基于工程化流程的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法分析

吳文慶

摘? ?要：嵌入式系統(tǒng)在目前計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中逐漸得到了廣泛應(yīng)用，作為一種專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有專用性與實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)。在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中，采取工程化流程進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，更有利于高效完成嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工作。本文對(duì)嵌入式系統(tǒng)及其主要特征作出簡(jiǎn)單概述，而后分析了基于工程化流程的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法，為相關(guān)研究人員提供參考。

關(guān)鍵詞：工程化流程? 嵌入式? 系統(tǒng)開發(fā)

中圖分類號(hào)：TP311.52? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）06（c）-0114-02

Abstract： Embedded system has been widely used in the development of computer technology. As a special computer system， it has the characteristics of special and real-time. In the development process of embedded system， engineering process is adopted to develop the system， which is more conducive to the efficient completion of embedded system development. This paper gives a brief overview of embedded system and its main features， and then analyzes the development method of embedded system based on engineering process. To provide reference for related researchers.

Key Words： Engineering process; Embedded; System development

1? 嵌入式系統(tǒng)概述

1.1 嵌入式系統(tǒng)及其組成

根據(jù)目前對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類方法，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以分為通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兩類。嵌入式系統(tǒng)屬于一種專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，也就是嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)目的主要是為了完成某種特定功能，其主要特征可以概括為嵌入性、專用性和有CPU[1]。目前，嵌入式系統(tǒng)在包括家電、工業(yè)控制、通信和商業(yè)在內(nèi)的許多領(lǐng)域都得到了推廣和應(yīng)用，具備重要的應(yīng)用價(jià)值。嵌入式系統(tǒng)的組成部分可以分為硬件和軟件兩部分。硬件部分主要包括嵌入式微處理器、外設(shè)接口與操作控制臺(tái)，其中嵌入式微處理器具有很高集成性，主要集成了ROM、RAM、串口、總線接口等[2]。外設(shè)接口包括具有輸入、輸出及通信等功能的普通外設(shè)，以及具有語(yǔ)音編解碼、信道編碼等特定功能的專用外設(shè)。操作控制臺(tái)主要作用是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，組成部分包括開關(guān)、指示燈、顯示屏等。軟件系統(tǒng)包含嵌入式操作系統(tǒng)與用戶程序兩部分，與硬件系統(tǒng)相互配合，其中實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)發(fā)揮著主要作用。

1.2 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

相對(duì)于通用計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)還具有以下幾方面特點(diǎn)：第一是專用性強(qiáng)，是針對(duì)于某種特定應(yīng)用所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，相對(duì)于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在系統(tǒng)的可靠性、成本、體積與功耗等方面也具有更高要求。第二是具備較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，主要應(yīng)用于過(guò)程控制，因此需要采用實(shí)時(shí)系統(tǒng)，更有利于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反應(yīng)。第三是軟件與硬件之間結(jié)合密切，軟件需要隨著硬件平臺(tái)的變化作出相應(yīng)更改。第四是系統(tǒng)資源比較有限，相對(duì)于通用計(jì)算機(jī)具有更高的集成度。上述特點(diǎn)也決定了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與通用計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)存在較大的差異性。

2? 基于工程化流程的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法

2.1 系統(tǒng)工程化開發(fā)總體流程

系統(tǒng)工程化開發(fā)是指采用系統(tǒng)化、規(guī)范化和數(shù)量化等工程原則與操作方法進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)與維護(hù)[3]。其中主要包括開發(fā)技術(shù)、項(xiàng)目管理兩方面，開發(fā)技術(shù)可以具體分為開發(fā)工具、開發(fā)方法以及工程環(huán)境;項(xiàng)目管理主要包括項(xiàng)目估算、項(xiàng)目計(jì)劃、進(jìn)度控制、人員和配置管理等。系統(tǒng)工程化開發(fā)的總體流程與建筑工程的實(shí)施流程之間具有一定程度的相似性，主要包括項(xiàng)目需求提出、任務(wù)分配、需求分析、概要設(shè)計(jì)、任務(wù)細(xì)分、詳細(xì)設(shè)計(jì)、開發(fā)實(shí)施、集成測(cè)試、試運(yùn)行等環(huán)節(jié)[4]。系統(tǒng)工程化開發(fā)流程圖如圖1所示。

2.2 嵌入式系統(tǒng)工程化開發(fā)方法

在嵌入式系統(tǒng)的工程化開發(fā)過(guò)程中，需要采取上述工程化開發(fā)流程，并根據(jù)嵌入式系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，采取有效的技術(shù)手段完成系統(tǒng)的開發(fā)。具體開發(fā)流程如下。

2.2.1 立項(xiàng)與調(diào)研

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目的立項(xiàng)與調(diào)研階段，需要重點(diǎn)解決以下兩方面的問(wèn)題，一方面要充分考慮市場(chǎng)因素，全面了解用戶的需求，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)成本加以最大程度的控制，從而提升經(jīng)濟(jì)效益。另一方面需要全面考慮產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程的可行性，在開發(fā)過(guò)程中選擇合適的技術(shù)手段，確保產(chǎn)品運(yùn)行的穩(wěn)定性。針對(duì)于以上兩方面問(wèn)題，需要采取調(diào)研的方式進(jìn)行詳細(xì)研究，使得上述問(wèn)題得到合理解決。在此階段還需要制作相應(yīng)的書面材料對(duì)調(diào)研結(jié)果加以落實(shí)，其中包括《市場(chǎng)需求調(diào)研報(bào)告》以及《可行性分析報(bào)告》等[5]。

2.2.2 系統(tǒng)需求分析

在項(xiàng)目立項(xiàng)完成后，需要開展相關(guān)的分析工作。其中需要將用戶對(duì)于產(chǎn)品的需求作出歸納總結(jié)，而后制作成《用戶需求說(shuō)明書》，對(duì)系統(tǒng)的功能等相關(guān)要求進(jìn)行描述。在制作過(guò)程中，需要最終用戶提出意見并進(jìn)行修改。最后由系統(tǒng)分析員根據(jù)用戶需求，為產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)人員編寫《系統(tǒng)需求說(shuō)明書》。

系統(tǒng)需求的分析過(guò)程中，由于嵌入式系統(tǒng)常具有某些特殊要求，因此需要重點(diǎn)考慮以下幾方面內(nèi)容。第一是系統(tǒng)是否能夠滿足應(yīng)用環(huán)境對(duì)溫度、濕度以及相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)等的要求，在此基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)備的體積、功耗、成本與開發(fā)周期作出合理安排。第二是對(duì)系統(tǒng)的規(guī)模極其復(fù)雜程度作出合理評(píng)估，從而為系統(tǒng)開發(fā)工作量以及開發(fā)進(jìn)度的判斷提供依據(jù)。其中可以從系統(tǒng)能夠提供的功能以及系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)模兩方面進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。在上述工作的基礎(chǔ)上制定系統(tǒng)需求規(guī)格表，對(duì)系統(tǒng)需求作出詳細(xì)記錄。

2.2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，具體包括軟件設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)等方面。在具體開展設(shè)計(jì)工作時(shí)，需要依據(jù)相應(yīng)的說(shuō)明書，比如《軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明書》、《硬件設(shè)計(jì)說(shuō)明書》、《軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)說(shuō)明書》、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案圖等[6]。在對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，需要由軟硬件工程師進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，按照統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)及測(cè)試、硬件電路板制作以及協(xié)同設(shè)計(jì)等工作。并確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

在傳統(tǒng)的嵌入式軟件開發(fā)過(guò)程中，主要采取結(jié)構(gòu)化開發(fā)方法，根據(jù)硬件設(shè)備進(jìn)行軟件的開發(fā)工作。此種方式存在代碼重用性較差、軟件適應(yīng)性、維護(hù)水平不高等問(wèn)題。通過(guò)有效應(yīng)用分層技術(shù)，能夠顯著提升軟件開發(fā)與維護(hù)效率。其開發(fā)過(guò)程主要依據(jù)高內(nèi)聚、低耦合原則，具體可以分為應(yīng)用管理層、算法協(xié)議層、功能拓展層與硬件驅(qū)動(dòng)層四部分。此種設(shè)計(jì)方式通過(guò)合理分層，增強(qiáng)其對(duì)硬件環(huán)境的適應(yīng)性，因此能夠提高軟件的可復(fù)用性，并顯著簡(jiǎn)化項(xiàng)目開發(fā)過(guò)程。在后期維護(hù)過(guò)程中對(duì)應(yīng)用管理層以及功能拓展層進(jìn)行修改即可。嵌入式軟件分層開發(fā)模型如圖2所示。

2.2.4 調(diào)試、運(yùn)行與維護(hù)

在完成嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，需要開展調(diào)試工作，從而判斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)能否實(shí)現(xiàn)此前預(yù)想的功能。具體需要由專業(yè)人員進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試。進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試工作過(guò)程中，需要依據(jù)《用戶需求說(shuō)明書》，重點(diǎn)開展集成測(cè)試與可靠性測(cè)試。同時(shí)還需要對(duì)三個(gè)月內(nèi)的不間斷運(yùn)行數(shù)據(jù)作出統(tǒng)計(jì)。如果發(fā)現(xiàn)在測(cè)試中存在問(wèn)題，需要準(zhǔn)確查找原因并加以解決。其中主要包括硬件調(diào)試與軟件調(diào)試。硬件調(diào)試的具體內(nèi)容包括線路檢查、存儲(chǔ)器測(cè)試、通信時(shí)序確認(rèn)等方面，上述調(diào)試過(guò)程有利于解決常見的硬件問(wèn)題。軟件調(diào)試的過(guò)程相對(duì)比較復(fù)雜，其內(nèi)容主要在于對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)試，也是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中的重點(diǎn)部分之一。調(diào)試過(guò)程中對(duì)于軟件以及硬件的相關(guān)問(wèn)題都會(huì)有所涉及。調(diào)試完成后還需要進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，測(cè)試步驟分為單元測(cè)試、集成測(cè)試、系統(tǒng)測(cè)試與環(huán)境測(cè)試四個(gè)步驟。單元測(cè)試主要針對(duì)系統(tǒng)中的單元模塊，比如在軟件單元測(cè)試上可以應(yīng)用黑盒子、白盒子測(cè)試方法。單元測(cè)試完成后，需要開展針對(duì)于不同功能模塊組合的集成測(cè)試，主要明確模塊之間的接口問(wèn)題。而后開展系統(tǒng)測(cè)試，判斷系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)。最后需要進(jìn)行環(huán)境測(cè)試，依據(jù)真實(shí)操作環(huán)境全面判斷系統(tǒng)的功能及其穩(wěn)定性，確保其能夠滿足使用需求。設(shè)備通過(guò)測(cè)試之后，需要對(duì)用戶進(jìn)行長(zhǎng)期的追蹤，從而對(duì)設(shè)備及系統(tǒng)相關(guān)信息作出進(jìn)一步豐富，更有利于進(jìn)行設(shè)備后續(xù)的升級(jí)與維護(hù)工作。

3? 結(jié)語(yǔ)

嵌入式系統(tǒng)在目前得到了十分普遍的應(yīng)用，在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中，運(yùn)用工程化的開發(fā)流程，有利于更好滿足系統(tǒng)的使用需求，并能夠有效提高系統(tǒng)開發(fā)效率。因此在今后也應(yīng)加強(qiáng)工程化開發(fā)流程在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫伯文，蔡陸迪.淺談嵌入式操作系統(tǒng)[J].移動(dòng)信息，2017（10）：45.

[2] 陸天波，楊金翠，孫藝，等.基于工程化的軟件工程教學(xué)案例研究[J].軟件，2019（3）：78-87.

[3] 張智慧.多層模型在嵌入式軟件開發(fā)中的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2017（4）：17-20.

[4] 陳妍茹.嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展趨勢(shì)[J].中外企業(yè)家，2020（1）：82.

[5] 何曉亮，李剛.探究嵌入式系統(tǒng)在電子信息技術(shù)中的應(yīng)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2019（24）：13-14.

[6] 何祖恩.基于嵌入式系統(tǒng)的電梯導(dǎo)軌支架間距自動(dòng)測(cè)量?jī)x[J].自動(dòng)化與儀表，2019，34（12）：57-60.

[7] 黃澤輝，陳伯亨.基于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的研究及趨勢(shì)分析[J].農(nóng)家參謀，2019（23）：149.