计算机软件设计中嵌入式实时软件的应用分析

计算机软件设计中嵌入式实时软件的应用分析

郤志星

太原航空仪表有限公司 山西 太原 030000

摘要：嵌入式系统因其集成度高、实时性强等特点，在工业化领域得到了广泛应用，而作为嵌入式系统的关键环节，嵌入式软件设计不仅影响设备的整体性能，而且影响人机交互的体验。对于实时性要求严格的设备，如何保证系统的及时响应和反馈是软件设计人员所必须考虑的问题。本文首先探析了嵌入式系统中的实时软件应用方略,然后结合实例分析了嵌入式实时软件的具体应用。

关键词：软件设计；嵌入式实时软件；应用

引言

随着计算机行业的快速发展，嵌入式系统被广泛的应用于航空、电子、机械等领域，而嵌入式实时软件系统的应用，使得设备的整体使用性能获得了全面的提升，在人机交互方面得到了长足的进步。嵌入式实时软件不仅对软件设计、维护人员更加友好，并且可以提供更优质的质量保障。软件设计人员可以及时发现设计中存在的缺陷问题，从而及时的采取有针对性地的解决措施，提高设备的可靠性和稳定性。

一．嵌入式实时软件应用的重要意义

作为信息技术发展的产物，计算机已经被广泛应用在日常生活的各个方面，尤其是伴随着集成电路、微处理器的高速发展，各种高性能的计算机层出不穷。而嵌入式系统体积小、功耗低等特点在工业领域得到了广泛应用。一个完整的嵌入式系统既需要可靠的硬件电路，也需要合理的软件设计。对于软件设计而言，其主要目的就是驱动硬件电路，采集数据和处理数据，最终实现用户的需求。嵌入式实时软件适合应用于一些严格要求自身系统的功耗与功能的专用计算机中，它以计算机信息技术作为其中的核心基础，要有一定的可剪裁性和及时响应性，能够满足内部信号的调用和外部用户的交互^[1]。例如，在人们的日常生活中，会使用到手机以及电视等相关电子设备，对于这些设备来说，都是嵌入式实时软件构建出了它们的应用系统。通过嵌入式实时软件的有效运用，可以使整个设备系统的运行更加平稳，使得MCU、外设可以充分发挥其性能。此外，嵌入式实时软件的功能还体现在动态分配和缓存等方面。对于嵌入式实时系统而言，其核心部分是微处理器的运用，不同的微处理器所支持的操作系统、所能提供的功能不同，要根据需求选择合适的微处理器芯片。软件设计过程中要有监控设计，确保系统在正常运行，不能被异常干扰所打断，比如可以使用看门狗进行及时复位。在软件设计过程中，要综合考虑，通过多种设计减少系统运行过程中的安全隐患。

2. 嵌入式实时软件的具体应用

以微机继电保护为例，探究嵌入式实时软件设计方面的应用。

1.划分任务

嵌入式系统的应用软件要从高层面的级别和范围出发，由上到下的拆解任务、划分功能，建立完整的信号交互体系。在系统中，要以嵌入式微处理器内核为中心和关键，这样才能实现其他任务的同时进行和有效衔接。要进行合理化、针对性的设计，对嵌入式系统进行详细划分，让其通过“自己的事情自己办”的方式和方法，在整个系统中用自己的“智慧和能力”去处理解决问题，在优化升级的同时，让目标更加简化。在对嵌入式实时软件的任务划分时，必须要分析程序中哪些数据是有作用的，哪些数据是没有作用的，并从转换和执行的角度考虑，实时地将转换和分类应用到具体的任务当中。一般可以从5个方面去做考虑，即循环周期的方面、异步的方面、同步的方面、应用程序的方面和用户接口的方面。软件设计工作中做好具体的划分和分析，这是十分必要的，也是必须实施的。在这样的有机协调和配合当中，才能实现长远目标，才能发挥整体的合力，实现最大的效能。

2.加强组织任务、存储映像布局的合理性

通过嵌入式系统实时软件的有效运用，能够使计算机软件更加合理化的对存储映像实施相应的布局，从而在整体上实现对计算机软件系统结构的有效性优化。此外，在对嵌入式实时软件实施设计的时候，应该通过组织任务这种方式的充分利用，来针对计算机软件系统当中存在的数据信息实施有效性、合理性的转换。它不仅能够使计算机软件系统自身在功能性管理模式应用的需求获得满足，还能够在极大程度上使计算机在应用有效性上获得提高。

3. 应用流程

首先，分析微机继电保护的功能需求以及指标要求，在此基础上结合已有产品经验进行软件方案设计，从上到下，确定每个模块的功能以及分系统之间的调用方式，最后根据方案进行软件实现。对产品的性能要进行逐一的测试，以满足实际需求。软件代码根据实际测试结果进行及时迭代更新，直至最终形成完整的软件代码。本软件设计中将功能系统分为若干模块，以模块为基点异步开发程序，在并发执行多个任务过程中提高软件设计稳定性及综合效率，建立实时交互、安全高效硬件、软件通信体系^[2]。

4.应用重点

针对内部系统功能以任务为载体划分若干设计周期，实现系统任务异步目标，提高系统功能积极响应有效性、实时性。^[3]对于外部的交互信号和数据传输，采用定时查询或中断的方式进行处理，在定时查询时要留有时间余量，避免数据堵塞，在中断驱动中运用事件驱动形式，确保软件设计满足性能及实时性需求

^[4]。此外，对于产品进行上电自检，确定每个模块都是可以正常工作的，并且设计故障信息输出和保存模式，便于故障隔离和排故。

软件设计过程要有组织结构，通过流程图或转换图进行设计思路表达，确保软件设计过程资源共享。软件结构设计需避免硬件、软件脱离，增强软件系统实时性。任务间的边界需清晰，职责需明确，在软件程序中各任务地址唯一，基于优先级灵活调度，缩短系统对事件的响应周期^[5]。

5.实时应用与调度任务

嵌入式系统的实时性要求了软件设计必须具有一定的优先级调度，不同的信号、不同的任务应该具有不同的等级，避免信号的抢占。对于一般性的任务，要分配较低的优先级，对于MCU需要及时响应的任务给与高级别的优先级。不同的中断信号，也要安排不同的优先等级；对于共享数据要设置合理的结构，避免程序的同时读取和写入；不同的程序之间要合理的分配时间片，避免时间的冲突和误差积累，确保系统有充足的空间余量。通过合理的调度，可以提高产品的可靠性，减少故障问题出现的几率，并且也便于后续的故障隔离和问题定位，节约处理时间。

6.任务和时钟间通信

对于嵌入式系统而言，时钟是十分重要的，不同的时钟总线有不同的频率，而不同的外设又挂载在不同的时钟总线上。因此，在嵌入式系统实时软件设计中，要全面分析时钟树的相关概念，发挥时钟服务的真正价值和要求，对具体动作实行有序执行。对嵌入式实时软件系统来说，要对信号量和信号以及列队等各种相关机制进行完善，并让资源和系统任务实现同步实时，这样才能让通信的多元化要求得以满足^[6]。

结束语：

当前，嵌入式系统在人们日常生活及生产中应用广泛，并伴随着材料、电子电路等技术的提高，其产品性能也在不断发展。而实时性软件的引用又能发挥其实时性、便捷性、交互性等优势。嵌入式实时软件设计要以结构化框架、构件化框架为依托，在明晰应用情况前提下理清应用思路，找准应用重点，调配软件设计资源，在完成软件设计任务同时节约设计成本并保障软件质量，继而满足软件应用需求。

参考文献：

[1]彭雄新.计算机软件设计中嵌入式实时软件的应用探析[J].信息记录材料,2019,20(11):120-121.

[2]梁利亭.嵌入式实时软件在计算机软件设计中的探究[J].黄冈职业技术学院学报,2020,22(1):104-106.

[3]黄建钟，王平，张颖豪，等.嵌入式实时软件在计算机软件设计中的应用[J].电子技术与软件工程，2020(22)：22-23.