嵌入式系統底層軟件結構模型建構與協(xié)同性分析

摘 要：從探討嵌入式系統結構和協(xié)同性角度出發(fā)，分析了嵌入式系統是否采用操作系統的原因以及與硬件層密切相關(guān)的嵌入式系統底層啟動(dòng)加載軟件 Bootloader 和板級支持包軟件BSP 的特性分析，給出相關(guān)模型、協(xié)同性設計流程、Bootloader 以及BSP 主要過(guò)程。為嵌入式系統的設計與應用提供有益的幫助。

0.引言

嵌入式技術(shù)被廣泛應用于信息家器、消費電子、交換機以及機器人等產(chǎn)品中，與通用計算機技術(shù)不同，嵌入式系統中計算機被置于應用環(huán)境內部特征不明顯。系統對性能、體積、以及時(shí)間等有較高的要求。復雜的嵌入式系統面向特定應用環(huán)境，必須支持硬、軟件裁減，適應系統對功能、成本以及功耗等要求。

0.1 嵌入式系統與協(xié)同性

從信息傳遞的電特性過(guò)程分析，嵌入式系統特征表現為，計算機技術(shù)與電子技術(shù)緊密結合，難以分清特定的物理外觀(guān)和功能，處理器與外設、存儲器等之間的信息交換主要以電平信號的形式在IC 間直接進(jìn)行。

從嵌入深度ED來(lái)看，信息交換在IC 間越直接、越多，嵌入深度就越大。

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

嵌入式系統結構模型

圖 1. 嵌入式系統結構模型

0.2 沒(méi)有操作系統OS 的嵌入式系統

0.2.1 系統特點(diǎn)

由于系統的性質(zhì)、任務(wù)、成本等原因，沒(méi)有操作系統支持的嵌入式系統將繼續大量存在。這樣的系統使用專(zhuān)用開(kāi)發(fā)工具(如：仿真在線(xiàn)調試器ICE 等)。通過(guò)串口或并口在ＰＣ機上聯(lián)機調試程序，具有源代碼調試功能。

0.2.2 局限性分析

沒(méi)有OS 的系統按照“指令順序執行+中斷”的模式運行。在作者參與的早期程控交換機系統設計中，需要對不同端口量級（從10 到1000 等）的分機進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。通過(guò)建立交換系統核心硬件層（存儲體、第一層I/O 等）以及用戶(hù)口地址等程序；然后建立定時(shí)和非定時(shí)事件、過(guò)程以及任務(wù)中斷鏈和任務(wù)表，應用中斷對任務(wù)以及過(guò)程調度。設計人員要完成相當于部分操作系統功能的編寫(xiě)，導致軟件結構復雜、工作量大尤其是重復勞動(dòng)。

0.3 具有OS 的嵌入式系統

圖1 的2 嵌入式系統就是具有嵌入式OS 的一種結構模型。引入嵌入式OS 可以面對多種嵌入式處理器環(huán)境（如：MPU、DSP、SOC 等）提供類(lèi)同的API 接口，使基于OS 上的程序具有較好的移植性。從協(xié)同劃分與設計技術(shù)出發(fā)，通過(guò)嵌入式軟件的函數化、產(chǎn)品化能夠促進(jìn)分工專(zhuān)業(yè)化，減少重復勞動(dòng)。