一种基于嵌入式架构的单片机系统设计研究

王礼平

摘 要：单片机随着计算机的发展而出现的，它是计算机的一种，在体量上来讲，最多就算作一种微型。它的出现也是一种革命，尤其是在工业控制领域中，取得了广泛的应用。摒弃了传统的计算机应用中的一些弊端，在传统的操作过程中，计算机的体积受到很大的制约，体积大无法跟生产线相匹配，造成了很多资源的浪费。随着计算机的飞越发展，它的功能越来越强大，将其系统应用到实际生产中，会带来很多益处，无形中提高了生产的效率。本文对单片机和嵌入式操作系进行了简单的阐述，让人们有清晰的认识，并从硬件和软件两个方面进行阐述，在此基础上对基于嵌入式架构的单片机进行系统设计研究，以找到推动该技术发展的动力源。

关键词：嵌入式架构；单片机；系统；设计

一、单片机和嵌入式操作系统的定义

单片机是在嵌入式系统程序应用的基础上产生的，它就是其该系统的主控单元。其大部分软件的应用性都非常的广泛，不是凭空制造出来了，都有很强的目的性，由此可见，它的专属性非常的强，针对专门的功能设计专门的程序，这些专门的程序往往是一个微观实时操作系统，该系统程序的功能非常的强大，具有第一时间处理和监控信息的功能能力，并且对突发事件第一时间作出响应，并且有针对性的提出解决方案。

嵌入式操作系统的功能非常的强大，相当于人的大脑中枢神经。它具有控制和调度任务的功能，且能储存大量的信息，并能做到相应的信息同步的功能，灵魂作用非常的强大。在与其他程序做对比时，它把其他的程序的一些无关紧要的功能都剔除了，做到了简单，但是功能非常的强大，只有一个微内核。外加上该程序的嵌入性和专用性等特点，使得应用程序与操作系统处于同一个空间，使得操作系统和应用程序融为一体。这个时候存储管理模块非常的简单。就成了人们熟知的微内核。

二、基于嵌入式架构的单片机系统设计分析

（一）拟定总体设计方案。单片机的设计人员非常的关键，在接到项目任务时，首先要进行相应的评估，根据自身的特点设计系统总体方案，并对整体方案进行相应的优化，总体设计不能孤立的进行设计，要综合考虑各方面的要素，并能达到要实现的技术指标。在实现技术指标要考虑多种因素，如环境、功能、要实现的目标等，制定一个高性价比的设计方案，该方案对今后的工作有一定的指导作用。

（1）确定技术指标，编制设计任务书。单片机应用系统的开发是一个非常耗费精力的过程，首先要把根据整体的设计方案确定系统的功能和技术指标。要进行周密的分析，寻找到问题的症结点，把任务进一步明确下来，具有非常明确地可操作性，还要考虑到系统的各种性能，确定合理可行的技术指标，在此基础上，编制出完整的、可行性非常强的设计任务书，对今后的工作进行相应的指导。（2）建立数学模型。在编制任务书后，后面还有很多的后续工作，而且是非常繁琐的。设计者要根据实际情况对测控对象进行分析，把它的物理过程进行剖析，明确计算任务，并且将两者有效的结合并进行全面分析，把面临的一些实际问题进行简单化，抽象的问题具体化。根据上述的系统的总体方案作出合理的假设，建立模型，把模型里面的变量和参数确定下来，并通过数学的一些公式把模型建立起来。这整个建模的过程就是对真实性的模拟，并是对该项目测控的过程，当然这整个过程要求模型尽量做到简单，不宜太复杂，这样单片机才能发挥重大的作用。（3）选择合适的机型。根据上述确定的总体方案，再加上建立的数学模型，要把综合的因素都考虑进去，这些综合的因素包括系统的目标、可靠性、精度、速度和价格等，当把这些因素放到一起进行综合评价时，会发现适合本系统的单片机并不是很多，找到最合适的一款单片机，让其发挥更大的作用。（4）划分硬件和软件功能。在整个系统里面，软件与硬件发挥着重要的作用，在功能划分的过程中一定要把硬件和软件一并考虑进来，不能单一的考虑。在单片机这个应用系统中，要从软硬件两个方面来考虑，既要考虑到硬件的兼容性，又要考虑软件的系统性，最终在功能上实现了两者的相互替代。在功能上也实现了贯通，在系统设计中，要通盘考虑，权衡利弊，最终把硬件与软件的功能清晰划分出来。

（二）硬件设计。硬件设计包含系统扩展和系统的配置。系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，并设计合适的接口电路；系统扩展，即单片机内部的资源不能满足应用系统的要求时，必须进行外部扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。在进行单片机应用系统硬件设计过程中，要尽量多参考相关标准电路，多看一些经典的电路设计，这对系统设计有好处。现在应用电路系统功能越来越强大，由于单片机I/O口的驱动能力是有限的，所以系统功耗要尽可能低，必要时应考虑增加总线驱动电路以降低系统负担。系统的扩展性也是硬件设计中很重要的一个方面，系统硬件不仅要能够满足当前的需要，也要为以后的升级扩展留有余地。

（三）软件设计。软件开发过程是一个非常复杂的过程，它包括上述提到的拟定程序总体方案，绘制程序流程图，根据流程图编写程序等程序，还包括下文提到的调试程序等。单片机应用系统扮演着重要的角色，所以在软件设计上要求也是不一样的，在开发设计软件过程中，采用模块化来代替相应的程序。在上述提到的一些程序总体设计上来讲，要考虑到设计的程序出发，根据系统的设计的可操作性，制定切合实际的程序设计方法。在设计出来程序总体方案后，在总体方案的指导下，按照一些原则将整个系统软件划分不同的模块，彼此之间要保证相互独立，小大适当，还要根据实际情况明确数学模型和算法，绘制出来具有指导作用的总流程图和各模块的流程图。

（四）系统调试、运行和维护。系统调试在系统开发过程发挥着重要的作用，它包括两种调试方式，一种是硬件调试，另一种是软件调试。系统调试的目的就是查漏补缺，找到存在的不和谐因素，在第一时间进行修复。保证不影响系统的正常的运行。但是两种调试方式的侧重点不一样，硬件调试主要侧重于硬件，排除电路故障，软件调试侧重于在线仿真调试，排除是否存在编程有错误，对硬件是否存在问题也有一定的鉴别作用。根据系统存在的问题，第一时间拿出调试的方法，明确调试的环节，进行相应的调试。

三、结束语

该系统的设计在一定程度上突破了以前的弊端，它以计算机为核心，利用计算机技术来构造嵌入式架构，这种架构在很大程度上取决于计算机技术的发展，随着计算机技术的发展更新换代。刚开始出现计算机技术的时候，由于人们对其研究的不透彻，性能开发较差，甚至还不如今天的电子计算器，应用少之又少，只是在科研的领域有所应用。但是随着计算机技术的不断的开发，计算机的普及性越来越高，在这种大背景下，计算机的技术又有了新的突破。而且计算机技术越来越多的解决实际问题，无形中提高了工业等领域的控制效率。相关领域专家对程序进行了完善，嵌入式架构和单片机顺应时代的潮流应运而生，解决了很多的实际问题。但是单片机在实际应用的过程中也存在很多问题，如果有效的采用嵌入式架构技术，这样就能解决大部分存在的问题，让单片机系统发挥更大的作用。？

参考文献：

[1] 周秋和. 一种简单多功能单片机系统设计[J]. 武汉教育学院学报. 2000（06）

[2] 刘颖. 单片机系统设计的误区与应对策略[J]. 长沙铁道学院学报（社会科学版）. 2013（03）