基于嵌入式架构的单片机系统设计

乔峰

摘 要：单片微型计算机的特点是占用面积小，耗能较少，投资成本低等，其具备各种各样的功能。单片微型计算机被应用于很多的领域，尤其是工业控制领域。笔者在下文中将从分析嵌入式架构的单片机的架构概念和特点出发，简要的探讨现如今单片机系统设计的情况以及嵌入式架构的单片机系统设计。

关键词：嵌入式；架构；单片机；系统；设计

一、嵌入式架构简述

（一）嵌入式架构的概念。在计算机网络发展迅速推进的背景下，嵌入式架构也发展成为一门学科，很多高等院校也顺应市场经济的发展需求开设了这个学科课程。现在很多产品的开发都离不开计算机系统的设计和研发，然而这些工作又需要操作人员具备足够的的嵌入式架构知识。以计算机网络技术为标志的第三次工业革命发展至今，电子信息领域一直都很受各国的重视，我国虽然积极的融入到科技革命发展的浪潮之中，但是由于经济的改革开放时间较晚，科技发展的步伐也较慢，所以，我国在该领域的技术水平还落后于西方发达国家。最近这些年以来，我国电子信息相关领域也逐渐受到国家的重视，得到很多经济上和政策上的扶持。随之，嵌入式架构的研究也得到了前所未有的发展，就目前我国的单片机等设备的生产情况来看，我国技术人员虽然能够对单片微型计算机系统进行研究和开发，但是很多先进的单片机相关设备还依赖国外进口，这就极大的限制了我国嵌入式架构的发展。对于嵌入式架构的概念，国际电气和电子工程师协会给出了具体的解释，是控制、监视等辅助设备工作的系统，现在对嵌入式架构这个概念来说，还是主要基于计算机技术，通常时候，一个带有控制程序的处理器就可以被称作是一个嵌入式架构，也就是说，在计算机发展的不同阶段，嵌入式架构概念阐释也是各有不同的。

（二）嵌入式架构的特点。嵌入式架构的单片机的很多特点是对传统的计算机技术的一种发展：首先，这种小体积的嵌入式架构出现的时候就主要是在计算机的基础上，进行系统的开发。在计算机技术不断精进的背景下，嵌入式架构也随之得到发展，特别是单片机等微型计算机研发出来之后，嵌入式架构就得到极大的推广。也就是说，先是嵌入式架构应用和发展在很大程度上推动了单片机的出现；其次，嵌入式架构能够完成逻辑较强的控制活动。而电子信息化发展过程中很大一部分机械设备都在通过智能芯片的使用将特定的控制程序植入到系统中去，从而实现特殊的控制目的。随着软件技术的日益发展，特别是人工专家模块的研发工作取得进展之后，计算机软件的智能化就达到很大程度的发展，比如，以前计算机出现问题的时候还需要技术管理人员进行检查和修整，智能化的计算机软件则可以自动的检索该问题曾经的处理办法，自动的完成问题的修复，也就是说这样的智能化技术植入到嵌入式架构之后工业生产自动化控制就能够实现了。所以说，单片机等微型计算机的发展就是推进工业自动化控制技术发展的十分重要的因素，而单片机在该自动化控制系统中的应用效率要得到提高也需要在嵌入式架构中植入一些比较具有针对性的硬件和软件的设计。

二、基于嵌入式架构的单片机系统设计分析

（一）单片机应用系统组成。单片机系统包括硬件和软件两部分，其中I/O接口、CPU、RAM及外围接口等组成了硬件部分。在整个系统中单片机负责系统的程序的运行和数据的处理，是整个系统的核心；I/O接口主要负责与外部的输入输出是与外部进行信息交换的通道。RAM用于系统程序和数据的存储。 对一个系统而言，仅仅只有硬件是远远不够的。打个比方硬件就好比一个人的四肢，而软件就好比一个人的大脑。如果没有软件，整个系统就无法正常运转。系统软件可分为实时软件和开发软件。其中针对控制系统功能所编写的软件为实时软件，在开发，调试时使用的软件为开发软件，具体如编译软件，调试软件，仿真软件，编程下载软件等。

（二）单片机应用系统设计要求 。单片机系统设计应遵循以下几个原则：（1）系统结构的模块化、规范化便于分析查找故障；（2）优化系统设计，尽可能减少不必要的节点，以减少产生的可能；（3）选用可靠性高的器件，减少内部电路带来的不确定因素。

（三）单片机应用系统设计。完整的单片机的系统的开发可分为5个阶段：第一阶段：系统的功能性分析，只有对要设计的产品的功能进行全面的分析，才能知道系统设计中需要什么，不需要什么。第二阶段：确定系统总体设计方案，这一阶段主要是根据系统的功能进入更深入的各个模块设计选型，并最终统一协调完成系统总体设计，并不针对系统各方面进行深入设计；第三阶段：由系统总体设计中确定的各模块的设计原则，对各模块进行设计深入。该阶段主要完成系统各部分的详细设计，最终归结到系统的硬件原理图和系统软件各模块设计上来；第四阶段：在前面基础上实现硬件和软件系统的联调，这个过程是整个系统设计的关键，在调试过程中往往会发现系统中存在的一些问题，包括硬件上和软件上存在的诸多问题等；第五阶段：针对系统调试进一步完善系统硬件和软件；第六阶段：系统程序的固化，文件编制，性能测定，现场调试报告和说明等的完善。

（四）基于嵌入式架构的单片机系统硬件设计。单片机的早期设计主要是针对现有的生产线进行一些细微的改进或者改造，通过在生产线上适当增加或者减少一些设备，利用单片机进行控制，这时候的单片机还没有形成嵌入式架构概念。随着社会的发展，工业化大规模生产已不能满足单一的系统控制。因此单一单片机一对一的架构已无法满足生产的需要，因此嵌入式架构的单片机系统设计便逐渐得到的推广和发展。具体而言就是，将单片机放到生产中的各个环节，并将它们连接到一个服务器上，同时又将无数个服务器连接到一起，这样形成一个分层式庞大系统，进行实现对生产的全面控制。即所谓的单片机系统的嵌入式架构设计。

（五）基于嵌入式架构的单片机系统软件设计。和传统系统相比，嵌入式系统最大特点就是多了辅助设备，如早期单片机往往作为单一模块，单独使用来处理复杂问题，亦或控制设备，没有任何辅助设备。而嵌入式架构下，单片机，辅助设备统一连接到计算机服务器中，通过将一条系统的分层分级式的管理每个单片机系统完成某一块功能，而又通过整个架构将各个系统连接起来组成一个完整整体。而在系统软件设计时就也应考虑系统各个架构的功能，根据实际需要设计不同程序，实现不同控制功能。

结束语 ：作为以计算机为基础的技术，嵌入式架构的发展是和计算机技术的发展是分不开的，就上世纪计算机刚问世的时候，其使用性能还不如简单的电子计算器，只能适用于科研实验之中，但是电子信息技术发展的今天，计算机已经普及到人们的日常工作和生活之中，计算机能够处理的实际问题越来越多而且其处理效率也在不断的提高。人们对其植入的操控程序也在不断的升级，通过上文的分析，计算机的实际应用需要推动了嵌入式架构和单片机的出现和发展，反之，单片机的发展也推动计算机技术的发展，只是，在实际应用的过程中，还存在很多的技术性问题，如何不断的使得嵌入式架构的应用提高单片机系统的使用的效果还需要进行更多的研发工作。

参考文献：

[1] 薛建方. 浅谈单片机系统设计的误区与对策[J]. 电子制作. 2013（18）

[2] 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）