能问题，而解决好耗能问题，还可以从另一个角度解决，优化电源设计，趋向于智能化方向发展。在智能电源中安装自动检测芯片，这样可以确保系统处于不同的情况下时，采取不同的策略，及时的做出处理，这样就可以对CPU以及外设模块采取不同的处理措施。比如说，当系统在外部正常供电时，这个时候电源供应可以采取正常供电的方法，提供正常的工作频率，保证电压的正常使用；而如果电源模块检测到系统工作在外部电池状态下，那这个时候，根据检测的结果，可以降低系统主频率，将电压降低到最小运行值，确保嵌入式系统工作在低功耗的状态下。

四、利用嵌入式系统软件设计方法降低功耗

1.减少编译运行时间

嵌入式系统的工作离不开软件的执行，一个小模块的正常运行往往需要很多条代码执行编译。嵌入式系统在运行中需要几个模块先后都运行，也就是说，需要大量的代码执行编译过程，这样的话，就会直接造成功率极大消耗。针对于此，可以对程序进行优化，因为代码有单周期、双周期、四个周期之分，对代码优化，尽量选择与底层密切、周期短的指令，这样，程序代码在编译的过程中，会提高处理速度，降低功耗。一般来讲，低级语言，比如说汇编语言，相对高级语言，比如说C语言、C++语言功耗要低很多。

2.鼓励使用软件代替硬件，硬件代替软件的方法

嵌入式系统在执行某个指令或者为了实现某个功能某块时，可以既选择硬件模块实现，也可以用软件方法实现，比如说软件程序FIR滤波与硬件设计模拟低通滤波，这两种方法都可以实现滤掉高频信号，确保低频信号全部通过。这个时候，可以比较这两种方法，哪一种最优，最节省功耗。软件中处理器需要时间，编译消耗功率，而硬件中电路工作也会消耗功率，因此，通过比较，可以做出最佳选择。

3.采用快速运算处理的计算方法

嵌入式系统在处理接收到的数据时，往往需要大量的运算，才会得到期望的结果。为了有效的降低功耗，提高处理速度，对一些算法可以进行优化。比如说在进行DFT傅立叶变换时，传统的思想是利用DFT设计，求出结果，但是这种设计相对FFT快速傅立叶变换而言，运算量大，时间也很长，这个时候就可以采用FFT的方法。在进行设计时，对各种算法都进行充分比较，在需求的精度都满足的情况下，优先选择算法处理快的。

4.软件设计建议多采用中断程序

嵌入式系统在工作时，当系统上电初始化时，主程序只会实现系统的初始化，这其中包括各个模块寄存器的初始化，外部设备的初始化。对于系统软件降低功耗，还可以采取的办法就是当程序没有动作需要执行的时候，可以将系统设置在低功耗状态，而当系统有动作要发生时，这个时候，可以利用中断程序，让系统跳到要执行动作的程序中，也就是说此时仅仅中断程序会消耗功率，其他模块不会。待中断程序执行完之后，系统继续回到低功耗的状态，节省电量的消耗。

五、结束语

随着社会的发展，科技不断进步，嵌入式系统日益趋向于智能化、自动化方向发展。在各行各业中，嵌入式系统都得到了很好的应用。不过随着功能的增强，应用增多，电源供应成了问题，很多嵌入式系统的耗能都很严重。考虑到嵌入式系统由软件以及硬件两大部分组成，因此，为了降低嵌入式系统的功耗，可以通过硬件措施以及软件措施，实现目的。对硬件方法主要考虑到硬件的电源、芯片选择以及I/O的有效利用；而对于软件而言，主要就是对程序进行很好的优化，充分将软件与硬件结合，只有这样，才能更好的解决嵌入式系统的功耗问题，促进嵌入式系统更好的发展。

参考文献

[1]郑杰.嵌入式系统中的低功耗设计[J].设计技术，2005（2）.

[2]王怀瑞.嵌入式系统中的低功耗设计研究[J].河北省科学院学报，2008（4）.

[3]王志超.基于硬件构件的嵌入式系统低功耗研究[J].信息化研究，2010（5）.

[4]杨天池.嵌入式系统的低功耗设计[J].仪器仪表学报，2006（6）.

[5]张健.嵌入式系统低功耗电路设计[J].光电技术应用，2005（6）.

嵌入式设计系统例9

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）11（c）-0069-02

随着计算机科学这一大学科的不断发展和进步，移动数据终端的数量不断激增，对于移动数据的处理和计算越来越受到重视。嵌入式数据库系统就是为了解决移动数据终端在进行信息交互过程中出现的问题而出现的，嵌入式数据库系统的出现很好地解决了当前的问题并给移动数据处理带来了新的发展方向。越来越多的移动数据终端的使用使得人们对于嵌入式数据库系统的研究和设计越来越深入，因为现代社会要求嵌入式数据库系统能处理越来越多的移动数据信息，所以嵌入式数据库系统的设计和研究是非常必要的。

1 嵌入式数据库系统的概念

嵌入式数据库系统在应用了相应的计算机技术之后可以根据来自软件或者硬件的请求对数据进行收发和处理，这样可以保证数据终端运行的安全性和稳定性。嵌入式数据库系统属于智能系统的一部分，因为嵌入式系统在设备运行的过程中是隐藏的，并没有具体的显现形式，在嵌入式系统中应用数据库可以增加系统的智能程度。在嵌入式数据库设计的过程中要应用到计算机技术、电子技术等现代化技术，将上述技术进行完美的搭配使用才能设计出功能强大的嵌入式数据库，并且可以安全稳定运行。嵌入式数据库系统是一个需要大量技术支持和资金支持的系统。嵌入式数据库系统的组成框架较为简单，其框架主要分为中央处理器和设备元件。从数据库的发展来看，每种数据库技术的发展都是和计算机技术息息相关的，计算机技术的发展大大促进了数据库技术的发展，同样的，数据库技术的发展也会促进计算机技术的发展，这两种技术相辅相成，彼此有着很大的影响。嵌入式数据库系统可以为当下不断增加的移动数据终端提供更好的服务，因为现在的移动数据终端可以在任何时间和地点进行数据的交流和处理，所以就需要嵌入式数据库系统的支持。现在的各种移动数据终端都是建立在嵌入式数库系统上的。

2 关于嵌入式数据库系统的设计

2.1 嵌入式数据库系统的设计含义

出于对移动数据终端的需求的满足，以及为实现嵌入式数据库系统的功能，嵌入式数据库一般被分为3个部分，分别是数据库、数据源和交互模块。通过上述模块可以看出嵌入式数据库系统的设计特点，嵌入式数据库系统的高技术性和高性能性就是嵌入式数据库系统的设计含义。在嵌入式数据库的3个组成部分中嵌入式数据库可以存储的数据容量较小，所以导致数据库的可靠性略有降低，但是这一缺陷会让数据源完美解决，但是数据源只存在于计算机中不可以随时进行交互，所以这时就应用到了嵌入式数据库中的交互模块，通过交互模块可以实现数据的传输。这种数据传输不但可以单向传输，还可以实现嵌入式数据库和数据源之间的信息交互传输，通过这种方式可以实现数据的及时和一致。交互模块是数据交互的桥梁，负责沟通嵌入式数据库和数据源，只有正确合理地应用数据库的3个组成部分才能使嵌入式数据库系统正常稳定工作，在正常工作的同时还能保持其便携的特性。三种部件互相结合的方式，就是嵌入式数据库系统设计的主要方式。

2.2 嵌入式数据库系统的设计特点

在传统的网络连接中采用的连接方式都是固定的网络连接，就是对于不同网络节点的固定持续链接，这样可以很好地保持网络的连通。随着移动数据技术的不断发展，这种网络连接方式已经不能满足移动数据终端对于移动网络节点的连接。移动数据终端所使用的移动数据库对于性能的要求较一般的数据库要高很多，所以采用嵌入式数据库系统设计，这种设计是基于传统数据库的拓展，但是有着更加良好的性能。移动数据库是通过用户终端访问服务器的固定节点来获取动态数据信息的，基于这个原理可以把计算机中的数据库管理系统看成动态数据库管理系统。从设计特点来说，传统的数据库系统与嵌入式数据库系统有着非常大的不同，并且在移动计算机环境下使用嵌入式数据库系统不论性能还是效率上都大大优于传统数据库系统。嵌入式数据库系统的主要设计特点包括对SQLsever的技术标准进行支持，对事务的管理功能和完备的数据库管理功能，同时还可以提供许多嵌入型操作系统的应用。

3 嵌入式数据库系统的应用技术和发展前景

3.1 嵌入式数据库系统设计的主要应用技术

当今嵌入式数据库系统设计中的一项主要技术就是对数据库中数据的复制和缓存。通过使用这项技术可以将数据库中较为重要的数据存储在不同的网络节点中，一旦数据库中的数据发生丢失就可以通过存储在不同网络节点的数据进行数据库数据的恢复。从严格的意义上来讲，只有数据库之间的数据复制才能称得上数据的复制，而计算机上的数据复制其实是属于数据的缓存。复制功能可以在很大程度上提升分布式数据库的可靠性和访问性能，但首要前提是不同节点所储存的数据具有一致性。设计复制功能时所使用的技术不同就会导致复制功能的不同，将这种不同称为强一致性和弱一致性。在进行嵌入式数据库系统的设计过程中如果需要保持数据的一致性不变就要使用强一致性的复制功能，如果没有很严格的要求就可以在短时间内使局部的数据不同，这种复制称为弱一致性复制。但是不相一致的数据一定要保持在一定的数量范围内，并且随着时间的推移最终实现数据的一致性。当今嵌入式数据库系统设计中的另一项主要技术就是数据广播，通过这项技术可以实现数据和信息的周期性传递，对于处理数据库断接问题有着很大帮助。

3.2 嵌入式数据库系统的发展前景

随着电商的不断发展，物流业也随之壮大，嵌入式移动数据库系统可以被应用在物流方面。嵌入式数据库系统可以实现对物流进行准确跟踪，在物流运输的过程中，可以利用嵌入式数据库系统技术将运输信息中的移动数据信息传递，进而保证运输中一切行踪都在总系统的控制范围内，这样非常有利于物流信息的更新。嵌入式数据库系统技术也可以应用在银行上，随着我国技术的不断发展，移动支付的市场占有率不断上升，所以银行移动化也是大势所趋。嵌入式数据库系统应用到移动银行可以使用户对自己账户交易信息进行实时查询，不但方便办理银行业务的用户，也节省了大量的人力物力，提升银行的业务效率。

4 结语

随着我国计算机信息技术的不断发展和进步，人们在使用移动数据终端的时候对于移动数据终端的要求也越来越高，所以为了解决这个问题，嵌入式数据库系统顺应而生。嵌入式数据库系统可以顺应时展的需要解决当前移动数据处理的需要，从而提高移动数据终端的运行效率。在对嵌入式数据库系统进行研究的过程中一定要注意对嵌入式数据库系统的概念的把握，同时还要明确应用的前景和应用技术。随着对嵌入式数据库系统设计的研究不断深入，嵌入式数据库系统会不断完善，并且有着更好的应用前景。

嵌入式设计系统例10

esm的嵌入式操作系统jetos设计。esm还包括一个嵌入式操作系统jetos，主要负责对嵌入式模块的管理。jetos的软件模块主要分为6大部分：主控系统、通讯系统、命令处理系统、智能卡接口模块、文件系统、密钥管理系统。每一个都和其他的模块有一定的联系，但并不是全互联的。

1 主控系统

主控系统负责监控通讯通道，同时要控制esm自身系统的安全和稳定运行。与它有联系的有3个子系统：通讯子系统、命令处理子系统和智能卡接口子系统。因此它要控制并管理这3个子系统的正常运行，他们之间主要是调用和被调用的关系：医学论文主控系统会监控系统异常和正常事件的发生，一旦被激活，它会调用通讯系统与主机通讯，接收命令，转而调用命令处理子系统，对主机的要求做出响应。如果是和智能卡相关的，它会直接调用智能卡接口模块。主控模块并不直接和文件系统以及密钥管理系统关联，它只是通过命令处理系统来调用。主控系统还执行有权限的开关机功能，这也是通过对智能卡接口模块和通讯系统的调用来实现的。

2 处理子系统

jetos提供给主机的命令调用功能都是通过命令处理子系统来实现的。命令处理子系统连接了4个主要的系统模块。由于命令处理模块要执行各种安全功能或操作，它必须能够自主调用所需要的资源。但在超循环结构中，命令处理子系统是不能自主运行的，它属于前台系统，它必须通过主控系统的调用来激活。同时它要受到主控系统的监控，英语论文一旦命令处理模块执行异常或碰到非法操作，主控系统会直接采取相应措施来控制主机，这是通过检测命令处理系统的返回应答码来实现的。

3 通讯系统

通讯系统是esm和主机之间的唯一接口，是控制和主机相互通讯和传送控制命令的通道。

它包含一个命令通道、一个辅助的数据通道以及一个控制用通道。命令通道提供了和主机的函数调用接口、辅助的数据通道通过pci总线方式来传输大容量数据，主要是加解密数据、控制用通道利用i2c总线来传输控制信号控制主机外设。

4 管理系统

密钥管理是实现整个esm系统安全的一个重要组成部分，这里考虑在jetos中实现一个简单的密钥管理功能，实现除了能够对自身所提供的加解密和认证签名系统提供支持外，还一定程度上实现整个系统环境下的密钥管理系统的局部功能。

5 智能卡接口模块

智能卡的硬件接口是用gpio实现的，在jetos中，需要用纯软件模拟的方式来控制智能卡设备，需要一个专门的智能卡接口模块。它通过控制gpio信号来与智能卡通讯，提供了一个标准的智能卡软件接口。它受主控系统的调用，同时也受命令处理系统的调用。主控系统在执行开关机权限检测或身份认证，卡异常监控等功能时，会直接调用智能卡接口来执行卡操作。而碰到通用性智能卡应用比如卡验证，加解密，圈存圈提（银行应用）时，会由命令处理模块来发出调用命令。

6 文件系统

在jetos管理esm并执行各项功能时，需要一个简单的文件系统来存贮各种重要的jetos系统文件和应用参数。文件系统同时考虑了密钥管理系统的实现，因为密钥管理系统的一部分需要文件系统的支持，同时文件系统也给esm系统本身功能和应用的升级留下了扩充的余地，可以在文件系统中建立多个应用文件或多个功能性文件等。

应注意在jetos的模块图中并没有内存管理模块，并不是完全没有内存管理，只是内存管理的实现十分简单，而且由于esm的资源有限，实现一个完整的内存管理并没有必要，因此考虑了一种很简单的内存管理方式，在设计中采用顺序存储的方式，利用链表域来查找内存区域，内存并没有分配和回收，由于应用的特殊性，职称论文产生的碎片对系统性能的影响并不大。

7 计算机安全

尽管esm的嵌入式操作系统jetos设计可以提高计算机的安全性，但也不是唯一的一种方法，现在用于网络安全的产品有很多，比如有防火墙、杀毒软件、入侵检测系统等等，但是仍然有很多黑客的非法入侵。根本原因是网络自身的安全隐患无法根除，这就使得黑客进行入侵有机可乘。虽然如此，安全防护仍然必须是慎之又慎，尽最大可能降低黑客入侵的可能，从而保护我们的网络信息安全。而jetos的总体结构设计中采用了超循环结构，那么相应的在实现策略上就应该是一种被动的方式，即esm系统处于一个空闲等待状态，除了一些系统自身的例行操作之外，其余时间是等待事件的发生，主要是接收主机os的命令，然后进入命令处理系统进行处理，并返回结果给os，这是超循环结构所规定的模式。但这样的模式不能实现主动控制主机的功能，所以需要改进，考虑的一种方式就是采用主动和被动相结合，jetos可以被动地接收主机发送的命令，也可以主动向主机发送控制信号，但主要是以被动式为主的辅助以主动控制模式，这样esm同时扮演主设备和从设备。

这种策略的好处主要是灵活，可以很好地满足功能设计上的各种应用需求。主动控制模式可以有效地增强主机的安全性能。可以说主动控制模式才真正体现了硬件一级的安全功能。