一、 软件开发
单片机生产厂家不断增多,单片机品种层出不穷。单片机广泛选择是当今产品开发的一个重要环节。每个单片机系列的指令系统不同,与指令系统对应的汇编助记符就不同。汇编语言的不兼容性使得在一种单片机上编制的程序,在另一种单片机上不能运行,单片机重新选型后程序必须重新编制。汇编语言的难记、难读及易搞混,每个汇编程序员深有同感。自己编制的程序过一段时间修改时,往往要重读很大部分,经过长时间回忆才能找到问题所在。修改别人留下的汇编源程序,若程序的注释说明不详细、程序的思路不清晰、子程序使用不够多的话,还不如自己重新编制。
用C语言编程是单片机软件开发的必然趋势。C语言是一种编译型程序设计语言,它兼顾了多种高级语言的特点,并具备汇编语言的功能。 C语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、可移植性好,而且可以直接实现对系统硬件的控制。C语言是一种结构化程序设计语言,支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。采用C语言也不必对单片机和硬件接口的结构有很深入的了解,编译器可以自动完成变量存储单元的分配,编程者专注于应用软件部分的设计即可,这样大大加快了软件的开发速度。采用C语言可以很容易地进行单片机的程序移植工作,有利于产品中单片机的重新选型。采用C语言,可针对单片机常用的接口芯片编制通用的驱动函数,针对常用的功能模块、算法等编制相应的函数。这些函数经过归纳整理可形成专家库函数,供广大的单片机爱好者使用、完善,这样可大大提高国内单片机软件设计水平。C语言可读性的特点,更容易使大家借鉴前人的开发经验,提高自己的软件设计水平。对于C语言生成代码的时空效率,一般来讲,程序代码长度增加20%,程序执行速度约减慢20%。这在片内程序存储器不断扩大、晶振频率不断提高的今天,已不是主要考虑的问题。况且,这是和优秀的汇编程序员编制代码的比较。当然,非常注重代码效率的场合可以是以C语言为主,汇编语言为辅。汇编语言掌握到只要可以读懂程序,在时间要求比较严格的模块中进行程序的优化即可。在可移植性方面,单片机C语言都符合ANSI C标准,差别主要是有关片内资源的不同配置及使用,这可以通过采用不同的头文件,经过少量的加工就可以实现。随着国内单片机开发工具研制水平的提高,现在的单片机仿真器普遍支持C语言程序调试,为单片机编程使用C语言提供了便利的条件。单片机的C语言相对微机的C语言要好学得多,它没有微机 C语言有关文件的使用,也不必掌握标准输入输出设备有关的格式要求。北京航空航天大学出版社出版的《单片机的C语言应用程序设计》(修订版)教材是专为没有C基础的人编写的,大量的实例可引导大家进入单片机C时代。嵌入式微处理器是以C、C++甚至JAVA语言进行编程的,并普遍采用RTOS。
在嵌入式应用中使用RTOS是由于嵌入式应用一般是计算机实时系统,有两个重要特性:实时性和可靠性。实时性标准常用“系统响应时间”来衡量,即当一外部事件发生,系统能在多少时间内响应事件。RTOS分强实时和弱实时两种。强实时RTOS用于对时间要求比较严格的场合。可靠性标准常用系统平均无故障运行时间,即平均的故障间隔时间MTBF来衡量。操作系统(OS)是一组计算机程序的集合,用来有效地控制和管理计算机的硬件和软件资源,即合理地对资源进行调度,并为用户提供方便的应用接口。它为应用支持软件提供运行环境,即对程序开发者提供功能强、使用方便的开发环境。OS的前身就是监控程序,类似于单片机仿真器的监控程序。RTOS是多任务的,每个用户的应用程序可以设计成多个不同的任务,这些任务可以并发执行,提高系统的吞吐量,更有效地利用系统资源。常用的任务调度算法为:优先级加轮询、非抢占式优先级调度、按优先级抢占的调度算法。任务间通信与同步机制为:邮箱、队列、信号量、事件标志。划分任务时,任务之间的通信要尽可能少,这样可以简化设计。基于任务的设计可扩展、可管理、可大大提高系统的可靠性。RTOS提供给用户的是各种系统调用。中断、时间基准及定时的管理都由RTOS完成。采用RTOS编程可大幅度缩短程序的开发时间。RTOS一般都可裁剪、移植,适用于多种硬件环境,可以和应用程序一起固化到应用系统中。随着后PC时代的来临,微软维纳斯计划推出Windows CE,我国女娲计划推出自主版权的Hopen实时多任务操作系统。 “3C”结合的信息家电问世,RTOS引起国内业界的极大关注。国内已引入pSOS、 VRTX、VxWorks、QNX、Nucleus等RTOS以及 CMX和RTXC小型适合单片机的带源代码的RTOS。免费公开内核的RTLinux和 μCOS也是使用的热点。清华大学出版社出版了《工业控制计算机实时操作系统》。国际上很有名的有关μCOS的专著《Micro C/OS-ii The Real Time Kernel》不久将在国内翻译出版。 RTOS会更加深入人心,嵌入式应用软件开发由汇编、C向 RTOS发展。 [page]
二、 硬件设计
单片机,即一个芯片就是一个计算机,代表着计算机小型化的理想。随着超大规模高速集成电路 VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)的发展,专用集成电路 ASIC(Application Special Integrated Circuit)设计已使片上系统 SOC(System On a Chip)的设计与制造正在或已经成为现实。单片机和SOC是硬件设计高度集成化的产物。高度集成可以增加系统的可靠性、缩小体积并降低成本。集成电路产品的集成度,目前仍然保持每18个月增长一倍的发展速度(摩尔定律),而产品的生命周期却日趋缩短,因此,迫切要求提高ASIC芯片的设计速度。其中最重要的是尽可能重复运用已有的设计成果,采用具有知识产权的功能单元块,即IP核(Intelligence Property Core)。因此,必须重视IP核的开发和重用。在设计方法上运用电子设计自动化(EDA)工具,使用 VHDL和 Verilog硬件描述语言HDL(Hardware Description Language)进行硬件的设计。VHDL支持行为级描述,并有IEEE 87和IEEE 93标准,设计效率明显高于Verilog,更加受欢迎。从集成电路的观点看,单片机是IP核,常用接口芯片 8255、8250、8279等也有类似功能的IP核。8051单片机得到Philips、Atmel等众多厂商的支持也得益于其IP核的互换和转让。内含CPU的可编程逻辑器件已列入集成电路生产厂家的生产计划。模数混合的集成电路还存在设计制造难度。目前,嵌入式应用硬件设计采用满足要求的单片机是理想的选择,采用CPU+PLD+AD/DA模式是明智的选择。可编程逻辑器件的发展经历了由GAL/PAL、EPLD向 CPLD/FPGA(复杂可编程逻辑器件/现场可编程逻辑器件)发展,集成度越来越高。Lattice、Altera、Xilinx、AMD等公司提供可编程逻辑器件和EDA设计工具,支持HDL文本输入和原理图输入,配备编辑、编译、仿真、综合、芯片编程等功能。通过在系统编程ISP(In System Programming)或称在线下载,利用微机并口配有的下载电缆和可编程器件的JTAG接口相连,即可修改系统中PLD部分的设计,实现硬件设计的软化。系统定制电路部分的设计已从ASIC集成电路设计的殿堂变成电子工程师的必备知识。集成电路的设计和电子电路的设计在融合。当然,单片机外接的简单逻辑也可采用逻辑表达式和 ABEL语言设计GAL芯片或PSD器件实现。PSD器件上含有PLD、FLASH、EEPROM、RAM等,是单片机较理想的外接芯片。现内置 FLASH的单片机也有带JTAG或类似接口的产品,支持在线程序下载,生产厂家有 TI、Atmel、Microchip等。只须简单的下载开发工具,大大方便了程序的开发和现场的修改。在线修改是电子设计的革命,是发展方向。硬件电路设计采用VHDL语言是发展趋势。VHDL语言是电子工程师的必备知识,VHDL语言比C语言还容易掌握。
国内出版的VHDL书有:西安电子科技大学出版社的《VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计》(修订版)、电子科技大学出版社的《VHDL实用教程》和清华大学出版社的《VHDL简明教程》及《VHDL语言100例详解》等。
三、 平台模式
随着计算机技术、微电子技术和网络技术、软件技术的不断发展,人类社会正逐步进入后PC时代,嵌入式应用是当今计算机发展的一个热点。嵌入式应用的从业人员来自各行各业,技术背景参差不齐,很多还是非电子类专业。应用的设计带有很大的自主性、随意性。低水平重复劳动是制约产品设计水平的关键因素。20年来嵌入式应用的发展,国内业界已成一定气候,嵌入式应用设计亟待从随意性设计转入平台开发模式。
平台开发模式,即在一个设计集团中,实行严格的标准化、系列化、规范化设计,将某一类产品领域的基本硬件结构及基本软件形成产品的“统一机芯”,即基础平台,并将基础平台相关的周边扩展电路及应用软件进行优化、筛选,形成基础平台的平台库资源。在开发新产品时,利用基础平台,并选择平台库中的相关资源进行。
嵌入式应用设计亟待发展软/硬IP产业,完善软/硬IP功能库。专家库函数是广义的软IP,网络应用使用的TCP/IP协议软件是典型的软 IP。在平台方式下,基础软硬件工作可解决在平台之中。常用的外围接口芯片8255、8250、8279等都可以做成类似功能的硬IP,软件库函数可包含它们的驱动程序。键盘可规范成8键、4×4键、8×8键设计,LED显示可规范成8个或16个数码管。显示和键盘扫描可编成标准程序。嵌入式应用的从业人员可互相借鉴交流 IP,建设自己的开发平台。
基于平台观念的设计工具有我国东大阿尔派公司的NEST2000通用型嵌入式系统设计平台和美国I- Logix公司的基于UML的面向嵌入式应用的软件开发环境——Rhapsody。NEST2000面向信息终端类产品设计,采用32位微处理器作为核心,支持FLASH、DRAM、SRAM等存储器,具有LCD显示、触摸屏、语音、键盘、红外调制解调器、条形码阅读器、IC卡等多种外围接口模块,其支撑软件包括RTOS、网络协议(TCP/IP)、图形用户接口(GUI)、嵌入式数据库系统以及JAVA平台等。硬件模块可以方便地根据用户的需求进行选择使用,软件平台提供它们的驱动程序,在RTOS之上提供给用户应用程序接口(API),可以最快速度地完成产品应用软件的开发。Phapsody采用迭代增量式软件开发方法,支持可视化建模,支持基于模型调试。更令人惊讶的是,改变模型,代码随之改变,并可自动生成可读性好,可直接使用的C、C++、 JAVA语言代码。随着平台观念逐步深入人心,愿嵌入式应用的设计人员都能建设平台、使用平台,借鉴前人的设计开发经验,利用自己的技术储备,以最快的速度推出新产品。
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