嵌入式系統(tǒng)底層軟件結(jié)構(gòu)模型建構(gòu)與協(xié)同性分析

摘 要：從探討嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和協(xié)同性角度出發(fā)，分析了嵌入式系統(tǒng)是否采用操作系統(tǒng)的原因以及與硬件層密切相關(guān)的嵌入式系統(tǒng)底層啟動(dòng)加載軟件 Bootloader 和板級(jí)支持包軟件BSP 的特性分析，給出相關(guān)模型、協(xié)同性設(shè)計(jì)流程、Bootloader 以及BSP 主要過程。為嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供有益的幫助。

0.引言

嵌入式技術(shù)被廣泛應(yīng)用于信息家器、消費(fèi)電子、交換機(jī)以及機(jī)器人等產(chǎn)品中，與通用計(jì)算機(jī)技術(shù)不同，嵌入式系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)被置于應(yīng)用環(huán)境內(nèi)部特征不明顯。系統(tǒng)對(duì)性能、體積、以及時(shí)間等有較高的要求。復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)面向特定應(yīng)用環(huán)境，必須支持硬、軟件裁減，適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)功能、成本以及功耗等要求。

0.1 嵌入式系統(tǒng)與協(xié)同性

從信息傳遞的電特性過程分析，嵌入式系統(tǒng)特征表現(xiàn)為，計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子技術(shù)緊密結(jié)合，難以分清特定的物理外觀和功能，處理器與外設(shè)、存儲(chǔ)器等之間的信息交換主要以電平信號(hào)的形式在IC 間直接進(jìn)行。

從嵌入深度ED來看，信息交換在IC 間越直接、越多，嵌入深度就越大。

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型（圖1）時(shí)，充分考慮到軟硬協(xié)同性，使其成為一個(gè)實(shí)驗(yàn)與研究完備平臺(tái)。軟硬件協(xié)同性問題涉及到協(xié)同性劃分技術(shù)和協(xié)同性設(shè)計(jì)技術(shù)。協(xié)同性核心問題之一將涉及啟動(dòng)加載軟件Bootloader、系統(tǒng)板級(jí)支持包BSP 以及嵌入式OS 之間融合和移植。協(xié)同性設(shè)計(jì)技術(shù)與系統(tǒng)功能、性能以及開發(fā)人員等因素相關(guān)，其核心內(nèi)容為軟硬件的協(xié)同描述、驗(yàn)證和綜合提供一種集成環(huán)境。

嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

圖 1. 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

0.2 沒有操作系統(tǒng)OS 的嵌入式系統(tǒng)

0.2.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

由于系統(tǒng)的性質(zhì)、任務(wù)、成本等原因，沒有操作系統(tǒng)支持的嵌入式系統(tǒng)將繼續(xù)大量存在。這樣的系統(tǒng)使用專用開發(fā)工具(如：仿真在線調(diào)試器ICE 等)。通過串口或并口在ＰＣ機(jī)上聯(lián)機(jī)調(diào)試程序，具有源代碼調(diào)試功能。

0.2.2 局限性分析

沒有OS 的系統(tǒng)按照“指令順序執(zhí)行+中斷”的模式運(yùn)行。在作者參與的早期程控交換機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要對(duì)不同端口量級(jí)（從10 到1000 等）的分機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。通過建立交換系統(tǒng)核心硬件層（存儲(chǔ)體、第一層I/O 等）以及用戶口地址等程序；然后建立定時(shí)和非定時(shí)事件、過程以及任務(wù)中斷鏈和任務(wù)表，應(yīng)用中斷對(duì)任務(wù)以及過程調(diào)度。設(shè)計(jì)人員要完成相當(dāng)于部分操作系統(tǒng)功能的編寫，導(dǎo)致軟件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作量大尤其是重復(fù)勞動(dòng)。

0.3 具有OS 的嵌入式系統(tǒng)

圖1 的2 嵌入式系統(tǒng)就是具有嵌入式OS 的一種結(jié)構(gòu)模型。引入嵌入式OS 可以面對(duì)多種嵌入式處理器環(huán)境（如：MPU、DSP、SOC 等）提供類同的API 接口，使基于OS 上的程序具有較好的移植性。從協(xié)同劃分與設(shè)計(jì)技術(shù)出發(fā)，通過嵌入式軟件的函數(shù)化、產(chǎn)品化能夠促進(jìn)分工專業(yè)化，減少重復(fù)勞動(dòng)。