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基于嵌入式设计的软硬件开发分析

范文

赵明

摘要：本文结合嵌入式系统软硬件开发设计的最新研究成果，从嵌入式系统样例产品的开发实际入手，通过对多种设计方式的分析，提出了一套基于去中心化思路的软硬件划分设计方法。文中提出了五项指导性原则，通过示例开发模型进行了相关原则的应用实践，实现了对该方式的验证，有效地简化了复杂任务，提高了嵌入式系统的开发效率，具有较强的实践应用价值。

关键词：嵌入式开发;软硬件硬盘;软件设计模型;实例开发;去中心化

中图分类号：TP311? ? ? 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）12-0208-02

伴随着嵌入式系统开发规模的不断扩充，嵌入式系统实现的功能越来越完善，传统基于硬件进行简单开发的设计模式已经难以满足目前嵌入式系统开发的实际需求，软件设计理论已经开始在嵌入式开发的软件开发模型上得到广泛的应用。目前国内外学者及研究机构对嵌入式软硬件设计提出了多项开发模式，如基于神经网络算法、基于UML模型分开、基于遗传算法等多项结合软件开发技术的最新领域的成果。通过深入挖掘嵌入式硬件与软件资源结合，实现硬件性能与软件开发成本的优化组合。但是这类方法通常偏理论，对硬件与软件的结合分析不够紧密，在实际工作中仍存在着难以实际利用的问题。

1 软硬件划分概述

嵌入式系统面临着资源少、功能需求多的严格约束，利用何种开发模式进行设计已经成为影响系统成本、性能和开发周期的重要前提，在满足嵌入式系统开发功能模式的前提下，如何更好地利用好嵌入式系统的硬件资源，实现软硬件协同开发已经成为最优化的实现嵌入式系统多方面需求最优解的重要环节。为解决此类问题，就必须从嵌入式系统软硬件协同开发模式的方向去寻找思路。

2 嵌入式软硬件设计模型研究

嵌入式软件开发模型通常包括两个方面，即基于IP构件的开发和基于交叉开发技术的开发。

2.1 IP 构件技术

IP构件技术即常见的组件开发模型，IP构件作为嵌入式软件开发的基础开发平台，日益在各类嵌入式系统中得到广泛的应用，IP 核（Intellectual Property Kernel）实现了对芯片系统核心功能的整合，而单一芯片系统（SOC， System on Chip）则更进一步地把多项附属功能集成到单一芯片内部。通过集成化的构件开发，可大大减少系统开发周期，减少程序人员的业务学习成本。

2.2 交叉开发技术

嵌入式软件与常见的软件开发方式不同，在嵌入式软件的开发过程中，目标机与宿主机之间需要进行任务的交互与资源的分配。宿主机需要通过对硬件资源进行定址编译实现功能模块的开发，但最终的嵌入式软件实际运行平台却是目标机。使用交叉式的软件开发技术，可以将宿主机上运行的应用程序转变为对应的二进制代码，并实现在目标机上的运行。整体编译需要使用交叉编译程序完成，在编译后的文件称为目标编译文件，可以在目标机上运行。而通过定址的方式则可以实现宿主机程序与目标机程序间的程序位置的偏移定位，以最终实现在目标机上程序的运行。

3 去中心化的嵌入式系统软硬件设计方法

嵌入式系统设计的重点便是对软硬件的划分进行判断，即通过对系统硬件和软件构件需要实现哪些功能，来进行相应的设计和开发流程，通过利用硬件特性可以实现较高的性能，但功能丰富程度则较软件开发少，目前很多嵌入式芯片的开发都是结合软件进行，软硬件的划分界限较为模糊，这使得嵌入式系统的开发进入了新的创新关键阶段。

通过嵌入式软硬件系统开发分析，本文对原有的软硬件划分的开发模式进行了重构，利用最新的去中心化的思路，创立了一套嵌入式系统的软硬件设计方法。去中心化的目的在于使嵌入式系统的功能、资源由中心化的管理重新分配为分散模块的流程，使得原有的依CPU处理性能来决定嵌入式系统开發功能的集中化模式变为资源均衡分散的方式。该类开发模式应包括以下几方面原则：

（1）去中心化：CPU不再是嵌入式系统整体的处理单元，而是沟通多个独立模块的桥梁作用，由原有的单处理器模式变为多处理器模式;

（2）均衡负载：CPU上承载的业务分布在多个CPU上进行流转，对于复杂数据和大量重复逻辑业务的处理通过定制化的DSP芯片进行处理，并实现通信接口的一致化;

（3）模块化：每个功能模块内部均应包括可实现嵌入式开发功能的芯片、电路和软件构件，并能独立和可复用的运行。这部分模块固化以后，实现了高度的聚合，并通过接口与外部模块连接;

（4）控制与显示分离：显示作为独立环节，与控制相分离，只通过接口程序接收其他模块发送的控制信息和显示信令，显示功能相对复杂，目前北京迪文等厂家已在从事相关的研发工作;

（5）芯片固化处理：利用专有芯片实现高度重复的高强度工作，特别是网络接口单位，包括并不限于以太网、蓝牙、无线网、射频信号等连接方式。目前瑞昇有着较为全面的单芯片解决方案，具有较高的可靠性和安全性。

4 嵌入软硬件设计实例

在本示例中将结合疫情后广泛应用的电子温度计的设计研发进行展开：

（1）设计一套可实现电子测温的电子温度计，通过对人体进行红外测温，实现实时温度读取并显示;

（2）电容显示屏可显示人体当前温度，并可记录至多16组体温数据，并生成历史周期曲线;

（3）电子温度计可与互联网进行连接，实时上传测温数据，并与后台预警系统连接，在出现测温过高时，后台系统及时发出警报，告知应急指挥中心，实时启动疫情防控联动机制，防止测温人员疏漏或其他情况下的漏放情况。

此电子温度计的主体设计模块如图1所示：

温度计各模块功能介绍如下：

（1）温度测量模块：集成温度测量和ADC电路转换功能，温差处理通过CPU进行集中化处理计算;

（2）触摸屏模块：触控及液晶显示电路均通过CPU集成化处理，使用I2C及RGB接口;

（3）网络接口模块：使用CPU进行TCP/IP协议处理，使用LWIP接口对接;

（4）图形显示模块：使用CPU进行UCGUI图形显示库的调用;

（5）内存模块：使用NAND或EPPROM进行存储，提供内存和显存单位。

本文中所构建的去中心化的嵌入式软硬件开发设计方法，通过对原图1中的设计模式进行优化配置，可进一步得到图2中的优化结果：

（1）液晶显示与触摸屏分隔为独立的模块，通过接口进行资源的整合，以实现动态连接的模组，并可通过UART串口与多个CPU组件连接，最终实现控制与显示业务逻辑的分解;

（2）测温模块电路添加独立的MCU控制组件，将偏差处理固化在测温模块内部，不需要调用外部CPU资源，即可通过串口发送温度计量数据，实现独立封闭接口运行;

（3）使用SOC集成化处理苡片，如WIZnet 公司设计生产的以太网接口芯片W5500、江苏沁恒公司设计生产的网络串口透传芯片CH9121 等，实现相关软件协议运转模型的外迁。

（4）简化CPU功能，使其降级为系统串口转发数据和控制命令的组件，甚至可利用各独立模块的MCU组件整合来实现CPU芯片的降级应用;

（5） CPU分散化的进行多线程处理，把体温、图形图像显示、网络连接等多线程并发处理，使程序处理更为简易。

通过去中心化设计模式的优化，本文中例子实现了以下优化：

（1）实现了多个CPU并发工作，内部程序通过多线程并发执行，在提高响应速度的同时减少了网络系统延迟;

（2）开发流程简化，通过对系统软硬件设计模块化的划分，实现了开发难度的降低，对于多重团队开发的大型项目具有重要意义，可有效降低开发周期;

（3）降低了对嵌入式硬件的需求，嵌入式开发的系统资源作为系统运行的主要成本，硬件成本的降低，可大大降低物料成本投入;

（4）开发效率更高，多个模块通过软硬件复用，实现了通用性，在未来的新版本开发过程中可通过模块直接调用，有效地提升了可复用性。

5 结语

文中针对嵌入式系统开发的软硬件模式进行了分析，并结合去中心化的思路提出了一套基于软硬件划分的设计体系，通过对开发实例的抽象分析，实现了复杂业务逻辑模块化划分开发，各功能模块功能独立，开发逻辑明确，故障节点分散冗余，是嵌入式开发的成功应用范例。本文提出的去中心化开发模式，在保障了系统运行的稳定性、鲁棒性、可复用性的同时，有效地提升了产品的开发效率，对于嵌入式产品的实际开发研究有着较高的参考意义。

参考文献：

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[3] 周哲熙.基于平台和中间件的嵌入式系统软硬件协同设计[J].电子测试，2018（12）：129，131.

[4] 陈思功，秦晓，章恒翀.基于UML的软硬件协同设计的模型分析方法[J].软件学报，2003，14（1）：103-109.

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【通联编辑：光文玲】

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