尚曉平

【摘要】 隨著科技的發(fā)展和進步，在很多領(lǐng)域已經(jīng)開始使用嵌入式系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)軟件在使用過程中存在的一些問題也逐漸凸顯。系統(tǒng)軟件出現(xiàn)錯誤后會造成巨大損失。本文在分析該系統(tǒng)軟件特點的基礎(chǔ)上進一步探討了軟件實現(xiàn)過程中常見的問題，并提出了相應(yīng)解決措施。

【關(guān)鍵詞】 嵌入式系統(tǒng) 軟件實現(xiàn) 常見問題 解決方法

計算機技術(shù)和軟件開發(fā)技術(shù)是當今社會科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展和進步的產(chǎn)物，其中，嵌入式系統(tǒng)軟件在國防、通信、電子信息和互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。據(jù)有關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，當前世界范圍內(nèi)嵌入式設(shè)備運行總量呈快速增長的趨勢，并且已經(jīng)突破30億臺?？梢娖鋵ι鐣l(fā)展影響越來越大，因此，有必要對該系統(tǒng)軟件實現(xiàn)中常見問題進行分析，并探討相應(yīng)解決措施。

一、嵌入式系統(tǒng)概述

1.1嵌入式系統(tǒng)的概念

嵌入式計算機系統(tǒng)，簡稱嵌入式系統(tǒng)，是一種基于計算機技術(shù)并以應(yīng)用為中心，同時具有多種功能的計算機系統(tǒng)。這種專用的計算機系統(tǒng)對功能、可靠性、成本和體積等要求嚴格，表現(xiàn)在其硬件和軟件必須支持裁剪功能等。具體來說，它是集各種先進技術(shù)，如通信技術(shù)、計算技術(shù)、語音圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和微電子技術(shù)等于一體的綜合產(chǎn)物，具有十分強大的功能和作用。

1.2嵌入式系統(tǒng)的特征

同普通計算機系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)表現(xiàn)出的特征有所不同，具體如下：①嵌入式系統(tǒng)是各種先進技術(shù)的集成，包括先進的電子技術(shù)、半導(dǎo)體工藝、計算機技術(shù)等，系統(tǒng)的實現(xiàn)需要投入密集的技術(shù)和資金，并且高度分散。②嵌入式系統(tǒng)以較低的成本和能耗、較小的體積以及高實時性和高集成度，可以實現(xiàn)在芯片內(nèi)部有機地集成由板卡完成的任務(wù)。③嵌入式系統(tǒng)可有機結(jié)合具體應(yīng)用，同步更新具體產(chǎn)品可實現(xiàn)對該系統(tǒng)的升級。所以該系統(tǒng)產(chǎn)品在市場中一般具有較長的生命周期。④嵌入系統(tǒng)中的軟件一般在處理器內(nèi)部存儲器件或存儲器芯片中固定，而不會在外部載體中進行存儲，這樣就可有效提高執(zhí)行速度的同時，增強系統(tǒng)的可靠性。

二、嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計過程分析與常用方法

2.1嵌入式系統(tǒng)設(shè)計過程

一般情況下，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計過程可按圖1所示的步驟實現(xiàn)。

具體來講，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容為：①產(chǎn)品定義。明確定義需要完成的任務(wù)，就需要對分析和細化應(yīng)用的實際需求，同時列出表格，顯示出需要完成的各種功能。②劃分硬件和軟件。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計要從兩方面入手，一是硬件，二是軟件。設(shè)計人員在設(shè)計之前，需要重點考慮硬件和軟件各自需要完成的功能，確定后再行實施。③迭代實現(xiàn)。在完成硬件和軟件的劃分后，就開始延續(xù)至迭代實現(xiàn)階段。對硬件和軟件進行初步劃分后，相關(guān)設(shè)計小組就開始對硬件和軟件分別建模。隨著建模工作的深入，硬件和軟件劃分界限便可實現(xiàn)移動，從而實現(xiàn)對硬件和軟件更加合理的劃分。④詳盡的硬件和軟件設(shè)計。迭代實現(xiàn)階段完成后，系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分就得到了合理的劃分，在此基礎(chǔ)上就可分別實現(xiàn)該階段系統(tǒng)的硬件和軟件。⑤產(chǎn)品測試和發(fā)布階段。對產(chǎn)品進行必要的測試，讓系統(tǒng)性能達到最佳運行效果，同時保證嵌入式系統(tǒng)能夠達到成本目標。另外嚴格的測試產(chǎn)品性能，還可提高嵌入式系統(tǒng)可靠性要求。⑥系統(tǒng)維護及升級。產(chǎn)品發(fā)布之后，還需做好后續(xù)的維護和升級工作。因為產(chǎn)品在使用過程中可能會遇到各種各樣的問題，這些問題可能是設(shè)計階段考慮不周引發(fā)的，另外，用戶在使用過程中還可能提出更多的需求，這就需要對系統(tǒng)進行維護和升級，以解決這些在使用過程中出現(xiàn)的問題。

2.2嵌入式系統(tǒng)常用分析方法

嵌入式系統(tǒng)一般為實時系統(tǒng)，同系統(tǒng)資源關(guān)系密切，且對時間要求較高，系統(tǒng)時限響應(yīng)和并發(fā)處理較為困難，因此有必要對該系統(tǒng)分析和設(shè)計方法進行研究。嵌入式軟件設(shè)計常用方法有：流程圖、結(jié)構(gòu)圖、數(shù)學(xué)分析及語言描述、編程設(shè)計語言、數(shù)據(jù)流圖和有限狀態(tài)機等。各自的優(yōu)缺點比較如下表1所示。

三、嵌入式軟件實現(xiàn)常見問題及解決

衡量一個系統(tǒng)軟件的質(zhì)量標準是，看其是否具備穩(wěn)定性和可靠性，以及能否實現(xiàn)系統(tǒng)的功能需求。系統(tǒng)軟件如果出現(xiàn)錯誤，可能會造成系統(tǒng)功能喪失，甚至可能引發(fā)嚴重后果。比如對國家安全而言至關(guān)重要的國防系統(tǒng)軟件如果出錯，其控制的導(dǎo)彈系統(tǒng)出現(xiàn)紊亂，后果不堪設(shè)想。對于嵌入式軟件

表1

而言，其本身具有較強的專業(yè)性，需借助專業(yè)計算機設(shè)備實現(xiàn)軟件的特定設(shè)計，其設(shè)計難度可想而知，這在一定程度上制約了軟件開發(fā)進程，使得系統(tǒng)軟件難以及時投入應(yīng)用。下面針對嵌入式系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的常見問題進行分析。

3.1余量問題及解決

就硬件載體而言，嵌入式系統(tǒng)軟件運行速度與存儲余量必須在20%以上。該系統(tǒng)軟件一般采用中斷或周期運行方式， 因為其對實時性要求比較高，且這樣可保證在預(yù)留20%余量的前提下執(zhí)行完所有的實時任務(wù)，實現(xiàn)后臺處理與系統(tǒng)操作，進而確保該系統(tǒng)能安全可靠運行。如果所有實時任務(wù)無法在有效執(zhí)行周期內(nèi)完成，那么系統(tǒng)性能就會受到影響，甚至癱瘓。此外，系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器須占用一定空間，所以嵌入式系統(tǒng)必須預(yù)留不少于20%的余量。嵌入式系統(tǒng)軟件實現(xiàn)中，設(shè)計人員常常對余量的設(shè)計要求不夠重視，或者計算機精度達不到相關(guān)規(guī)范要求的標準，導(dǎo)致該系統(tǒng)隱患普遍存在。①存儲余量。程序存儲器余量比較容易統(tǒng)計和實現(xiàn)，即嵌入式軟件在連接匯編及編譯后，可分析內(nèi)存映射文件，獲取軟件對存儲器占用方法，進而采用代碼優(yōu)化方法滿足余量要求。目前無法直接使用靜態(tài)分析的方法對數(shù)據(jù)存儲余量情況進行統(tǒng)計，在這方面，多數(shù)設(shè)計人員僅統(tǒng)計出內(nèi)存映射文件的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，這樣所獲得的余量就不全面，即統(tǒng)計上出的文件只能反映全局變量的占用情況，難以反映動態(tài)時臨時變量對數(shù)據(jù)存儲器和函數(shù)調(diào)用過程軟堆棧占用情況，此時20%的數(shù)據(jù)存儲余量就難以得到保證。針對動態(tài)運行情況，基于對動態(tài)內(nèi)存申請及釋放的考慮，函數(shù)嵌套調(diào)用會增加數(shù)據(jù)存儲器使用及統(tǒng)計的復(fù)雜性，證實軟件數(shù)據(jù)存儲器余量與既定要求相符的方法是逆向方法，即嵌入式軟件位置申請占20%數(shù)據(jù)存儲空間的全局數(shù)組，之后進行軟件的仿真運行。如果系統(tǒng)運行無異常，加上運行過程數(shù)組存儲內(nèi)容未被更改，那么數(shù)據(jù)存區(qū)儲余量就能滿足既定要求。②運行速度余量。程序的最大執(zhí)行路徑往往難以通過實施任務(wù)執(zhí)行周期監(jiān)實現(xiàn)，因此根本難以確定系統(tǒng)軟件分支組合狀態(tài)，這樣就很難確定程序動態(tài)運行時間。出現(xiàn)這種情況時，可采用逆向方法證實軟件運行速度余量狀況，即對軟件運行起始位置做延時處理，運行周期時間控制在20%左右為宜，之后進行程序的仿真運行，系統(tǒng)工作不出現(xiàn)異常時，則證明系統(tǒng)運行速度滿足余量運行要求。系統(tǒng)在運行過程中可能會出現(xiàn)某些編譯器延時函數(shù)容易中斷及周期計數(shù)的現(xiàn)象，這樣就會造成統(tǒng)計的錯誤。解決辦法是禁止采用編譯器自帶延時函數(shù)，此時的延時函數(shù)實現(xiàn)最好采用循環(huán)空操作方法。影響運行速度余量的因素相對較多，比如軟件的功能實現(xiàn)、計算方式以及時序調(diào)度等，其中影響力較大的是軟件的時序調(diào)度。此外實時系統(tǒng)規(guī)定的全部任務(wù)都應(yīng)做到按時完成，因此必須控制好單位時間內(nèi)的任務(wù)量，此時為確保算法和余量符合要求，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)算法優(yōu)先級別和功能的重要性合理安排不同任務(wù)的執(zhí)行速率。

3.2中斷問題及解決

嵌入式系統(tǒng)軟件一般是通過中斷技術(shù)控制來響應(yīng)外部事件，同時在中斷服務(wù)程序運行中實現(xiàn)響應(yīng)的處理功能。從本質(zhì)上來講，嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動事件首先應(yīng)有中斷服提供運行環(huán)境，通過該服務(wù)程序調(diào)度相關(guān)功能的模塊，以實現(xiàn)系統(tǒng)的不同功能。另外，嵌入式系統(tǒng)還可通過中斷控制實現(xiàn)更加靈活和方面的應(yīng)用。但是嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計實現(xiàn)中，也會在不知覺中留下隱患，在這一過程中，中斷的嵌套會增加軟件的結(jié)構(gòu)層次，加上軟件在設(shè)計時，中斷的恢復(fù)和保護都具有很高的要求，此時就需要充分考慮計算機的硬件特性，否則中斷系統(tǒng)中的變量問題極易發(fā)生。如果在嵌入式系統(tǒng)中存在多個中斷源，且存在與之對應(yīng)的中斷源，那么不同中斷服務(wù)程序之間的公用變量就成為需要特備注意的問題。中斷服務(wù)程序存在的公用變量比較容易受人們的忽視，加上中斷和中斷源之間聯(lián)系非常密切，所以這種錯誤就會造成較大的危害。如果想要徹底消除掉這類錯誤，可采用如下方法：在嵌入式系統(tǒng)軟件實現(xiàn)過程中，嚴格控制全局變量的使用，且變量不能公用于不同服務(wù)模塊，如果變量必須要在不同中斷服務(wù)模塊中公用，就需對該變量賦值。

四、結(jié)束語

嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計的獨特性主要通過系統(tǒng)的特殊性和專用性表現(xiàn)出來。嵌入式系統(tǒng)軟件在實現(xiàn)過程中會出現(xiàn)很多問題，可采用分析的方法解決，但問題出現(xiàn)頻率比較高，而且其成因也是多種多樣，這樣就會制約系統(tǒng)的正常開發(fā)與安全運行。因此就需要規(guī)范系統(tǒng)軟件的設(shè)計過程，盡可能減少設(shè)計過程中出現(xiàn)的各種錯誤。同時強化管理研制過程，尤其要注意那些易出錯的部位，以保證軟件的設(shè)計質(zhì)量。

參 考 文 獻

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