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嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,软件硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和具体应用相结合的产物。
近年来,在计算机、互联网和通信技术高速发展的同时,嵌入式系统开发技术取得迅速发展,嵌入式系统应用范围也急剧扩大。从小到电子手表、电子体温计、翻译机等,大到如冷气机、电冰箱、电视机,甚至马路上红绿灯的控制器、战斗机中的飞控系统等。嵌入式系统几乎无处不在:
1 嵌入式系统的特点
与通用计算机系统相比,嵌入式系统有其自身的特点:
(1)嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物,这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。
(2)嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。
(3)嵌入式系统和具体应用相结合,其升级换代也是和具体产品同步进行的。因此嵌入式系统产品一旦进入市场,就具有较长的生命周期。
2 嵌入式系统的发展趋势
消费家电的智能化,为嵌入式系统的发展展现出美好的市场前景,也对嵌入式系统提出新的发展要求;微电子技术和系统设计方法的进步,使得嵌入式系统的发展呈现出以下趋势:
(1)随着嵌入式系统功能的增加,嵌入式系统处理的信息和数据量越来越大,系统对处理的响应时问也要求更严格,嵌入式处理器的主频会越来越高,甚至采用多核的方式来应付日益增长的性能要求。
(2)嵌入式系统在工业领域和某些特殊场合的广泛应用,要求嵌入式系统具有远程控制软件更新和故障诊断的能力。
(3)随着嵌入式系统在手持设备上的大量应用,手持设备的特点要求嵌入式系统功耗、体积更小,重量更轻。
(4)嵌入式系统将具有更加高速的通信接口,如USB2.0、千兆以太网等。
3 嵌入式系统设计流程
嵌入式系统开发分为软件开发部分和硬件开发部分。嵌入式系统开发过程一般都采用“宿主机/目标板”开发模式,即利用宿主机(PC机)上丰富的软硬件资源及良好的开发环境和调试工具来开发目标板上的软件,然后通过交叉编译环境生成目标代码和可执行文件,通过串口FUSB/以太网等方式下载到目标板上,利用交叉调试器在监控程序运行,实时分析,最后,将程序下载固化到目标机上,完成整个开发过程。当前,嵌入式开发已经逐步规范化,在遵循一般工程开发流程的基础上,嵌入式开发有其自身的一些特点,图1所示为嵌入式系统开发的一般流程。流程主要包括系统需求分析佞求有严格规范的技术要求)、体系结构设计、软硬件及机械系统设计、系统集成、系统测试、最终产品。具体情况如下:
(1)系统需求分析:确定设计任务和设计目标,并提炼出设计规格说明书,作为正式设计指导和验收的标准。系统的需求一般分功能性需求和非专题与综述功能性需求两方面。功能性需求是系统的基本功能,如输入输出信号、操作方式等;非功能需求包括系统性能、成本、功耗、体积、重量等因素。
(2)体系结构设计:描述系统如何实现所述的功能和非功能需求,包括对硬件、软件和执行装置的功能划分,以及系统的软件、硬件选型等。一个好的体系结构是设计成功与否的关键。
(3)硬件/软件协同设计:基于体系结构,对系统的软件、硬件进行详细设计。为了缩短产品开发周期,设计往往是并行的。嵌入式系统设计的工作大部分都集中在软件设计上,采用面向对象技术、软件组件技术、模块化设计是现代软件工程经常采用的方法。
(4)系统集成:
把系统的软件、硬件和执行装置集成在一起,进行调试,发现并改进单元设计过程中的错误。
(5)系统测试:对设计好的系统进行测试,看其是否满足规格说明书中给定的功能要求。
4 嵌入式系统设计面临的挑战
要求更高的应用需求推动嵌入式设计从8/16位转向功能更强大的32位MCU。这种升级给工程师带来了严峻的挑战,提出了一系列前所未有的全新问题。
(1)转变观念,需要熟悉新的开发模式。嵌入式系统应用不再是过去单一的单片机应用模式,而是越来越多样化,嵌入式系统实现的最高形式是片上系统SoC,而SoC的核心技术是重用和组合IP核构件。从单片机应用设计到片上系统设计及其中间的一系列的变化,从底层大包大揽的设计到利用FPGA和IP模块进行功能组合PSoC/SOPC设计。
(2)技术门槛提高,需要学习全新的RTOS技术。
(3)选择合适的开发工具,熟悉新的开发环境。目前从8位升级到32位的一个最大障碍就是开发工具的投入。32位开发工具要比8位开发工具复杂得多,使用的技术门槛要高得多,同时其投资也要高得多。
(4)熟悉硬件/软件协同设计和验证技术、设计管理技术。软/硬件并行设计是嵌入式系统设计的一项关键任务。在设计过程中的主要问题,是软硬件设计的同步与集成。这要求控制一致性与正确性,但随着技术细节不断增加,需要消耗大量的时间。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。目标是提供一种统一的软硬件开发方法。它支持设计空间探索,并使系统功能可以跨越硬件和软件平台复用。团队开发的最大问题就是设计管理问题。
(5)SoC设计所面临的巨大的挑战。SoC已经开始成为新一代应用电子技术的核心,这已成为电子技术的革命标志。过去应用工程师面对的是各种ASIC电路,而现在越来越多所面对的是巨大的IP模块库,所有设计工作都是以IP模块为基础。SoC设计技术使嵌入式系统设计工程师变成了一个面向应用的电子器件设计工程师。随着SoC应用的日益普及,在测试程序生成、工程开发、硅片查错、量产等领域对SoC测试技术提出了越来越高的要求。
[参考文献]
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[3] 电子感测技术.周南山.2007年出版.
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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。
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引 言
经过近几年的快速发展,嵌入式系统(Embedded System)已经成为电子信息产业中最具增长力的一个分支。随着手机、PDA,GPS、机顶盒等新兴产品的大量应用,嵌入式系统的市场正在以每年30%的速度递增(IDC预测),嵌入式系统的设计也成为软硬件工程师越来越关心的话题。
在嵌入式系统设计中,低功耗设计(Low Power Design)是许多设计人员必须面对的问题。其原因在于嵌入式系统被广泛应用于便携式和移动性较强的产品中,而这些产品不是一直都有充足的电源供应,往往是靠电池来供电的;而且大多数嵌入式设备都有体积和质量的约束。另外,系统部件产生的热量和功耗成比例,为解决散热问题而采取的冷却措施进一步增加了系统的功耗。为了得到最好的结果,降低系统的功耗具有下面的优点:
(1) 电池驱动的需要。在强调绿色环保时期,许多电子产品都采用电池供电。对于电池供电系统,延长电池寿命,降低用户更换电池的周期,提高系统性能与降低系统开销,甚至能起到保护环境的作用。
(2) 安全的需要。在现场总线领域,本安问题是┮桓霆重要话题。例如FF的本安设备,理论上每个网段可以容纳32个设备,而实际应用中考虑到目前的功耗水平,每个网段安装10个比较合适。因此降低系统功耗是实现本安要求的一个重要途径。
[JP2](3) 解决电磁干扰。系统功耗越低,电磁辐射能量越小,对其他设备造成的干扰也越小。如果所有的电子产品都能设计成低功耗,那么电磁兼容性设计会变得容易。[JP]
(4) 节能的需要。特别是对电池供电系统,功耗与电压的平方成正比即:P=V2fC+P┆static,б虼私谀芨为重要。
1 功耗产生的原因
[BT3]1.1 集成电路的功耗
目前的集成电路工艺主要有TTL和CMOS两大类,无论哪种工艺,只要电路中有电流通过,就会产生功耗。通常,集成电路的功耗主要有4个:
(1) 开关功耗。对电路中的电容充放电而形成,其表达式为:
(2) 静态功耗和动态功耗。当电路的状态没有进行翻转(保持高电平或低电平)时,电路的功耗属于静态功耗,其大小等于电路电压与流过电流的乘积;动态功耗是电路翻转时产生的功耗,由于电路翻转时存在跳变沿,在电路翻转瞬间,电流比较大,存在较大的动态功耗。目前大多数电路都采用CMOS工艺,静态功耗很小,可以忽略。起主要作用的是动态功耗,因此从降低动态功耗入手来降低功耗。
(3) 短路功耗。因开关时由电源到地形成的通路造成的,其表达式为:
(4) 漏电功耗。由亚阈值电流和反向偏压电流造成。目前大多数电路都采用CMOS工艺,故漏电功耗很小,可以忽略。
1.2 电阻的功耗和有源器件的功耗
通常为负载器件和寄生元件产生的功耗。有源开关器件在状态转换时,电流和电压比较大,将引起功率消耗。另外, CMOS电路中最大的功耗来自于内部和外部的电容充放电产生的功耗。
2 硬件低功耗设计
[BT3]2.1 选择低功耗的器件
选择低功耗的电子器件可以从根本上降低整个硬件系统的功耗。目前的半导体工艺主要有TTL工艺和CMOS工艺,CMOS工艺具有很低的功耗,在电路设计上尽量选用,使用CMOS系列电路时,其不用的输入端不要悬空,因为悬空的输入端可能存在感应信号,它将造成高低电平的转换。转换器件的功耗很大,尽量采用输出为高的原则。
嵌入式处理器是嵌入式系统的硬件核心,消耗大量的功率,因此设计时选用低功耗的处理器;另外,选择低功耗的通信收发器(对于通信应用系统)、低功耗的访存部件、低功耗的电路,目前许多通信收发器都设计成节省功耗方式,这样的器件优先采用。
2.2 选用低功耗的电路形式
完成同样的功能,电路的实现形式有多种。例如,可以利用分立元件、小规模集成电路,大规模集成电路甚至单片实现。通常,使用的元器件数量越少,系统的功耗越低。因此,尽量使用集成度高的器件,以减少电路中使用元件的个数,减少整机的功耗。
2.3 单电源、低电压供电
一些模拟电路如运算放大器等,供电方式有正负电源和单电源两种。双电源供电可以提供对地输出的信号。高电源电压的优点是可以提供大的动态范围,缺点是功耗大。例如,低功耗集成运算放大器LM324,单电源电压工作范围为5~30 V。当电源电压为15 V时,功耗约为220 mW;当电源电压为10 V时,功耗约为90 mW;当电源电压为5 V时,功耗约为15 mW。可见,低电压供电对降低器件功耗的作用十分明显。因此,处理小信号的电路可以降低供电电压。
2.4 分区/分时供电技术
一个嵌入式系统的所有组成部分并非时刻在工作,基于此,可采用分时/分区的供电技术。原理是利用“开关”控制电源供电单元,在某一部分电路处于休眠状态时,关闭其供电电源,仅保留工作部分的电源。
2.5 I/O引脚供电
嵌入式处理器的输出引脚在输出高电平时,可以提供约20 mA的电流,该引脚可以直接作为某些电路的供电电源使用,如图2所示。处理器的引脚输出高电平时,外部器件工作;输出低电平时,外部器件停止工作。需要注意,该电路需满足下列要求:外部器件的功耗较低,低于处理器I/O引脚的高电平输出电流;外部器件的供电电压范围较宽。
2.6 电源管理单元设计
处理器全速工作时,功耗最大;待机状态时,功耗比较小。常见的待机方式有两种:空闲方式(Idle)和掉电方式(Shut Down)。其中,Idle方式可以通过中断的发生退出,中断可以由外部事件供给。掉电方式指的是处理器停止,连中断也不响应,因此需要进入复位才能退出掉电方式。
为了降低系统的功耗,一旦CPU处于“空转”,可以使之进入Idle状态,降低功耗;期间如果发生了外部事件,可以通过事件产生中断信号,使CPU进入运行状态。对于Shut Down状态,只能用复位信号唤醒CPU。
2.7 智能电源设计
既要保证系统具有良好的性能,又能兼顾功耗问题,一个最好的办法是采用智能电源。在系统中增加适当的智能预测、检测,根据需要对系统采取不同的供电方式,以求系统的功耗最低。许多膝上型电脑的电源管理采用智能电源,以笔记本电脑为例,在电源管理方面,Intel公司采取Speed Step技术;AMD公司采取Power Now技术;Transmeta公司采取Long Run技术。虽然这三种技术涉及到的具体内容不同,但基本原理是一致的。以采用Speed Step技术的笔记本电脑为例,系统可以根据不同的使用环境对CPU的运行速度进行合理调整。如果系统使用外接电源,CPU将按照正常的主频率及电压运行;当检测到系统为电池供电时,软件将自动切换CPU的主频率及电压至较低状态运行。
2.8 降低处理器的时钟频率
处理器的功耗与时钟频率密切相关。以SAMSUNG S3C2410X (32 b ARM 920T内核)为例[8],它提供了四种工作模式:正常模式、空闲模式、休眠模式、关机模式,各种模式的功耗如表1所示。[HJ1][HJ]
由表1可见,CPU在全速运行的时候比在空闲或者休眠的时候消耗的功率大得多。省电的原则就是让正常运行模式远比空闲、休眠模式少占用时间。在类似PDA的设备中,系统在全速运行的时候远比空闲的时候少,所以可以通过设置,使CPU尽可能工作在空闲状态,然后通过相应的中断唤醒 CPU,恢复到正常工作模式,处理响应的事件,然后再进入空闲模式。因此设计系统时,如果处理能力许可,可尽量降低处理器的时钟频率。
另外,可以动态改变处理器的时钟,以降低系统的总功耗。CPU空闲时,降低时钟频率;处于工作状态时,提高时钟频率以全速运行处理事务,实现这一技术的方法。通过将I/O引脚设定为输出高电平,加入电阻R1,将增加时钟频率;将I/O引脚输出低电平,去掉电阻R1,可降低时钟频率,以降低功耗。
2.9 降低持续工作电流
在一些系统中,尽量使系统在状态转换时消耗电流,在维持工作时期不消耗电流。例如,IC卡水表、煤气表、静态电能表等,在打开和关闭开关时给相应的机构上电,开关开和关状态通过机械机构或磁场机制保持开关的状态,而不通过电流保持,可以进一步降低电能的消耗。[JP]
3 软件低功耗设计
3.1 编译低功耗优化技术
编译技术降低系统功耗是基于这样的事实:对于实现同样的功能,不同的软件算法,消耗的时间不同,使用的指令不同,因而消耗的功率也不同。对于使用高级语言,由于是面向问题设计的,很难控制低功耗。但是,如果利用汇编语言开发系统(如对于小型的嵌入式系统开发),可以有意识地选择消耗时间短的指令和设计消耗功率小的算法来降低系统的功耗。
3.2 硬件软件化与软件硬件化
通常的硬件电路一定消耗功率,基于此,可以减少系统的硬件电路,把数据处理功能用软件实现,如许多仪表中用到的对数放大电路、抗干扰电路,测量系统中用软件滤波代替硬件滤波器等。
需要考虑,软件处理需要时间,处理器也需要消耗功率,特别是在处理大量数据的时候,需要高性能的处理器,这可能会消耗大量的功率。因此,系统中某一功能用软件实现,还是用硬件实现,需要综合计算后进行设计。3.3 采用快速算法
数字信号处理中的运算,采用如FFT和快速卷积等,可以大量节省运算时间,从而减少功耗;在精度允许的情况下,使用简单函数代替复杂函数作近似,也是减少功耗的一种方法。
3.4 软件设计采用中断驱动技术
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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。
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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：
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随着电子信息技术的发展，计算机在不同领域中得到了广泛的应用，人们根据不同领域的实际需求，针对性的开发了具有相应功能的软件，从而提高实际的工作效率，但是在计算机出现的早期，受到其体积和性能上的限制，其应用的范围很小，随着晶体管和集成电路的出现，计算机的体积和性能得到了极大的提升，从计算机的发展可以看出，每次技术的更新，都是为了减小其体积，同时提高其性能。计算机的出现是革命性的，由于其能够自行的处理任务，如果应用在实际的工业生产中，就能够实现生产的自动化，这也是近些年计算机应用发展的方向，但是通过实际的调查发现，计算机在应用的过程中，虽然经过了多年的发展，出现了笔记本电脑，在体积上得到了极大的控制，但是在工业控制领域中，这样的体积依然很庞大，在这种背景下，人们发明了单片机这种微型计算机，并在工业控制中得到了广泛的应用。
1 嵌入式架构简述
1.1 嵌入式架构的概念
嵌入式架构是随着计算机的发展，逐渐形成的一门学科，现在很多高校中，都开设了这门课程，为社会培养大量的相关人才，学生在毕业后，能够掌握到充足的嵌入式架构知识，从而能进行计算机系统的设计，我国受到特殊的历史因素影响，经济和科技发展的起步较晚，与西方发达国家相比，存在较大的差距，尤其是在电子信息领域。虽然近年来随着国家的重视，出台了很多优惠的政策法规，鼓励和扶持我国相关产业的发展，经过了多年的发展，现在我国嵌入式架构的研究，已经得到了很大的提高，但是通过实际的调查发现，嵌入式架构使用的单片机等设备，目前还都是国外的公司生产的，我国技术人员在完成系统的开发后，都需要采用国外的设备，由于我国一直受到西方国家的技术封锁，很多先进的设备都无法进口，在很大程度上影响了我国嵌入式架构的发展。对于嵌入式架构的概念，国际电气和电子工程师协会给出了具体的解释，是控制、监视等辅助设备工作的系统，目前对于嵌入式架构的理解，主要基于计算机技术，一般情况下，可以把带有控制程序的处理器，看成是一个嵌入式架构，在不同的时期，人们对于嵌入式架构概念的理解，也存在一定的差异，但是从根本上来说，都是为了更好的使用嵌入式系统。
1.2 嵌入式架构的特点
与传统的计算机技术相比，嵌入式架构具有鲜明的特点，首先就是体积更小，在嵌入式架构出现的早期，主要是在计算机的基础上，进行系统的开发，但是随着相关技术的发展，嵌入式架构自身有了很大的进步，尤其是单片机等微型计算机的出现，使得其应用的范围更加广泛，从某种意义上来说，单片机的出现，就是由于嵌入式架构应用的需要。其次嵌入式架构具有控制的特点，随着电子信息化的发展，很多机械设备都采用了智能芯片，通过这些芯片的使用，可以写入特定的控制程序，从而达到相应的控制目的，近几年软件技术有了很大的发展，尤其是在人工专家模块出现后，计算机软件可以实现一定的智能化，在遇到一些问题时，可以通过检索以前的经验，对问题自行进行处理，如果将这个技术应用到嵌入式架构中，就可以实现工业生产的自动化控制。从根本上来说，工业的自动化控制技术，就是在单片机等微型计算机的基础上发展起来的，而单片机的使用，大多都是在嵌入式架构，通过硬件和软件的针对性设计，可以最大程度的提高单片机应用的效率。
2 单片机系统设计的现状
2.1 单片机系统设计的发展
单片机的出现，主要是由于实际应用的需要，传统的计算机受到体积上的限制，虽然在很多领域中得到了应用，但是在实际的工业生产中，要想对生产过程中的每个环节进行控制，必须将所有的环节通过特定的方式连接起来，然后设置一个中央服务器，通过硬件和软件等方式，对生产进行实时的控制，只有这样才能够最大程度提高生产的效率。由此可以看出，单片机系统的发展，可以分成硬件和软件两个部分，而这两个部分都受到计算机技术的影响，尤其是软件方面，在初期使用机器语言进行编程时，还没有单片机的出现，而汇编等低级语言使用，单片机程序的编写，也采用这些低级语言，随着计算机软件技术的发展，逐渐的出现了C语言等高级语言，相应的单片机系统设计，也开始使用这些高级语言，极大的提高了软件编写的效率。单片机系统硬件的发展，由于其出现和发展都在西方发达国家，而且由于社会和经济的体制不同，这些国家对我国一直存在技术上的封锁，因此我国很难接触到先进的单片机系统知识，在很大程度上影响了我国单片机技术的发展，目前使用的单片机设备，都是国外公司生产的，而且一些最新的单片机，对我国还存在进口的限制。
2.2 单片机系统设计中存在的问题
单片机从出现开始，到现在已经使用了多年，在应用的过程中，其自身的理论在不断的完善，通过单片机系统的使用，可以轻松的实现工业生产的自动化，进而提高生产的效率，正是由于单片机系统的这个特点，使得每个企业都希望能够通过这样的方式，来提高自身的生产效率，但是在实际应用的过程中，不同公司加工的产品不同，生产设备也存在一定的差异，如果使用同样的单片机系统，显然无法最大程度的提高生产效率。因此现在单片机系统的使用，都会根据实际的需求，对单片机系统的功能，进行针对性的设计，但是通过实际的调查发现，目前单片机系统设计中，还存在着一些问题，使得设计的系统不是很完善，在实际使用的过程中，经常会出现一些漏洞，影响产品的加工效率，由于单片机系统设计可以分成软件和硬件两个部分，因此对系统设计存在的问题，也可以从这两个方面进行分析。首先就是硬件性能不合格，在设计完实际的电路后，对各个元器件的性能，都有具体的要求，如果这些器件的性能达不到相应的指标，那么电路显然就无法正常的运行，其次就是软件设计的不完善，由于软件自身的特殊性，无法编写出完美的程序，程序自身越复杂，存在的漏洞也就越多，如果在程序编写完成之后，没有经过科学的测试，那么在应用时，就可能会出现问题。
3 基于嵌入式架构的单片机系统设计分析
3.1 基于嵌入式架构的单片机系统硬件设计
在单片机出现的早期，由于还没有形成嵌入式架构的概念，因此在实际的系统设计中，而且单片机系统的使用，都是对现有的生产线进行改进，通过在生产设备上增加一些线路，然后用单片机对其进行控制，在这种模式下，硬件设备的选择，主要是根据环境来进行，对硬件设备的体积要求比较严格。随着硬件设备的发展，现在生产单片机的公司有很多，可以实现同样功能的元器件有很多，而自动化技术的出现，使得生产线在设计的过程中，会根据控制的需求，进行相应的变化，这种单片机系统使用方式上的转变，极大的促进了其应用的发展，为了达到更高的控制效率，人们将单片机放到生产线的每个环节中，然后将这些单片机连接到一个服务器上，就能够实现对生产的全面控制。现在单片机系统设计中，首先进行的就是硬件上的设计，通常情况下，会根据生产的实际情况，对控制的功能进行需求分析，单片机系统硬件的设计，会和生产线的硬件设计同步进行，如果控制系统的硬件出现问题，可以根据需要，对生产线进行一定的修改。
3.2 基于嵌入式架构的单片机系统软件设计
嵌入式系统与传统的应用方式相比，最明显的特点就是多了辅助设备，如以往应用计算机的过程中，都是计算机的单独使用，人们直接利用计算机来处理一些问题，或者利用计算机来控制某些设备的工作，没有任何的辅助设备，而嵌入式架构下，需要借助单片机等设备，如一条生产线通常包括多个加工工艺，如果采用计算机的统一控制，就无法实现对每个环节的单独控制，而利用单片机系统，在每个加工环节中，都嵌入一个单片机，然后将这些单片机连接到一个计算机服务器中，就可以实现局部的控制。而要想完成这个过程，就要通过相应的软件功能，对于同样的单片机系统，如果根据实际应用的需要，设计不同的程序，能够实现不同的控制功能，由此可以看出，软件设计是单片机系统工作的核心。
4 结束语
作为以计算机为基础的技术，嵌入式架构的发展，很大程度上受到计算机技术的影响，如在计算机刚出现时，由于其性能比较，甚至还不如现在的电子计算器，因此实际的应用很少，只是在实验室中进行科研使用，但是人们从计算机的特点能够看出，随着技术的进步，将来计算机一定会得到普及应用。在这种背景下，很多专家和学者对计算机进行了研究，通过大量的实践，极大的推动了计算机的发展，于是计算机越来越多的用来处理实际问题，为了提高控制的效率，人们对程序进行了完善，经过全文的分析可以知道，嵌入式架构和单片机的出现，都是由于实际应用的需要，而单片机在实际应用的过程中，还存在很多问题，如果能够采用嵌入式架构，那么就能够极大的提高单片机系统的使用效果。
参考文献：
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基于嵌入式Linux远程监控系统，在一定程度上充分结合Internet网络的广泛性及其应用性，同时融合了嵌入式系统具有明显的容易移植的特性，且在实用性方面具有很广阔的应用开发前景，也是远程监控系统方面的发展方向。通过该系统，用户可以直接通过Internet浏览器对现场的设备进行远程监控，操作安全可靠。ARM 处理器具有更高的稳定性， 且资源占用少、系统集成度高、硬件干扰少， 能较好地应用于所需的控制，嵌入式Linux系统是使用源代码公开的、免费的操作系统，且为微控制系统的开发提供了良好的任务管理平台和底层驱动平台， 也为上层软件模块的管理提供了有力的保证。
1 远程监控系统总体设计
远程监控系统汇集了多项技术，在结构和功能上要设计合理，利用现有资源去实现各个功能和模块，根据整个系统的功能和要求，来选择一个合理的总体设计方案。远程监控系统的功能设计按照以下主要环节展开，对图像和温度数据的采集和相关处理，当客户端有申请响应时，根据响应，传送给客户相关的数据信息。本系统的总体功能方案如图1所示。
2 系统硬件组成
嵌入式设备在嵌入式系统硬件系统中也是不可或缺的一个部分，除了核心控制部件以外，还有其它不可或缺的部件用于完成数据测量、调试和对调试结果进行显示等，包括传感器、电子部件、机械部件等，都可以算作嵌入式设备。目前常用的嵌入式设备按照功能可分为存储设备、通信设备以及显示设备三类。本系统采用的三星公司的S3C2410，主频可达203MHz。它的硬件功能主要有：64M字节的SDRAM，是由两片K4S561632组成，主要工作在32位模式下；64M字节的NAND Flash，采用K9F1208，可以兼容16M，32M或者128M字节；10M以太网接口，采用CS8900Q3，带有传输和连接指示灯；2个USB HOST接口，符合USB1.1；还有SD卡接口等。其硬件框图如图2所示。
3 系统软件组成
3.1 交叉编译环境搭建
在一般的计算机系统之中，都有足够的系统资源，能够方便的对其进行编译和调试，但是在Linux系统之中，其内核资源相对来说并不完整，它并没有相关的交叉编译工具，由此，本系统的开发环境是Red Hat Linux版本操作系统，使用的内核版本是Linux2.6，交叉编译工具链3.3.2，其安装步骤如下：
1）在本系统使用的相关目录下建立名的arm的目录
[root@localhost zyx]#mkdir arm
2）使用复制命令，将cross-3.3.2.tar.bz2复制到arm目录下
[root@localhost zyx]#cp cross-3.3.2.tar.bz2 /arm
3）使用tar命令，对工具链进行解压
[root@localhost zyx]#tar zxvf arm/cross-3.3.2.tar.bz2
这样在arm目录下生成一个工具链文件夹
4）对环境变量进行编写和修改
在该路径下，使用编辑命令 vi /etc/profile ，在此文件中找到：pathmunge/usr/local/sbin一行，在它下面增加环境变量设置如下：pathmunge/usr/local/arm/3.3.2/bin，这样交叉编译工具链搭建成功。
3.2 配置移植嵌入式Linux内核
因为嵌入式系统的硬件环境各不相同，而嵌入式Linux操作系统并不为特定的处理器设计，所以需要针对不同的嵌入式系统硬件平台对Linux操作系统进行定制和裁剪，修改操作系统内核中与硬件相关的代码，使其在特定的CPU上运行起来。该文使用的内核源代码是三星公司为s3c2410微处理器的内核源码，版本是linux-2.6.8.1.tar.bz2。
1）解压linux-2.6.8.1.tar.bz2到目录/arm下
[root@localhost zyx]#tar zxvf linux-2.6.8.1.tar.bz2
将生成linux-2.6.8.1目录
2）修改交叉编译器
内核目录下Makefile文件记录着内核各个模块组织关系及变异关系。修改交叉编译器：
ARCH=arm
CROSS_COMPILE=arm-linux-
3）执行make menuconfig内核配置命令，进入Linux内核配置界面，即对内核进行选择配置剪裁。
3.3 Bootloader简介及移植
在嵌入式系统的操作系统中，内核在运行之前，也同样要运行一段启动程序，就是BootLoader，运行此程序可以对整个硬件设备进行初始化，为内核系统的调用提供一个最佳的系统工作环境，使系统工作在最佳状态。目标板上电之后或者复位之后，首先执行引导程序（Bootloader），来初始化内存等硬件，之后把压缩的映像加载到内存之中，最后在跳转到内存映像入口来执行。Bootloader的功能决定了在引导Linux系统时，必须要使用Bootloader，除非修改了linux内核。
常见的公开源代码的bootloade：有U-BOOT， GRUB， VIVI， LILO等，其中vivi是韩国mizi公司为ARMS处理器专门设计bootloader。因此，我们将vivi移植到S3C2410就相对比较简单。主要是根据具体的板级硬件通过修改vivi/arch/s3c2410/smdk.c文件设置NAND Flash分区。然后再运行make clean，make menuconfig， make命令，将会得到vivi的二进制文件。连接pc机的并口和目标板上的JTAG口，用SJF2410工具将vivi的二进制文件烧写到NAND FLASH中。
4 结论
基于嵌入式Linux远程监控系统，在一定程度上充分结合了Internet网络的广泛性及其应用性，同时融合了嵌入式系统具有明显的容易移植的特性，且在实用性方面具有很广阔的应用开发前景，也是远程监控系统方面的发展方向。本系统采用嵌入式Linux操作系统，结合相关的软硬件技术，实现远程系统监控，且监控系统在功能上基本完善，达到整个系统设计的基本要求。
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1 概述
随着科学技术的发展,更高速,更可靠,更低成本成为各种技术开发的要求。因此,设计能实现实时视觉图像采集、视觉图像处理控制,使其结构更紧凑,甚至完全不需要计算机的介入,提高处理速度,并能有效降低成本的专用机器视觉控制系统,使得该系统具有安装方便、配置灵活、便于携带等突出优点。为此,本课题提出了基于嵌入式机器视觉测控系统的研究,在嵌入式系统上实现实时视觉图像采集、视觉图像处理及控制,构成处理速度快,成本低,结构紧凑,不需要计算机介入的专用嵌入式机器视觉测控系统。
2 系统总体设计
2.1 设计方案
目前,用于图像采集处理系统的嵌入式核心器件一般有FPGA、DSP和ARM芯片,出于成本控制与测控系统性能要求的考虑,这里选用FPGA方案。
FPGA内嵌的NiosII软核处理器是32位的,主要包括CPU微处理器、I/O中断、计时器、UART串口及大量通用寄存器。选用FPGA方案的优点在于,在单个芯片上既可以完成图像采集等复杂逻辑的控制,又可以用内嵌的NiosII处理器完成对图像的处理和识别,电路设计简单,成本低。
对于机器视觉测控系统,在选用了嵌入式处理器实现图像采集的功能之后,需要将视频图像进行数字化处理,这里采用标准工业摄像机+视频图像数字化模块的方法实现。标准工业摄像机的输出信号一般是PAL制式或NTSC制式的模拟信号,信号在进行数字图像处理前必须经过刀D转换,即视频采集。视频采集是整个系统中的一个重要组成部分,它是对模拟视频信号实现数字图像处理的第一个步骤。该方案具有通用性好、成本低的优点。
2.2 总体结构设计
1) 硬件设计
硬件设计包括系统硬件电路的连接和FPGA内部逻辑电路的设计。
FPGA内部逻辑电路的设计是以QuartusII为开发环境,用VHDL语言编程实现图像采集、SRAM总线切换等模块的功能,用SOPC Builder配置、产生NiosII软核处理器及必要的外设(用户自定义外设用VHDL编程实现),然后一起编译并下载到FPGA的配置芯片中,再由配置芯片完成对FPGA的上电配置,由此形成硬件逻辑电路的连接,实现图像采集、处理、存储、显示、实时控制等功能模块。
2) 软件设计
用SOPC Builder生成NiosII处理器系统的同时,也会生成相应的SDK软件开发包。在这个软件包的基础上,开发者可以利用NiosII IDE,移植嵌入式实时操作系统μc/OS-II,编写C或者C++程序来完成对图像的二值化、区域分割、特征提取、模式识别等处理过程,最终实现对目标轨迹的跟踪,实时控制机器人沿规定轨迹运行。
3 关键技术问题探讨
3.1 图像采集CCD模块设计
图像信息的获取就是捕捉待处理目标的图像信息并将其转换成适合一体机处理的数字信号,这一过程主要包括图像捕获、光电转换及数字化等几个步骤。目前图像信息获取可以使用CCD、CMOS、CIS等传感器,其中以CCD的应用最为广泛。
本设计模块采用1/3寸逐行扫描型黑白面阵CCD图像传感器ICX424AL。ICX424AL有效光敏单元为659×494,灵敏度高、暗电流小,带有电子快门。由三相垂直脉冲(V1、V2、V3)和两相水平脉冲(H1、H2)驱动工作,水平驱动时钟频率为24.154MHz,驱动电压5V。曝光之后,每一列成像势阱中的电荷在脉冲的驱动作用下被移至势阱旁的垂直寄存器当中,然后垂直驱动脉冲发挥作用,每次脉冲驱动垂直寄存器组中的像素电荷向下移一行,而此时最下面一行的像素电荷则被移动到水平寄存器当中。之后水平驱动脉冲发挥作用,脉冲驱动水平寄存器中的像素的电荷向输出口移动。被移出像素电荷,经过放大器后形成电压信号输出。水平寄存器被移空后,剩余电荷再次向下移一行,在水平驱动脉冲作用下,水平寄存器的电荷再次被依次移出。上述过程一直重复直至所有像素电荷被移出。
ICX424AL的驱动时序由CCD信号处理器AD9929产生。AD9929有一个三线式串行接的串行通信接口,通过该接口可以对AD9929时序发生器的相位寄存器组进行操作,发送配置信息或读取AD9929的工作状态。AD9929可直接与CCD传感器相连接,CCD像素模拟电压信号在AD9929驱动脉冲的作用下,由CCD_IN引脚输入到AD9929中,经模拟前端采样、放大和A/D转换后,产生8位的数字信号由DOUT[0-11]引脚输出,这些数字信号即为CCD图像传感器捕捉到的待测目标的原始图像信息。
3.2 图像实时跟踪算法设计
由CCD模块负责采集图像,那么嵌入式系统必须要有完善的图像跟踪算法,才能够实现智能机器人对目标的跟踪,传统的图像跟踪算法由于运算量较大而存在实时性较差的问题,因此,有必要对图像跟踪算法进行实时性优化设计。
目标图像跟踪是一个序列图像处理、识别和测量过程。在跟踪过程中,目标可能出现大小、形状、姿态等变化,加上实际环境中的各种干扰,以及图像处理最小计量单位的精度问题,相关跟踪得不到绝对最佳的匹配位置,存在测量误差。因此,为了保证跟踪的稳定性,需要对图像跟踪模板进行自适应更新。图像跟踪模板的更新是目标跟踪中要解决的重要问题之一,图像跟踪模板更新过快或过慢,都有可能丢失所跟踪的目标。判断图像跟踪模板是否需要更新要根据相关的置信度信号,如果相关匹配的置信度高,就可以根据本帧图像的匹配点处的坐标来更新图像跟踪模板;如果置信度低,则说明匹配不稳定,要沿用以前的匹配图像跟踪模板对下一帧进行相关匹配。
相关置信度信号是在分析相关匹配算法的基础上设计出来的,它是一个非常重要的参数。经过分析可知:若匹配点处的峰值很大,且峰值与其它非匹配点的均值之差越大,则表明跟踪越可靠。定义帧内相关置信度为:
式中:C0是帧内相关置信度;maxR是当前帧匹配点处的误差累加次数;R是同一帧内M个依次比maxR小的误差累加次数的均值,如果maxR和R相差越大,则说明该匹配点越可靠。本算法可根据计算速度的需要对M取值,一般可以取M等于20～100的任何值。若C0大于阈值T0,则认为相关匹配值maxR符合帧内置信度,更新图像跟踪模板;否则,相关匹配不可靠,不更新图像跟踪模板。阈值T0根据图像的质量和经验来确定,这里我们取T0=0.6。
实践证明,在序列图像跟踪过程中,若单纯地利用当前图像的最佳匹配位置处的图像跟踪模板作为依据进行下一帧图像的匹配,则跟踪结果很容易受某一帧发生突变的图像的影响而偏离正确位置。因此,本系统采用基于置信度的加权自适应模板修正算法:如果当前帧匹配质量很差,则该帧图像数据不进行修正;而若当前帧匹配质量很好,则该帧图像数据进行修正,加权修正算法表示如下式:
上式中,T(i,j,t)为当前帧使用的图像跟踪模板,O(i,j,t)为当前帧最佳匹配位置的子图像,T(i,j,t+1)为预测得到的下一帧图像坐标,α为加权系数(0≤α≤1),该系数的大小根据帧内相关置信度C0,按照下式计算:
4 结束语
本文在嵌入式系统与机器视觉控制系统的交叉点展开研究,目的是将具有重要意义的机器视觉控制系统应用到具有广泛基础的嵌入式系统平台上,拓展机器视觉的应用范围。通过对机器视觉控制系统及嵌入式系统设计方案的选择,并对基于嵌入式机器视觉控制系统的关键技术问题展开研究,以此为依据,设计了相应的硬件系统和软件系统,并将其应用到智能机器人视觉的控制上。
参考文献:
[1] 王耀南,李树涛,毛建旭.计算机图像处理与识别技术[M].北京:高等教育出版社,2001.
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如今嵌入式系统在日常生活中扮演着越来越重要的角色。从消费电子产品到航天工业，从热门的电子应用（如智能手机和平板电脑等）到相对不起眼的应用（如人造卫星等），嵌入式系统直接或间接地影响人们生活的方方面面。嵌入式系统的巨大潜力使得教育工作者对它的讨论从来没有停止过。世界无数的教育工作者提出了大量新颖和具有创造性的方法和理论，以促进嵌入式系统教育水平的提高，他们大都赞同嵌入式系统具有与实际应用紧密联系的显著特点。
嵌入式系统应用在一个广阔的领域，如简单的微控制应用、控制系统、分布式嵌入式控制、片上系统、网络、嵌入式PC、关键系统、机器人、计算机设备、无线数据系统和信号处理。同时，一些交叉领域知识对于嵌入式系统设计者也同样重要，如安全、可靠性、节能、软件/系统工程、实时计算和人机交互等。
对于想成为合格嵌入式系统设计者的学生来说，他们希望能够亲手接触这些嵌入式应用，因此设计一个高效的实验系统非常重要。实验平台应该能联系抽象的理论知识和实际应用，以帮助学生领会嵌入式系统的知识奥秘。
2.嵌入式系统实验教学的特点
嵌入式系统实验教学与其他课程实验教学有两个方面的不同：软硬件高度结合、知识和技术更新速度快。嵌入式系统实验教学的特点如图1所示。
嵌入式系统实验教学的第一个特点是软硬件高度结合。一个完整的嵌入式系统需要在软硬件基础之上工作。在嵌入式实验教学中，任何一个环节的缺失或弱化都是错误的。我们过去就犯过这方面的错误。嵌入式系统是清华大学计算机科学与技术系大四本科生的一门专业必修课。学生希望在课程结束后对嵌入式系统有一个完整的认识，但是发现在学习完这个仅有2个学分的课程后，依然无法设计出一个软硬件兼备的完整嵌入式系统。因此，我们让学生使用开源软件工具设计诸如鼠标或键盘等设备的驱动程序，但是效果并不理想，冈为学生仅仅熟悉了他们所实验的部分内容，而这些内容只是他们应该掌握内容的一小部分，这不仅是由于实验任务的限制，还因为学牛无法接触硬件层面的操作，无法全面领会嵌入式系统。
嵌入式系统实验教学的另一个特点是嵌入式系统知识和技术更新速度快。在第1节我们曾提到过，紧跟实际应用是嵌入式实验教学的一个关键元素。由于嵌入式系统技术日新月异，嵌入式实验课程讲述的知识和技能以及嵌入式实验设备和组件都必须不断发展。我们在对清华大学计算机科学与技术系学生的调查问卷中发现，对传统嵌入式实验平台的主要批评是实验设备和组件过于陈旧，实验平台与当前技术联系不够紧密，实验内容缺乏吸引力。
综上所述，设计一个高效的嵌入式实验平台必须考虑软硬件结合和嵌入式技术飞速发展这两个因素。
3.当代学生的特点
除了嵌入式实验课程本身，学生是不可忽略的另一个关键因素。学生是实验的参与者，他们对实验的感受影响着实验课程教学的成败，但是我们发现传统的实验方法令当代学生逐渐失去学习兴趣，这主要是因为学生一代一代地不断发展与进步，而传统的实验方法却多年不变。
文献[2]指出当代学生与过去的学生有所不同：缺乏钻研精神、缺乏耐心和依赖于软件。当代学生的特点如图2所示。
当代学生的第1个特点是缺乏钻研精神绝大多数学生成长于用户至上主义日益流行的社会环境。相对于基础原理，他们更关注功能；相对于架构，他们更关注表象。简而言之，当代学生中很少有人理解嵌入式系统的基本原理，另一方面，传统的实验平台专门为演示和验证书本中讲述的原理而设计，因此学生渐渐地无法将实际应用与特别设计的实验相联系，产生的问题是如果学生无法预见所学知识的未来应用前景，就会将关注点转移到其他方面。由此可见，将实验平台与时兴技术相结合非常重要。
当代学生的第2个特点是缺乏耐心。生活节奏的日益加快和互联网络的日益普及，使得当代学生渐渐缺乏耐心。他们习惯在实验开始后急于见到结果，就好像点击鼠标后立刻能在屏幕上看见反应，但是在传统的教学方法中，教学总是从对课程的全面描述分析开始。实践证明这种描述很必要，它可以帮助学生全面了解课程的知识结构，但是这些内容有时会让学生退却，因为学生感觉课程非常抽象与枯燥。鉴于这些问题，新实验平台应该在嵌入式系统的第一堂课就引起学生的兴趣，同时提供一个吸引人的“结果”。
当代学生的第3个特点是依赖于软件。嵌入式系统的发展通常被认为是民众赋予的。在某种程度上，这种发展是电子工程向更智能化发展的结果。然而，电子工程这种不可见的层面，通常被复杂的用户界面和其他图标所伪装，使得大家将其归功于计算机科学，而不是电子工程。许多大学并没有意识到这个问题，而将大部分注意力放在嵌入式软件设计，忽略硬件层次的介绍。这种在嵌入式系统教学中的错误关注导致出现“软件比硬件更加重要”的错误认识。为了纠正这个偏见，我们应该重视硬件并将其引入嵌入式系统课程。
总之，为了设计一个高效的实验平台，当代学生的特点不容忽视。
4.设计嵌入式实验平台的原则
基于上述讨论，我们提出嵌入式系统教学实验平台的几项设计原则。
完整性：实验平台应该相对完整。学生不但能接触软件，而且能操作硬件。这个原则主要解决两个问题：首先纠正学生偏重于软件的错误；其次在第一节课就能吸引学生，告诉他们课程最后能够建立一个基本的却相对完整的系统。
开发性：实验平台应该能帮助学生自由地实现创新思想。实验平台在软件和硬件上都应为学生预留足够数量和种类的接口，使学生能够以此为基础构建自己的嵌入式系统。在实践过程中，越来越多的基于实际应用的嵌入式系统由学生实现，同时学生的创造热情也被激发出来。
从教学的角度看，实验平台应包含以下特点。
可升级性：平台的软硬件应该能分别扩展和升级，而无需对整个平台进行修改。如第2节所述，嵌入式系统技术升级速度快，尤其是硬件设备。为了满足经常升级的需要，可升级性原则应该被放在关键位置。
灵活性：实验内容应该能根据课程的要求而裁剪，以便于实验平台的广泛推广。大多数定制的实验平台在灵活性上有所欠缺，其实验内容无法增加或减少，而为了适应课程学时的变化不得不重新设计实验。
为了达到上述目标，我们提出一个完整的概念模型。目标系统的概念模型如图3所示。
这个概念模型由3个中间层和2个层组成。中间层包括主系统层、中间通道层和从系统层。层包括应用层和组件层。我们将解释这个模型如何能实现前面提出的目标。
完整性：把中间3层看作一个整体，这个基本模型由一个典型嵌入式系统中的主要元素组成，从最顶层的应用层到最底层的功能组件层。学生可以接触完整系统的每一个组件。
开放性：模型的最顶层和最底层向学生开放。实验平台的设计者将足够多的软硬件接口提供给学生，这些接口必须是完整的和用户友好的。使用硬件接口，学生能够通过连接所需的硬件模块构建一个创新的嵌入式设备；使用软件接口，学生可以方便地加载硬件模块所需的软件资源。
可升级性：实验平台设计应该模块化和层次化，每一层为上一层提供上层接口，为下一层提供下层接口。每一层可独立地进行扩展和升级，与相邻层次的接口保持兼容。模型的中间层被设计为3层结构，这个灵感来自于Phidgets的设计，它能为实际设备的实现提供更多可能性。
灵活性：每个层次都能根据课程的重点而被加强或削弱，因此实验内容可根据课程要求而变化。实验课可被安排在两层或更多层之上。基础实验要求学生建立一个基本的嵌入式系统，而在高级实验中，学生能深入研究模型中的各个层，以实现创意设计。
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ARM9-Based Embedded System Design
Liu Xiwen
(China Shipbuilding Industry Corporation 715 Institute,Hangzhou310012,China)
Abstract:This paper Tames's AT91SAM9261 processor core,gives the embedded system design,development ideas.Brief description of the embedded operating system development,focusing on analysis of embedded systems development environment set up;Ethernet port,USB interface,UART interface design;embedded systems software development,file system migration.
Keywords:Linux;ARM9;Embedded systems
一、概述
嵌入式系统是一种智能部件内装于专用设备的高速计算机，它的主要功能是作为一个大型工程系统中的信息处理部件来控制专门的硬件设备。嵌入式计算机系统广泛地用于办公自动化、消费、通信、汽车、工业和军事领域。
嵌入式的典型应用有：过程控制；通讯设备；智能仪器；消费产品；机器人；计算机外设设备：打印机，终端，磁盘驱动器；军事电子设备和现代武器等。
二、嵌入式操作系统
近十年来，嵌入式系统得到了飞速的发展，嵌入式系统的运行离不开嵌入式操作系统。从支持8位微处理器到16位、32位甚至64位，从支持单一品种的微处理器芯片到支持多品种微处理器芯片，从只有实时内核到除了内核外还提供其他功能模块如：文件系统TCP/IP网络系统、GUI图型系统等。
据嵌入式系统杂志的最新报告，世界各国有四十多家公司，已成功的推出了百余种可供嵌入式应用的实时操作系统，其中几个著名的操作系统是Mentor公司的VRTX，Integrated System公司（ISI）的pSOS，Wind River公司的Vx Works等，这些操作系统适用于实时、多任务应用环境，而且还具有相应的功能齐全的交叉开发环境。
目前嵌入式实时操作系统及其应用开发环境的发展动向是：
（一）嵌入式实时操作系统正向实时超微内核开放发展
近几年，国外发展了一种基于微内核思想设计的精巧的嵌入式微内核，即实时超微内核，超微内核是一种非常紧凑的基本内核代码层，为嵌入式应用提供了可抢占，快而确定的实时服务，在它的基础上可以灵活地构造各种类型的，与现成系统兼容的，可伸缩的嵌入式实时操作系统。能满足应用代码的可重用和可伸缩性（scalability）的需求。Microtec已首先推出了基于实时超微内核的嵌入式实时操作系统VRTXsa，它与VRTX32兼容，并具有更强的功能实时性和可靠性有了很大的改进。
（二）开发环境向开放、集成化的方向发展
由于嵌入式应用软件的特殊性，往往要求应用程序设计者具有一定的实时操作系统的专门知识，能合理地划分任务，合理的配置系统以及目标联机的调试。因此，要设计实现一个高性能的实时应用软件，需要强有力的交叉开发工具系统的支持，国外十分重视发展与实时操作系统配合的嵌入式应用的集成开发环境，现已发展到第三代，它以客户服务器的系统结构为基础，具有运行系统的无关性，连接的无关性的特点。
1993年，MICROTEC推出了世界上最先进的第三代嵌入式集成交叉开发系统Spectra（现称为VRTX开发系统），该系统可在UNIX及WINDOWSNT上建立起开放的网络环境的交叉开发平台，能将多来源的开发工具有机地结成一体对复杂的嵌入式应用开发提供全过程支持。
（三）完整的解决方案
RTOS厂家本身或与其他软件公司和半导体公司配合为典型应用提供解决方案，如PDA、机顶盒、路由器等。
三、嵌入式系统软件的开发环境
构建一个复杂的嵌入式系统，仅有硬件是不够的，我们还需要进行操作系统的移植。我们通常在ARM平台上构建Windows CE、Linux、PalmOS等操作系统，其中Linux具有开放源代码的优点。基于ARM的嵌入式系统设计包含以下内容：
1.基于嵌入式处理器的硬件设计；
2.底层软件平台搭建；
3.Bootloader的移植；
4.嵌入式Linux操作系统内核的移植；
5.嵌入式Linux操作系统根文件系统的创建；
6.电路板上外设Linux驱动程序的编写。
由于嵌入式实时应用系统的软件开发受到时间、空间开销的限制。常常需要在专门的开发平台上进行软件的交叉开发，其交叉开发环境如图1所示。
图1.嵌入式系统开发环境
开发平台称为宿主机，应用系统称作目标机，宿主机可以是与目标机相同或不相同的机型。这种不同机型的开发平台又称作交叉式开发系统。显然，在这种独立的实时软件开发系统上，应配备完整的实时软件开发的工具：如高级语言、在线调试器和在线仿真器等。
四、嵌入式系统硬件设计
本文嵌入式系统硬件核心采用32位高性能ARM9处理器，外扩存储器、USB接口、网口、液晶屏、按键等组成。系统整体架构如图2所示：
图2.系统硬件整体架构
核心模块（图2虚线框内）选用CPU为AT91SAM9261，它是一款以ARM926EJ-S处理器为核心的超低功耗微控制器。该型号专为功耗低、数据吞吐量大的无线手持式应用市场而开发的，其待机电流仅为2.5μA；工作频率500Hz时，电流消耗则为400μA。在工业级温度范围内，处理器性能达到200MIPS时，即使所有外设开启，其工作电流也仅仅是65mA。
（一）AT91SAM9261的主要特性
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1电子系统的智能化与集群化
我们从电子系统的时代变革中，可以明显看出电子系统的智能化、集群化趋势。传统电子系统，是孤立的泛性产品系统（没有归一化内核）；智能电子系统，是归一化微控制器内核基础上智能产品系统，并从单个产品走向集群（分布式集群、总线集群、局域网集群）；物联网电子时代的嵌入式系统，是普遍具有互联网接入功能的智能电子系统，有紧耦合与松耦合接入两种状态。松耦合的智能电子系统是一个独立的产品系统，通常在网下使用，需要时接入，如手机、桌面电脑、智能家电等；紧耦合的智能电子系统与互联网构成一个物联网应用系统，如市政交通管理系统、小区物业安全管理的实时监视电子系统。目前，传统电子系统基本被淘汰，智能电子系统与物联网电子系统会长期并存。与3个电子时代相对应的开发环境变迁，是产品开发的平台化与可靠性设计内容的变迁。传统电子时代是电子工程师单打独斗的时代，电子产品的功能性设计、低功耗设计、可靠性设计完全依靠电子工程师的聪明才智，由电子工程师独立完成。智能电子时代，产品硬件体系设计是电子工程师在微控制器、大规模集成电路的功能模块基础上的配置设计；产品的软件体系设计是集成开发环境、操作系统、计算机工程方法基础上的应用程序设计。微控制器、集成电路、集成开发环境、操作系统、计算机工程方法等，构成了形形的知识平台。这些平台不只是简单的知识集成，而是具有人工智能、可以代替人类个体脑力劳动的知识力量平台。例如，原先设计一个数据采集系统时，电子工程师必须了解模拟信号到数字信号的转换设计的知识与技术，如今，有了A／D转换芯片，便可省去电子工程师的这部分脑力劳动。又如，没有实时多任务操作系统时，电子工程师设计嵌入式程序时，必须认真考虑多任务系统程序的实时协调与管理，有了实时多任务操作系统，所有这些任务的协调与管理都由操作系统依靠协议自动实现。因此，智能电子时代的电子产品系统设计，进入到人工智能的平台化开发时代。与智力替代的平台开发模式相对应的是可靠性设计内容的变迁。传统电子系统的可靠性完全依靠电子工程师的精心设计。智能电子时代，电子系统的可靠性、安全性设计进入到智能化、平台化的设计时代，从而使智能电子系统的可靠性、安全性设计到达最高境界。物联网电子时代，智能电子系统对互联网开放，导致互联网中各种不安全因素对智能电子系统的入侵。因此，物联网电子系统安全性、可靠性设计的一个重要方法是对入侵窗口的管理设计。
2物联网系统的安全性架构
物联网安全体现在一个个具体的物联网系统中，进行物联网安全性设计时，应充分了解物联网系统的安全性架构。
（1）物联网与物联网系统
通常，人们用应用层、网络层、感知层来概括物联网。应用层描述了物联网应用中形形的物联网应用系统，人们通常论及的物联网都是一个个具体的物联网系统。早期，人们用应用层、网络层、感知层来描述物联网，缺失了控制层，在许多物联网系统中，控制层是必不可少的内容，我们可以用网络层、感知层与控制层来构建物联网系统模型。
（2）物联网系统模型
图1是一个由互联网与嵌入式集群系统构成的物联网系统最简模型。嵌入式集群系统通常都是一个嵌入式系统的局域网，互联网直接服务于物联网的网络层与管理层，每个局域网中的嵌入式应用系统都有可能直接与互联网相连。感知层、控制层由嵌入式系统构成，嵌入式局域网将它们联接起来，形成嵌入式集群系统。当这个嵌入式集群系统与互联网相连后，便构成一个具体的物联网系统。通常，嵌入式集群系统是一个安全、可靠的嵌入式系统局域网。接入互联网时，会出现新的可靠性、安全性问题，即互联网恶意入侵产生的安全性问题。在物联网系统模型中，它体现为一个非安全的入侵界面。
（3）物联网系统的安全性架构
从图1的模型可以看出，物联网系统是本质可靠的嵌入式系统与本质非可靠的互联网构成的交互系统。嵌入式系统与互联网可以有多个渠道交互（因为嵌入式系统都有独立的互联网接入功能），这些交互渠道都可能会带来可靠性、安全性问题。在嵌入式系统的高可靠性基础上，物联网系统安全性设计的重点是入侵界面的管控与感知层、控制层的安全防护设计。
3物联网系统的安全性设计原则
物联网应用系统中，许多安全性问题最终都会反映在嵌入式系统的感知层与控制层上。嵌入式系统的安全性问题是由互联网的安全性因素引起的。因此，最大限度地减少互联网对嵌入式系统的入侵渠道，是物联网应用系统安全性设计的重要原则。物联网应用系统的安全性设计模型如图2所示。物联网系统的安全性设计目标，是要建立一个归一化的安全性管理界面。所有交互行为都通过归一化界面进行管理，可以大大减少互联网的入侵渠道，有利于减少安全漏洞与实现系统安全性的集中管理，防止出现安全患。实现界面安全的防入侵管理是入口的验证环节设计。密码验证是最常使用的一种方法，还有数符密码与生物特征密码（指纹、掌纹、人脸、虹膜等）。除此以外，在交互中实时使用的校验码也是行之有效的方法。感知层、控制层的安全防护设计也是物联网系统安全设计的重要一环。感知层能迅速感知系统的应急状态，并即时启动系统的应急处理（关闭并进入安全状态）。2016年3．15晚会，恰逢谷歌“AlphaGo”掀起的人工智能热潮，央视在会上演示了让人惊心动魄的智能电子系统的安全漏洞。画面上演示了不法分子通过手中的设备侵入无人机系统，接管了无人机，而无人机机主无能为力；一位黑客在一户人家的外面成功入侵该住宅的Wi－Fi，并控制了该家庭的所有智能设备，包括智能洗衣机、烤箱和智能摄像头，可以让滚筒洗衣机空转、让烤箱的温度飙升到危险数值甚至引发火灾，让智能摄像头随意转动拍摄，偷窥用户的室内活动和隐私等。这些都是物联网时代嵌入式系统的安全隐患。嵌入式系统本身是安全可靠的，因为它是一个是封闭型的本质安全系统。多年来，家庭中的洗衣机、电冰箱、烤箱、微波炉、电视机等智能设备从来没有出现过上述的安全事故。只有嵌入式应用系统开放后，才会出现安全漏洞。上述安全事故是在智能设备接入Wi－Fi网络或互联网后，形成的非安全的入侵渠道所致。物联网系统中智能硬件的安全漏洞在于对互联网的开放，这个安全漏洞是可控的。只要减少互联网接入的通道数量，在这些接入通道中设立可靠的校验、准入管理环节，就能保证系统安全。
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1嵌入式系统
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，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机应用系统。一般嵌入式系统是非PC系统，主要由嵌入式微处理器、硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等4个部分组成，用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能。
2相关理论知识
2.1移动计算
移动计算是一种新型技术，使得计算机或其它信息设备，在没有与固定的物理连接设备相连的情况下，能够传输数据，并且能够及时准确地与中央信息系统相交互，分担中央信息系统的计算压力，在用户需要的任何时刻都可以得到相应的信息，比传统的计算环境更为复杂和灵活。它既可以通过无线网络、智能计算设备可以随时进入主网络；也可以在不同地点，将调制解调器和附近的电话相连接，通过电话网进入主网络；移动用户还在不同场地使用静态计算机获得相应的服务等。因此，根据移动计算所具有的特性，在嵌入式系统设计中移动计算是必不可少的。
2.2嵌入式移动数据库
由于嵌入式系统本身具有的特点，利用传统的数据库技术已不能满足当前系统的需求，因而，嵌入式数据库技术这一名词便应运而生。该技术的核心是移动计算，主要强调其移动性，传统的PC机要在苛刻的环境下做到良好的移动是很困难的。为了很好地满足对移动客户端计算的要求，便将嵌入式数据库技术应用到数据库的研究与开参考文献：
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作者简介：季玉香(1981—)，女，河北保定人，助教。研究方向：计算机应用技术
随着信息技术的不断发展，计算机系统硬件和软件都得到相应的发展和提升，嵌入式系统的硬件规模和性能得到极大的提升，嵌入式系统软件的开发和应用具有一定的复杂性和规模性，正是由于其运行环境的特殊性，对其系统的应用和开发的精度要求非常高。只有稳定、可靠的系统，才能保证在嵌入时，不会影响原始系统运行。开发和研究嵌入式自动测试系统，成为当前相关产业发展的重要课题。软件质量对整个产品的质量起到决定性的作用，继续我们进一步提升嵌入式领域的自动测试技术水平，以保证产品检测质量，并提升软件的可靠性，缩短整个系统的开发周期。
1传统软件设计中存在的问题
目前该单位采用传统的单片机系统进行自动测试和控制操作，其运算能力低下，主要采用传统的现场数据处理技术。随着现代作业的不断变化，已经无法满足其需求。其主要存在问题包括：
1.1开发平台不同数据类型结构不统一
网络程序具有多样性，开发的平台也是多种多样的，包括Windows、Linux等，两者的平台不同就会导致处理器存在很大的差异，数据库的选择上也会有所不同，这种平台的差异，数据库安装的差异都会导致类型和结构的不统一，比如说Windows可以直接对一个网络程序进行访问，但是Linux需要安装所访问程序的相关软件；其次处理器的不同使字的长度存在一定的差异，由于不同的处理器所支持的体系结构不同，从而导致子长不同，形成结构的差异性。这种差异产生的最主要原因是因为控制台和测试台在开发的过程中选择了不同的开发环境，使用了不通的编程语言，环境和语言的差异最终导致了数据类型结构的不同。
1.2数据库备份及恢复不及时
首先要解决数据源的配制问题，数据源是数据库信息的主要来源，而自动测试系统的备份和恢复是通过控制台进行，所以控制台要合理的配制这些数据源，通过特定的网络程序实现数据源的有效配置但，但是很多的控制系统都没有及时的对这些数据源进行配制，实践的延误在一定程度上影响了数据的备份，有些控制系统在进行数据源配制时没要根据规定的程序和方法，导致数据源配制不合理；由于数据库的储存量较大，储存的信息较多，一直到测试结束再对数据库进行配制很有可能丢失部分数据，尤其是在测试项目较多的时候，没有在每一个项目测试结束后进行配置很有可能导致项目数据的遗漏，从而影响数据库的备份和数据库的恢复。以上问题都是数据库备不及时，没有定期定时备份所导致的。
1.3测试报告的设计和生成
测试报告是对测试过程的概述，测试结果的说明和分析，为了真实的反映测试的情况，我们在对测试报告进行设计时要充分的考虑这些问题，包括测试的方法，测试的问题，测试的结果以及最后的分析都要在测试报告中体现。但是目前很多自动测试系统的测试报告都不够全面，往往只关注了测试的结果，没有反映测试的问题，也没有对这些问题进行分析；其次测试报告的种类较多，目前应用最广泛的文字报告大多基于一定的网络平台，比如说WORD、EXCEL等，这些网络模板的应用虽然有利于测试报告的生成，但是带来的问题也是不容小觑的，尤其是测试的项目和模块存在很大的差异，但是在生成报告的时候并没有考虑这些差异，更多的采用同一种方法进行报告设计和生成。这些报告设计和生成问题都严重的影响了测试效果的反映状况，对发现问题和解决问题产生了很大障碍。
2系统升级与优化设计
该单位为了实现对对象的静态几何参数的测试，采用监测系统，使用现代便携式轨道检测仪器，极大地降低了工作人员的工作量。其系统设计的优化方案如下：在SoC的设计理念上融合ARM系列的微处理技术，应该嵌入式系统更好的升级系统。ARM核以高性能、低能耗的特点，在系统中配制IC制造厂生产的大量片上外设，进一步提升ARM系列处理器拥有良好的嵌入式功能。系统设计采用ARM7TDMI核处理器S3C44BO，完成自动测试。其主要的核心构成系统包括通信核数据两个模块，具体分析如下：
2.1软件网络通信设计
通信是网络设计的重要组成部分，在整个嵌入式模块自动测试系统中占有非常重要的地位，这种通信功能主要是通过一种网络编程的接口和网络中不同的应用程序进行通信，然而这中网络编程的接口具有一定的特殊性，需要依靠TCP/IP的数据进行套接字的连接，所谓的套接字也就是两个程序进行通讯连接的一个端点，要想保证网络通信的正常，我们就需要确保套接字的功能。这种软件网络通信的设计使各网络程序很好的交流，形成一个良好的资源共享平台，不仅有利于对这些网络程序进行统一的控制，形成一个良好的控制系统，还对嵌入式模块测试系统有着进一步的改进和完善，使其更好的发挥测试作用[1-2]。由于网络通信具有及时性和全面型的特点，自动测试系统需要通过这样的软件网络通信来更好的接收和传输信息，自动测试系统软件网络通信的设计和开发是一项复杂的工程，由于自动测试系统不能直接的进行通信，需要依靠数据包来达到通讯的需求，这也就给网络通信设计提出了更高的要求。我们在进行实际的设计和开发的时候要留有一定空间的缓冲区，为通讯的全面性和稳定性提供一定的保障；其次在设计的时候要遵循通信的原则和协议，比如说TCP/IP的协议就是我们在开发时必须遵守的，要坚持这些原则的条件下进行设计和开发，使各网络程序的功能和性能能够有效发挥，推动嵌入式模块自动测试系统的进一步发展。
2.2数据库设计
数据库是自动测试系统实现控制和管理职能的主要场所和依据，通过网络通信，自动测试系统对各网络程序形成了一个整体控制，整体控制的来源就是这些数据库的信息，通过数据库反应的网络信息可以清楚的了解网络程序出现问题的环节和地方，为解决这些问题提供一定的参考[4]。其次数据的管理和储存也是要依靠数据库来进行的，要想保证数据库信息的准确性和全面性，自动测试控制系统需要对数据库直接的操作，比如说我们经常用到的ADO、DAO等，这些就是直接操作数据库的方式，由于开发的平台存在很大的差异，那么我们在进行操纵的时候就要根据不同的平台选择不同的方法。自动测试所设计的项目包含方方面面的内容，如果所有的项目测试的数据都集中在一张数据表上，不仅会给数据分析和查找带了麻烦，还会影响整个自动测试系统的功能，这也就要求我们在对数据库进行设计时要重点考虑这一问题，尽可能的把每一个项目的数据用独立的数据表来记录，是表格反映的信息清楚明了；由于嵌入模式不是单一不变的，针对不同的自动测试系统有不同的类型选择，如果每一种类型的嵌入模式都记录在同一张表格上，不能很好的将各类型的模式进行分类，不仅降低了工作效率，还影响了自动测试的效果，为了避免这一情况的出现，在对数据库进行设计时要给不同类型的嵌入模式用不同的表格记录，更全面的反映信息；同时还要对测试的时间、测试的项目、测试的模式以及测试的人员进行总体记录，在出现问题是能够及时的发现问题出现的原因，并且快速的采取解决措施。
3系统嵌入式自动测试优化体会与效果
通过本次实验研究，笔者总结提出，要保证嵌入式系统自动测试的质量核效率，应该在结构设计时，注意从以下几个方面考虑：
3.1改善结构的统一性
造成结构不统一最主要的原因是因为控制台和测试台不同环境和编程语言的选择，为了解决这一问题，我们就要更好的发挥网络通信功能，双方在制定通信协议时要根据数据包的数据形式和储存方式进行有效的沟通，减小数据库之间的差异，改善结构的统一性。
3.2及时的备份和恢复数据库
数据库的备份是为了更好的储存信息，一旦数据受到损坏，就可以利用备份将损坏的数据恢复，但是数据库的备份和恢复都有一定的条件限制，需要在特定的环境下进行，为了更好的保证数据库的备份和恢复功能，我们应该对备份和恢复的策略进行更加深入的研究。比如说在测试大型项目或者多个项目时，要在每一个环节结束后都进行备份，不能再全部结束后备份，从而保证数据库信息的全面性，在数据库受到损害时也能够全面的恢复[10-11]。
3.3严格控制测试报告的设计和生成
上述中提高设计报告存在不全面问题，这也就要求我们在设计测试报告时包含的内容要全面，包括测试时间、地点、人员，测试方法、步骤、问题以及结果分析，不能只有结果的显示而没有过程的探讨；其次要根据测试模块的不同和项目的不同生成不同的测试报告，利用现代化的网络技术，合理的选择报告的平台和生成方式，更好的反映测试效果。通过本次系统的优化设计，该系统能顺利完成控制和运算操作，具有12位高性能AD转换器的MAX197设备，能顺利完成传感器信号的转换，并成功将数据保存到数据库中。系统整体运行效率由原来的65%，提升到现在的89%，取得非常理想的实践效果。
4结束语
综上所述，随着嵌入式系统软件开发实践的不断深入，嵌入式在实践中的应用也越来越广泛。而随着产业生产实践活动的逐渐复杂和多样化，我们迫切需要一种测试系统软件的开发和应用，能在软件开发的单元阶段、集成阶段以及系统阶段等对嵌入式系统软件进行实时的在线跟踪式测试与分析，从而全面提高整体系统运行的可靠性。这样才能保证质量和效率。本文主要针对一种嵌入式自动测试系统软件的构成、模块框架以及实践应用等多方面问题进行分析，证明嵌入式模块自动化测试系统软件的开发和应用，具有重要的现实价值和意义，值得我们深入探讨。
参考文献：
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