国产化嵌入式计算机系统设计分析

郭伦，李乐星，于佳慧

摘要：嵌入式计算机系统指的是任意包含的可编程计算机设备，而可穿戴计算机系统属于其中的一种应用特例，其具有可持续性、可移动性以及人机交互等特征，大大加强了和使用者之间的联系，为使用者提供通信、提醒、感知以及测量环境等诸多服务，国产化嵌入式系统能够极大地提升使用者的工作效率。文章以实现可满足计算机系统功能以及性能需求的嵌入式系统为研究目的，对嵌入式计算机系统的构成、国产化嵌入式系统软硬件设计与系统I/O结构进行了简述，并进一步探讨了国产化嵌入式计算机系统设计与研究工作。

关键词：嵌入式计算机系统;国产化;设计分析

中图分类号：TP391      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）34-0119-02

可穿戴计算机系统指的是微型个人移动嵌入式计算机系统，可实现人机密切结合，具备传统计算机所不具备的功能与交互方式，并且被广泛应用于诸多领域当中，如军事方面，其可实现信息数据的快速获取与处理，在通信方面也有众多优势。其对社会的发展具有重要的现实意义，当前国内可穿戴计算机相关研究起步比较晚，依然处于发展阶段，整体水平落后。嵌入式系统以计算机技术和软硬件为基础，适用于系统对功能、成本、体积、可靠性、功耗严格要求的计算机系统。近年来，随着微电子工艺技术的不断提升，集成电路制造领域逐渐将嵌入式应用所需的微处理器I/O接口、A/D、转换串行接口以及ROM、RAM集成到VLSI当中，并制造出微控制器，即单片机。并且逐渐被广泛应用于各个领域当中，针对各项不同应用的实际需求，不断改进与优化工艺技术，提升运行速度和效率，降低功耗。

1 国产化嵌入式计算机系统构成及处理器

1.1 国产化嵌入式计算机系统的构成

嵌入式计算机系统一般情况下，被广泛应用于特殊化且需要满足特性要求的计算机设备功能应用当中，这也使得嵌入式计算机系统结构更加丰富多样化，当前嵌入式计算机系统主要分为两种。即以电子技术为核心主体的应用类型，该应用模式软、硬件具有随意性特征，缺乏计算机设计方法，只适合于应用比较少的嵌入式系统软硬件，具有电子系统设计特点。还有一种是随着近年来互联网与电子终端的普及，网络、通信技术步入了高速发展阶段，处理器芯片设计与制造技术也在快速的进步，市场与人们的需求不断增加，也使得嵌入式系统被逐渐应用到网络、通信、多媒体等多个领域当中。通过分析与总结不难发现，当前嵌入式计算机系统整体结构主要包含以下几个部分。首先是被应用于嵌入式计算机功能控制的系统，针对具体应用的不同，应当选择适用于特定嵌入式系统的功能控制程序或者嵌入式操作系统。单进程功能控制程序功能相对更加单一化，大多数都是定制的，并且应用于更加简单的应用控制当中，嵌入式操作系统则被应用于各种不同类型微处理器当中，且具有良好兼容性与扩展性，同时还支持网络、多任务、目录管理以及用户界面等多项功能，开发应用程序也相对更加简单，具有丰富嵌入式应用软件。其次是以存储器以及处理器为核心，也是嵌入式计算机系统的重要核心部分，其直接决定嵌入式计算机系统的功能、结构与性能。再者是针对实际需求选择基本输入/输出、多媒体以及控制通信接口[1]。

1.2 嵌入式系统开发方式

（1）开发复杂程度

各类多媒体与通信设备、家电等復杂系统都是需要比较强大的微处理器去完成数据的实时处理。如当前比较常见的手机需要具备多屏显示、网页浏览以及信息发送、查找等多项功能，很多摄像机也具备数据压缩、自动识别以及自动化智能处理等功能，需增加DSP功能，电话交换机采用多处理器结构。

（2）开发形式和手段

随着开发对象越来越复杂，硬件与软件设计占比也在逐渐发生改变，软件开发占比不断增加，系统设计越来越复杂，不能由一个设计师去完成软硬件的设计，而需要团队分工合作去完成。从而推动了开发形式及工具的发展，特别是硬件、软件协同设计及相关管理技术、嵌入式系统设计工具与技术手段也得到了迅速的发展。

（3）开发平台

随着人们的需求不断发生改变，为了提升时效，以往的设计模式逐渐改变，被采用具有IP产品所替代，从而极大地推进了标准实时操作系统以及调试技术的快速发展。因为32位架构的MPU资源非常丰富，且指令集庞大，系统软件也更加复杂化，系统在多任务情况下，会选择RTOS当作开发平台，对多任务进行调度。系统需要连接INTERNET网，如果采用的是支持TCP/IP协议的嵌入式操作系统，就能够大幅度降低复杂多任务系统开发难度。

（4）开发语言

从8/16位微处理器逐渐朝着32位转换过程中，其使用的软件开发语言也会逐渐发生改变，以往微处理器并没有太多性能冗余，软件编写也适用于其处理功能，所以，软件开发更多的是应用于语言编写。8/16微处理器采用的是高等级语言编程，之后再转换成机器语言执行，但是以往编译效率不高，运行效率大幅度下降，其本身的处理速度也比较有限，随着对微处理器性能不断提升，高级语言的应用范围也越来越广。

2 国产化嵌入式计算机系统的设计分析

2.1 嵌入式可穿戴计算机特点及功能

可穿戴计算机由主机完成整个系统的信息处理、计算以及系统资源控制，可穿戴计算机功能和结构更多受任务复杂性、可选择部件以及设备系统设计思想等诸多方面因素影响。对可穿戴计算机主体制定任务以及对计算能力进行了综合分析，从而进一步确定系统设计目标，设计更为适合的嵌入式计算机系统。其不只是将计算机微型化，而是将人机紧密结合在一起，促使人的大脑得到有效扩充和延伸，从而增强了智能性，弱化了“人操作机器”，完成了极大的转变。为了有效实现以上目标，计算机应当具备以下特点：可移动或者是运动状态下可使用，可进行有效控制，功能丰富，且具备可持续性。从计算机特征来看，我们也能够总结出可穿戴计算机应当具备轻型化、低能耗以及丰富外设接口等特点，针对系统特点，选择符合以上特点的选材与设计方案[2]。

2.2 网络通信功能

可穿戴计算机系统应当具备网络通信远程信息获取能力，只有这样才能够完成机器辅助人的使命，因为其具备移动性，无线网络是非常重要的通信手段。当前无线网络技术无法实现高速数据传输，可以保留有线网络接口，从而便于在需要情况下，获取高速的信息数据。在多层次通信协议当中，由CPU负责链路层及以上通信协议，包含数据信息的拷贝、拆分重组及校验。

2.3 加密与解密功能

因为可穿戴计算机需要与无线网络互连，在这个执行过程中，很容易会受到干扰、攻击以及监测，因此，保密也是关键问题，可充分利用可穿戴计算机加密解密程序去实现，包含通讯任务以及关键信息等。常见的手法有：IDEA、DES、RSA等，对于可靠性整体要求大幅度提升，加密运算量也大幅度提升，DES算法复杂度也发生了巨大变化。

2.4 多媒体处理功能

在很多的应用场合环境下，要求可穿戴计算机系统具备良好的文字、声音以及图像等多种处理能力，因此，也对计算机处理能力提出了更高的要求，多媒体很多时候是以庞大数据流为基础。当前常用的媒体数据压缩方式是从时域到频域变换，如DCT变换，再辅以游程码以及运动补偿方法，时域与频域变化计算非常可观，运动图像压缩计算量远远超过以上计算量[3]。

2.5 嵌入式可穿戴计算机主机性能分析

2.5.1 计算能力分析

通过以上分析，能够得出可穿戴计算机主机必须完成的各类基本任务当中，多媒体信息处理以及通信数据加密解密的整体计算量最大，而语音传输在多媒体信息处理过程中，具有实时性特点，采集获取的语音信号经过解压缩之后延迟较小，且不会影响信号质量。运动图像必须要保障视频具有连续性特点，且数据压缩率也能够最大程度上保障在一定宽带条件环境下将数据进行正常传输。可穿戴计算机系统设计应当具备比较强的多媒体处理综合能力，尤其是极端能力备受关注，这也是选择处理器过程中重点考虑的因素，而S3C2410A便能够完全满足该要求[4]。

2.5.2 储存能力分析

为了保障系统的信息处理能力满足实际要求，仅仅靠着比较强的CPU显然是不够的，存储器的重要性也是非常突出的，速度与容量适当的内存，能够最大程度上发挥计算机处理器的综合处理能力。就目前可穿戴计算机系统的整体发展趋势来看，储存量也随着处理能力逐渐增大，并且当前的可穿戴计算机不再采用传统PC机当中的IDE硬盘，由FLASH存储器或体积更小的硬盘驱动器取代。如东芝公司的1.8英寸硬盘等，存储器种类以及容量会涉及目标确定以及操作系统选择等多方面因素的影响。可穿戴計算机应用环境下，最大程度上减少存储器当中占用空间以及消耗的功耗，面对庞大的数据存储量，Flash存储器显然已经无法满足，在具体设计环节中，可采用ATA接口2.5英寸硬盘存储系统数据，采用低容量Flash存储系统的启动代码[5]。

3 结束语

近年来，国产化嵌入式计算机系统设计与研究成为热点，而基于嵌入式操作系统uCLinux软件开发也逐渐受到了人们的广泛关注。文章通过对嵌入式计算机系统的特点、发展趋势以及处理器的不同应用环境进行了分析，并进一步探讨了嵌入式可穿戴计算机的具体性能要求以及关键技术。针对嵌入式可穿戴计算机的实际需求以及不同处理器的特点，选择了嵌入式处理器S3C2410A，并给出了基于S3C2410A的I/O设备与接口模块设计，实现了基于嵌入式操作系统uCLinux的可穿戴计算机演示系统，充分运用硬件系统各项功能模块，满足系统验证的目的，也为国产化嵌入式操作系统的研发及其应用打下了良好的基础。

参考文献：

[1] 姜广顺，金芮芃，曹佩武，等.遥码通信系统的反设计和国产化研究[J].兵工自动化，2016，35（10）：1-3，16.

[2]乔磊， 杨桦， 刘波，等. 国产化空间飞行器嵌入式操作系统研究与设计[C]// 中国宇航学会. 中国宇航学会，广西北海：中国宇航学会计算机应用专业委员会2011年度技术交流会，2011：243-248.

[3] 范成，李芳芳，范祥华，等.基于国产化软硬件平台的指控系统软件设计[C]//2014第二届中国指挥控制大会论文集.北京，2014：174-177.

[4] 周海力，朱达书，刘冲，等.基于PC104结构的龙芯1A嵌入式控制模块设计[J].测控技术，2017，36（10）：98-101，121.

[5] 李钊，李文新，金田.基于BM3803的操作系统移植和应用研究[J].雷达科学与技术，2016，14（3）：311-316，323.

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