計算機軟件設(shè)計中嵌入式實時軟件的應(yīng)用

李潤昊

關(guān)鍵詞 計算機軟件 嵌入式 實時軟件

嵌入式實時軟件是指在某些條件限制下優(yōu)化開發(fā)服務(wù)過程，借助計算機資源、軟件異步和多程序等特性，通過發(fā)揮其優(yōu)化作用，從而達到優(yōu)化計算機軟件性能的目的。分析嵌入式實時軟件的突出優(yōu)勢以及其性能提升方案，不斷優(yōu)化軟件結(jié)構(gòu)和運行速度等，對于進一步提升嵌入式實時軟件在實際應(yīng)用中的表現(xiàn)而言有著重要作用。在設(shè)計嵌入式實時軟件時，需要關(guān)注緩存、命令執(zhí)行等，通過優(yōu)化、升級結(jié)構(gòu)實現(xiàn)集成式操作控制，最大化發(fā)揮嵌入式實時軟件的綜合價值。

1應(yīng)用原理

嵌入式實時軟件即指集成多種相互聯(lián)系的硬件并同時運作的運行平臺，目前在各大領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用[1] 。例如，在日常生活中使用的電視、電話、數(shù)碼相機等，其中均含有嵌入式實時軟件結(jié)構(gòu)。計算機軟硬件是嵌入式實時軟件控制的重要組成部分，其重要作用在于確保在軟件設(shè)計過程中可以應(yīng)用嵌入式軟件展開實際操作，保證開發(fā)出的軟件產(chǎn)品具備豐富的功能，以及可以在規(guī)定時間之內(nèi)保質(zhì)保量地完成軟件功能設(shè)計，確保計算機系統(tǒng)不會因軟件開發(fā)而受損。嵌入式實時軟件系統(tǒng)在設(shè)計過程中通過采用專業(yè)技術(shù)模型，提高軟硬件系統(tǒng)的集成度，從而進一步提高計算機系統(tǒng)與嵌入式實時軟件的結(jié)合程度，實現(xiàn)對二者功能的高度融合，提高計算機系統(tǒng)的處理能力，實現(xiàn)遠程計算機軟件設(shè)計，同時還能夠為采用計算機技術(shù)設(shè)計軟件提供必要的服務(wù)支持。

2特征及優(yōu)點

2.1實用性強

簡單來說，嵌入式實時軟件就是對應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中的軟件的統(tǒng)稱。同時，也只有將嵌入式實時軟件應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，才能充分發(fā)揮其價值。在設(shè)計嵌入式實時軟件的過程中，需要充分結(jié)合市場變化和客戶特點，最大化地滿足其個性化和共性化需求。

2.2靈活度高

嵌入式實時軟件的應(yīng)用形式為直接嵌入硬件內(nèi)部，因此為了確保提高軟硬件的結(jié)合度，在設(shè)計過程中必須保證其體積控制在一定范圍之內(nèi)，只有這樣才能大量節(jié)省設(shè)計資源?；诖耍O(shè)計出的軟件才符合設(shè)計需求的同時完成不同硬件的結(jié)合，也不會影響硬件的性能。

2.3能耗低、啟動速度快

嵌入式實時軟件的主要載體為硬件設(shè)施，對于系統(tǒng)性能的要求并不高，相對而言空間與資源占用更小，有著更快的啟動速度，使用更為靈活、方便，能夠充分滿足用戶對于提升軟件運行速度的需求。

2.4系統(tǒng)穩(wěn)定性高

由于非嵌入式實時軟件一般安裝在系統(tǒng)硬盤之上，在運行過程中一旦出現(xiàn)故障，則很可能影響整個系統(tǒng)的正常運作。而采用嵌入式實時軟件則可以有效避免這一問題，能夠保證系統(tǒng)在更為安全的環(huán)境中運行。

3意義

作為信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，計算機已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在日常生活的各個方面，尤其是隨著集成電路、微處理器的高速發(fā)展，各種高性能的計算機層出不窮。而嵌入式系統(tǒng)以其體積小、功耗低等特點在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。要提高嵌入式實時軟件的完整性，就要設(shè)計出穩(wěn)定可靠的電路系統(tǒng)和合理的軟件結(jié)構(gòu)。

軟件設(shè)計的核心在于確保硬件電路正常運行、數(shù)據(jù)收集與處理不受影響，這也是其價值所在。嵌入式實時軟件適合安裝于系統(tǒng)運行環(huán)境較為嚴(yán)苛、有著較高功耗與豐富功能的專用型計算機中，應(yīng)用嵌入式實時軟件的關(guān)鍵則在于研究信息化的計算機技術(shù)，需要在確保實時性、可裁剪性的特質(zhì)下實現(xiàn)對內(nèi)部信號的處理和對用戶需求的響應(yīng)。例如，電視、計算機、智能手機等設(shè)備的應(yīng)用系統(tǒng)實際上都是基于嵌入式實時軟件而設(shè)計的。嵌入式實時軟件所具有的重要價值表現(xiàn)在維持系統(tǒng)平穩(wěn)運行，確保外接設(shè)備、MCU 等能夠正常工作。

動態(tài)分配、緩存等也是嵌入式實時軟件的重要功能。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計流程中，關(guān)鍵在于對微處理器的應(yīng)用，處理器的型號不同，其性能、功能、兼容的操作系統(tǒng)等也有著很大的差異，因此在設(shè)計過程中就需要結(jié)合用戶需求確定芯片型號。在設(shè)計過程中，還需要加入監(jiān)控模塊，用于時刻監(jiān)控系統(tǒng)運行是否穩(wěn)定，識別出影響系統(tǒng)正常運行的因子，如采用看門狗完成對系統(tǒng)的復(fù)位等。在軟件設(shè)計過程中，還要關(guān)注對安全隱患的識別和分析，確保軟件設(shè)計能夠有效規(guī)避各類運行風(fēng)險。

4應(yīng)用方法

將嵌入式實時軟件應(yīng)用于軟件系統(tǒng)時，設(shè)計者必須按照軟件設(shè)計程序完成各個流程的操作，應(yīng)當(dāng)盡可能控制各類人工差錯。例如，在設(shè)計軟件結(jié)構(gòu)時，設(shè)計者需要重視對軟硬件系統(tǒng)的區(qū)分，盡可能避免軟件過分依賴硬件的問題，從而提高系統(tǒng)的實時性與穩(wěn)定性。另外，計算機軟件中嵌入式實時軟件的應(yīng)用，對于完成數(shù)據(jù)初始化、結(jié)構(gòu)格式化而言也有重要作用，在設(shè)計過程中，通過設(shè)計人員的努力從而豐富軟件結(jié)構(gòu)與功能。嵌入式實時軟件在軟件系統(tǒng)中的應(yīng)用也能夠為系統(tǒng)設(shè)計提供便利。

4.1劃分任務(wù)

在任務(wù)劃分階段，首要流程為數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)分類，劃分為有應(yīng)用價值和無應(yīng)用價值兩種類型，并結(jié)合轉(zhuǎn)換與執(zhí)行的具體需求，充分發(fā)揮轉(zhuǎn)換與分類的作用。一般而言，可從五個角度切入，即應(yīng)用程序方面、用戶接口方面、循環(huán)周期方面、異步方面、同步方面，通過強化配合與協(xié)調(diào)實現(xiàn)資源整合，發(fā)揮出軟件系統(tǒng)應(yīng)有的價值，尤其要突出程序輪詢、中斷系統(tǒng)的應(yīng)用價值，實現(xiàn)對I/ O 事件的統(tǒng)計和驗證，從而逐步靠近長期目標(biāo)。在這種處理模式下，當(dāng)計算機系統(tǒng)處于運行狀態(tài)時，部分程序?qū)⒄加肅PU 資源。而通過發(fā)揮出應(yīng)用程序的輪詢和終端模塊的作用時，則能夠統(tǒng)計和驗證數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)采集，進而保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進一步提高系統(tǒng)的時效性、穩(wěn)定性[2] 。

4.2提高組織任務(wù)、存儲映像布局的合理性

在任務(wù)劃分和設(shè)計階段完成之后，其功能性將得以充分展現(xiàn)。在實際操作過程中，既需要關(guān)注數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，也需要確保軟件的邏輯性，為避免受到負(fù)面因素的影響，應(yīng)當(dāng)同時在FLASH 和ROM 上進行儲存。在數(shù)據(jù)信息調(diào)取的過程中，為了確保軟件能夠充分發(fā)揮出信息調(diào)取和儲存的作用，按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)出其應(yīng)有的功能，就需要對軟件系統(tǒng)進一步優(yōu)化，最大化地為嵌入式實時軟件的應(yīng)用創(chuàng)造有利條件。

4.3應(yīng)用流程及應(yīng)用重點

在軟件設(shè)計過程中，必須關(guān)注每一流程的設(shè)計重點。原因在于當(dāng)軟件設(shè)計中出現(xiàn)任何一個微小的誤差，均可能帶來巨大的經(jīng)濟損失，或是因計算機軟件系統(tǒng)無法正常運行而影響設(shè)計單位的口碑[3] 。所以，在軟件設(shè)計過程中，必須確保每一位軟件設(shè)計者都具有充足的理論知識和豐富的實踐經(jīng)驗，快速找到嵌入式實時軟件的設(shè)計重點，確保最大程度達到嵌入式實時軟件的應(yīng)用成效，有效避免計算機軟件設(shè)計出現(xiàn)程序錯亂和誤差。在嵌入式實時軟件系統(tǒng)的設(shè)計過程中，必須確保計算機軟硬件始終處于高度結(jié)合的狀態(tài)。原因在于若設(shè)計過程中軟硬件系統(tǒng)各自獨立，則必然會影響軟件設(shè)計流程，而保證軟硬件始終處于結(jié)合狀態(tài)的目的正在于提高計算機軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與此同時，嵌入式實時軟件在運行過程中可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的問題，為此必須提前做好數(shù)據(jù)備份，確保滿足客戶的數(shù)據(jù)恢復(fù)需求。

4.4實時應(yīng)用與調(diào)度任務(wù)

在應(yīng)用嵌入式實時軟件過程中可以從兩個方面對其應(yīng)用情況進行分析和理解，即硬實時性和軟實時性[4] 。在實際操作過程中，軟件可以直接體現(xiàn)出應(yīng)用的實時性，能夠在不同階段表現(xiàn)出不同程度的滯后性，要求操作者提高關(guān)注度，堅持優(yōu)選原則，在計算機任務(wù)調(diào)度過程中選擇優(yōu)先級更高的調(diào)度方式?？紤]到軟件系統(tǒng)在使用過程中可以通過多種渠道完成優(yōu)化和升級，要求在具體優(yōu)化過程中結(jié)合任務(wù)的實際要求和任務(wù)目標(biāo)來調(diào)整等級，并適當(dāng)加入新的等級，實現(xiàn)對任務(wù)的分解，盡可能提高對關(guān)鍵任務(wù)的響應(yīng)速度，全面提升系統(tǒng)響應(yīng)速度，從而提升工作效率。

4.5任務(wù)和時鐘間通信

嵌入式實時軟件具有多種功能，通常包括軟實時和硬實時。兩種功能的區(qū)別在于任務(wù)完成時間上，即軟實時允許將任務(wù)滯后完成，硬實時則相反。如果某一優(yōu)先級的任務(wù)較多，微內(nèi)核依據(jù)任務(wù)的緊急情況，自行增強優(yōu)先程度，按照優(yōu)先級對任務(wù)進行劃分和排序，此舉的目的在于減少系統(tǒng)完成重要任務(wù)所需時間。在嵌入式實時軟件的設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)加入系統(tǒng)時鐘模塊，對模塊進行控制。嵌入式實時軟件中包括信號傳遞、排序等程序，能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)任務(wù)與軟件資源的協(xié)調(diào)同步，同時具有信息傳遞功能[5] 。

4.6分布式嵌入系統(tǒng)評價體系

分布式嵌入系統(tǒng)是指通過分解對計算能力要求較高的分析任務(wù)，將其劃分為不同的小目標(biāo)，同時通過傳遞信息的方式將其發(fā)配至網(wǎng)絡(luò)計算機中進行處理，接著將所得到的處理結(jié)果進行匯總并再次處理，如此得出的便是最終處理結(jié)構(gòu)。主要通過資源分配與調(diào)度算法展開針對嵌入式系統(tǒng)的評價。其中，資源分配即指數(shù)據(jù)儲存器、處理器、網(wǎng)絡(luò)等自我填補設(shè)備;調(diào)度算法即指通過判斷任務(wù)的優(yōu)先級，從而確保等級更高的任務(wù)能夠得到優(yōu)先處理。分布式嵌入系統(tǒng)的可靠性即指通過提高系統(tǒng)整體運行的安全程度和完整程度，從而提高分布式嵌入系統(tǒng)的可靠程度。

在衡量系統(tǒng)可靠性時，可以從設(shè)計、驗證、分析和評估等角度切入。分布式嵌入系統(tǒng)器件的可靠性主要體現(xiàn)在規(guī)定的時間段和運行環(huán)境下，分布式嵌入系統(tǒng)服務(wù)表現(xiàn)的持續(xù)性，通過分析系統(tǒng)的這一指標(biāo)，能夠?qū)ζ渌布笜?biāo)的服務(wù)能力做出判斷。為了充分且準(zhǔn)確地展示出嵌入式計算機系統(tǒng)的綜合性能，在確定系統(tǒng)性能評價指標(biāo)時，應(yīng)當(dāng)遵循的原則包括：一是代表原則，即指標(biāo)能夠展現(xiàn)出系統(tǒng)在某一方面所具有的特質(zhì);二是可信原則，即能夠提供準(zhǔn)確、足量的信息數(shù)據(jù);三是使用原則，即能夠滿足使用需求;四是獨立原則，即應(yīng)當(dāng)選擇與性能關(guān)聯(lián)度更小的指標(biāo)。

5發(fā)展趨勢

嵌入式實時軟件的作用表現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)遠程操控、應(yīng)用程序設(shè)計，從而滿足遠程、實時控制的需求。為了滿足廣大用戶對嵌入式實時軟件的使用需求，在軟件設(shè)計過程中，還需要進一步完善信號量和信號隊列機制等，應(yīng)當(dāng)確保系統(tǒng)任務(wù)與資源分配能夠同步進行。在軟件信息處理能力不斷提升的背景下，進一步提高操作效率、軟件性能，有助于全面擴大和提升嵌入式實時軟件的應(yīng)用范圍和應(yīng)用水平。

嵌入式實時軟件中既包括軟件模塊，也包括硬件模塊，通過提高軟硬件的集成度，則同樣有助于提高其應(yīng)用水平。盡管信息時代的到來給嵌入式實時軟件帶來了很好的發(fā)展契機，但“打鐵還需自身硬”，在嵌入式技術(shù)層面需要不斷突破。首先，嵌入式實時軟件和硬件設(shè)施是無法剝離的整體，硬件設(shè)施是發(fā)揮嵌入式實時軟件優(yōu)勢的載體，只有擺脫硬件設(shè)施的束縛和限制，嵌入式實時軟件才能夠獲得長遠發(fā)展。其次，嵌入式實時軟件系統(tǒng)作為嵌入式實時軟件運行的基礎(chǔ)保障設(shè)施，也應(yīng)當(dāng)不斷進行優(yōu)化升級，以滿足用戶需求。再次，要努力跳出鏡像內(nèi)存的框架，或是找到更好的定制途徑，完善嵌入式實時軟件的功能，滿足多樣化和個性化需求，從而開辟更大的市場。最后，嵌入式實時軟件的開發(fā)需要資源和人才的支撐，作為數(shù)字時代發(fā)展的客觀要求，我們應(yīng)當(dāng)高度重視專業(yè)人才的培養(yǎng)，加大軟件開發(fā)的投入力度，為嵌入式實時軟件的優(yōu)化升級提供堅實的資源和人才保障。