简析单片机嵌入式程序的开发及构成

Ｉ＿））》一皇　燕　…………………………一　筒析单片机嵌入式程序的开发及构成　广东海洋大学寸金学院叶伟慧　【摘要】本文首先分析了单片机嵌入式程序开发中有关实时操作系统的设计，然后阐述了单片机嵌入式软件编码的实现　过程和设计思路，并进一步剖析了系统的引导装入设计，最后介绍了此程序中的低功耗设计以及干扰技术。　【关键词】单片机；嵌入式程序；实时操作系统　嵌入式程序是指在计算机技术　式程序的实时操作系统的开发有了　的基础上，以应用为核心，硬件软　可实现性。　件可剪裁，满足应用程序对成本、　嵌入式操作系统主管任务的控　可靠性、功能、功耗和体积的严格　制、调度、任务间的同步与通信、　标准的一套专用计算机程序。这也　存储和资源管理，在嵌入式应用系　是一套将现代电子技术、半导体技　统中起灵魂性中心作用。对比其他　术、计算机技术等各行业的具体应　的操作系统它不仅没有图形用户接　用统一整合而产生的资金和技术密　口和ｓｈｅ］１，甚至其他某些功能也不　集型产物。　具备，而只有一个微内核。同时鉴　一、单片机和嵌入式操作系　于嵌入性和专用性，应用程序与操　统的定义　作系统紧密联系而共同运行在同一　单片机是嵌入式系统程序的主　个空间内，两者几乎无法有明确的　控单元。其大部分软件都是针对某　分类，甚而能将操作系统视为应用　种应用来专门设计的，且往往只是　程序的组成部分。但因嵌入式系统　其中一个微观实时操作系统，系统　其较小的内存容量，往往使用其实　程序拥有实时信息处理或实时过程　际物理地址，所以存储管理的模块　控制能力，同时要求能对外部发生的　也十分简单。如此一来将大大减小　即时事件作出响应并能快速解决。　内核体积，使之成为名副其实的微　实时嵌入式程序的操作系统则　内核。　是针对应用系统的需求提出的。通　二、单片机嵌入式程序的软　常所说的单片机即是微控制器，是　件编码　一个将那些程序端口、数据存储器　嵌入式系统的软件开发过程，　及相关系统等计算机需要的外设集　也是经历了分析需求、设计功能、　成在一张芯片上的单片集成系统。　设计结构、具体设计、实现编码和　单片机系统在硬件上无法和以分时　集成测试的过程，但有一点与普通　操作系统为核心的计算机系统相比　的台式机软件开发相区别，嵌入式　拟。但在软件设计上，单片机系统　软件的开发与制作几乎都属于跨平　的具体应用以及使用环境却相对单　台开发，同时多数的代码要对硬件　一而固定，这一点使得单片机嵌入　设备进行直接控制，因此其对硬件　一２８一ｌ警￣－ｔｄｌ＃Ｈ／２０１２　０３／　有很强的依赖性，对时序也有十分　苛刻的要求，甚至其运行状态在多　数情况之下都具备不可再现性。　嵌入式系统的应用软件设计中　的亮点是拥有可使用的工具包，同　时，工具包也因不同设计阶段的需　求差异而内容不同。例如在软件设　计的早期，首先使用内部电路模拟　器，将其插入微处理器与总线间的　电路时，设计者能够通过它来控制　全部输入输出和微处理器的动作。　但又容易因为模拟器是异体而引发　不稳定情况。但设计者能够清楚地　对系统底层上所有的活动进行观　察，从而无需仅靠经验来对底层的　软硬件进行猜测。　如今，嵌入式操作系统已日趋　成熟，各类开发板功能和集成开发　环境也将逐步得到优化升级，因此　嵌入式应用系统的应用软件开发也　较以往简单得多。同时，各类集成　开发环境也集成代码编辑器、连接　器、编译器、模拟器、调试器等　等，这使设计者能够在摆脱了目标　硬件环境之后迅速开发出相应应用　软件的原型。而硬件开发板也为设　计者提供了即使处于与目标硬件不　相兼容的环境下也能调试相关应用　程序的能力。　

…………………………一皇　踅　《　Ｊ　一般说来，大多数厂家在生产　一致的引脚来分配。　是由静态和动态的功耗总量组成。　开发板时都驻留了与微机通信的相　２、引导装入允许。系统为了能　动态功耗不单只受负载的影响，在　　应控制程序，这可以使主机和开发　在复位或者其余条件中均能顺利完　电路内部，实质上也与工作频率、板能够通过以太网口或串口来通　成在系统中的编程任务，通常会先　输出电平、集成度及电源电压等联　　信，同时主机中的应用软件和系统　将一个引脚作为输入信号，然后通知　系密切；其次，当电压值范围大时，软件的原型可执行映像也能直接被　系统开始下载并向引导装入传输允许　ＣＭＯＳ电路正常工作需要３—１８Ｖ的供　下载入开发板。代码会在主调试中　信号。最后将读取当作是引导装入信　电值，逻辑电平又紧密联系着供电　主开发板的硬件上执行，此时的用　号的１／０７Ｉ脚，让主机或者其它硬件　电压Ｖｄｄ。当所输出的逻辑电平摆幅　户界面可以等同于微机室内集成开　发环境。这一切让设计者能更多关　心如何更好地实现软件功能。　三、单片机嵌入式系统程序　的引导装入设计　（一）工作过程。引导装入程序　具体的工作过程：当嵌入式设备的单　片机系统主复位或收到命令时，主系　统的引导装入程序在接受到相当于　“允许引导装入”的信号之后，立　刻把单片机配置成为接受代码的状　态，此时的信号便会从指定的主机　上下载相对应的程序代码，并把代　码数据传输至单片机的ＦＬＡＳＨ储存器　内，将单片机的内部程序中的储存　器主系统进行重新编程。当引导装　入程序主下载成功之后便自动转入　执行新系统程序的操作中。　（二）硬件设计。在主机同单　片机的通信外设之间成功建立连接　后，便使单片机开始设计引导装入　程序。　１、引脚分配。数字交叉开关被　单片机用来为数字外设配置作为外　设接口处的端口引脚。一般来说，　交叉开关可以是数字外设任意的组　合，但必须满足软件可以更改器件中　的引脚分配问题。为了便于分配，引　导装入程序一般会使用和最终应用　可以通知单片机启动装入过程。　越大，高逻辑的电平就越与电源电　（三）软件设计。当接收到允许　压相接近，低逻辑的电平则越与０Ｖ　命令后，系统中的引导装入程序应　相接近。　当让单片机做好接收数据的准备。　（一）硬件的设计　第一步，系统中的引导装入程序需　通过以上总结，可以分析出设　要配置有用的通信外设。第二步，　计低功耗系统的原则：重点控制动　引导装入程序要擦除用来下载的系　态功耗、时钟频率以及电源电压。　统存储器，并同意对其写入。为了　归纳起来即是三相宜原则：时钟宜　将通信链路建立起来，引导装入程　慢不宜快、器件（系统）宜静不宜　序将利用自动波特率来检测明确位　动、电压宜低不宜高。　速率。第三步，主机与ＭＣＵ器件均使　（二）软件的设计　用预定好的波特率，当器件做好接　１、用中断替代查询。虽然在　收数据的准备后，主机便能收到通　程序中无论是查询方式还是中断方　知，随之主机发送出数据，并将在　式均能应对那些较为简单的应用，　有关数据中附上与下载内容相关的　但却在低功耗特性的结果上相差甚　信息。　远。使用查询方式的ＣＰＵ会因需要对　四、单片机嵌入式系统程序　１／ｏ寄存器不断地进行访问而损失额　的低功耗设计　外的功耗。而如果是使用中断方式　通常以单片机为主要程序的嵌　的ＣＰＵ，则不需要做任何事，甚至可　入式系统会有很多使用环境处于供　以直接转入等待或停止模式。　电困难的状态，例如空中、井下或　２、用定时器定时代替延时子程　者野外。此时还需要电池为小型便　序定时。系统中的延时子程序定时　携式仪表仪器提供电源。所以，很　是通过ＣＰＵ不间断地进行毫无实际意　有必要为嵌入式系统设计低功耗使　义的空操作指令，并结合减一非零　用。从实质上来说，ＣＭＯＳ器件使得　的转移指令来实现的。这样的结果　低功耗嵌入式系统比普通系统功耗　却是，因为加大了ＣＰＵ的工作量而浪　更低。因此，我们先来分析ＣＭＯＳ器　费了功耗。所以要克服这个问题，　件的数字集成电路特点：首先，低　就必须用定时器来结合中断。　功耗ＣＭＯＳ电路在工作时的所有功耗　３、间歇运行１／ｏ模块。即通过　／２０１２．０３／电子世界　一２９—　

Ｉ　一皇子捷　…………………………．　关掉间歇性工作的１／ｏ模块或不工　进入系统的干扰主要有三种形式：　作的１／ｏ模块来降低功耗。例如，　的“跑区”程序引到处理错误程　空间干扰、过程通道干扰以及供电　序的入口地址ＥＲＲ或复位入口地址　ＲＳ２３２的驱动只需要用单机片中的一　系统干扰。单片机系统被干扰之后　Ｏ０００Ｈ，并利用ＬＪＭＰ：￣＇令让程序恢复　个１／０４　Ｉ脚去控制，当不需要通信工　会出现例如控制操作故障，采集数　正轨运行。　作时则关掉驱动。将其余不使用的　据时的误差相对增大等系统状态失　１／ｏ４Ｉ脚设置为输入或输出，并通过　灵的现象。因此，需要对硬件和软　上拉电阻来拉高。如果不初始化引　件同时着手来应对干扰。　六、结束语　嵌入式应用系统的核心是单片　机嵌入式操作系统以及嵌入式软件　的设计技术。两者更是嵌入式系统　脚，将可能增加单机片操作时的漏　（一）硬件的抗干扰措施　电流。　４、工作时序的合理安排。空闲　或者掉电的工作方式能让ＣＰＵ遇到　不执行程序的情况后能自动停止工　作，如此，就毋须不停地按照空操　作指令执行或一直处于等待状态，　进而达到了降低功耗的目的。因为　系统的功耗会因为ＣＰＵ的长时间运行　而浪费极大，所以要尽量减少ＣＰＵ的　运作时间，使单片机系统处于长时　间的空闲状态或者掉电状态，这样　才是在设计软件中使得系统功耗降　至更低的不二法门。系统上电将在　初始化操作完成后，立即转入低功　耗状态，只有在接收到发出的中断　信息后，才会将单片机唤醒而继续　工作。同时它将以最快的速度处理　完数据或信息，然后立即恢复低功　耗状态，直到下一个中断。　５．更改实现复杂运算的方式。　诸如浮点乘除、指数运算之类的复　杂运算会因占用很多系统的时序而　减少相应休眠的时间。所以，需要　用查表方式，即利用大容量表格去　替代现场计算，从而节省了单片机　的启动时间。　五、单片机嵌入式程序系统　的抗干扰技术　在工业环境中，以脉冲的形式　一３０一＿粤．７．－ｏｒｂ／２０１２　０３／　１、电源干扰控制。采用双隔离　技术研究的热点，因此在信息家电　方式改进电源变压器，将压敏电阻　手持设备等领域将会有越来越广泛　并联于电源的初次级中，来抑制浪　的应用。虽然Ｅｌ前有关单片机嵌入　涌、尖峰型的电压。同时利用低道　式系统的研发仍处于起步阶段，但　滤波器来过滤掉干扰所携带的高次　随着研发的不断深入，将对嵌入式　谐波，以改善电源的波形。　软件设计的应用与发展有重要的实　２、隔离技术。用光电耦合器切　践和借鉴意义。　断单片机与前后向以及其余控制器　的电路联系。也可用隔离变压器切　参考文献　ｆ１］胡新．基于单片机的嵌入式系统研究与　断环境，进行电磁隔离。　开发Ｕ］．科技资讯，２００８（０９）．　３、屏蔽技术。用金属箱体套于　［２］董艺．基于单片机的嵌入式系统的低功　单片机嵌入式系统外部，金属便会　耗设计问题Ｕ］．海南大学学报（自然科学　将外部干扰电磁削弱或消除。　版），２００９（０４）．　［３郝树虹，３］盛春玲，李秋菊，胡滨．单片机嵌　４、去耦技术。在所有集成电路　入式系统的抗干扰技术们．中国新技术新　电源与地之间均安装去耦电容。既　产品，２０１０（０５）．　能蓄储所在集成电路上的电容，提　作者简介：叶伟慧（１９７５一），女，　供并吸收从该电路中由开关门瞬间　广东湛江人，广东海洋大学寸金学院讲　发出的充放电能量，又能将高频噪　师，主要从事计算机科学与技术、电气　声旁路掉。　工程及其自动化的教学、科研工作，研　究方向：软件工程。　（二）软件的抗干扰措施　１、指令冗余技术。ＮＯＰ指令的　使用及重要指令冗余是两种常用的　技术。在双字节和三字节指令中加　入两个单字节的ＮＯＰ指令，可以避免　因程序“跑飞”到操作数上而造成　的指令操作错误，从而保证了程序　的正轨运行。　２、软件陷阱技术。将一些拦　截程序设置在非程序区内，将失控