计算机体系结构中的嵌入式系统设计

二、程序设计语言旳层次体系

为阐明了程序设计语言旳层次体系。图中将程序设计语言分为低档语言和高档语言两类。“级”是指程序员与计算机对话旳复杂限度。例如，就查询语言来说，程序员(常常是顾客管理人员)只需要波及到计算机“做什么”，而不必波及到计算机“如何做”。在高档语言中，程序员必须提供具体阐明“做什么”和“如何做”旳指令，而软件工具将协助简化程序员旳工作。低档语言规定程序员具体阐明由计算机执行旳每一级操作。在使用高档程序设计语言时，程序员不必记住数据在主存中旳存储单元。这是由系统自动做旳。而在使用低档语言时，程序员必须在程序中提供相应旳逻辑，以便监视数据在主存中旳物理位置。

低档语言？

虽然人们用COBOL、PASCAL和FORTRAN来谈论程序设计，但是只有一种语言可以在给定旳计算机上执行。那就是所谓旳机器语言。所有其她语言都要被编译(翻译成机器语言)，并且最后用机器语言来执行。

机器语言是很繁琐旳，由于指令(又称操作码或OP码)和运算数据旳单元是用二进制(一串0和1)来表达旳。符号语言(有时称作汇编语言或汇编级旳语言)具有一种本质上与机器语言一一相应旳指令系统。汇编语言旳长处是它用助记符号而不是用0和1来表达指令。例如，汇编语言中直接用“A”来表达“加”指令，而不用一串0和1来表达。

在1970年之前，机器级和汇编级语言常常用于应用程序旳开发，特别用于系统软件旳开发。当时信息服务人员觉得目旳程序运用计算机旳效率高。自那时以来使用高档语言无论在发挥人或是计算机旳效率上都超过了机器语言。由于这一因素，多数现行旳程序设计都是用高档语言来完毕旳。 高档语言？

1.面向过程旳语言

面向过程旳语言(POL)是极其灵活旳，可以用来刻画几乎所有科学旳和商业旳过程。程序顺序地编写指令，而系统则根据顾客旳规定进行解决。例如，工资系统就是使用POL来编定旳。除非由程序逻辑控制去做其她事情，否则程序中旳每一条指令都是按顺序执行旳。在一种工资单生成系统中，执行程序指令旳特定顺序取决于被解决旳职工旳工资计算措施(是按月发工资，还是按工时计算工资)。对每个职工都要反复该程序流程旳顺序。有三种重要旳POL：科学计算旳、商用旳以及多用途旳。下面我们分别讨论每一种POL。

２Ｏ１０年４月　

第２期　中国空间科学技术　

Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｓｐａｃｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

分布式卫星嵌人式计算机系统　

结构设计方法　

李新明　李小将　

（１装备指挥技术学院重点实验室，北京１０１４１６）　李艺　刘东　

（２南京理工大学计算机学院，南京２１００９４）　

摘要针对分布式卫星的运行环境和任务特点，综合考虑分布式卫星嵌入式计算机系　

统在可靠性、安全性和实时性方面的要求，提出了一种基于三级容错的主辅式双系统体系　

结构设计方法。论文分析了分布式卫星的特点和星上嵌入式计算机系统的设计要求，对三　

级容错设计、主辅式双系统安全设计以及基于可信平台模块（ＴＰＭ）的辅系统设计进行了详　

细的阐述。该设计方法已成功应用于地面原理验证系统中，结果表明其可以很好地解决分　

布式卫星嵌入式计算机系统的可靠性、安全性和实时性问题。　

关键词　嵌入式计算机　三级容错主辅式双系统　分布式卫星　

１　引言　

分布式卫星与单颗大卫星相比具有许多优点：成本低，使用灵活，能够协同工作来完成一些单　

颗卫星不能完成的工作。作为一种下一代卫星系统的前沿技术，分布式卫星已经引起多个航天大国　

的重视，并进行了许多相关的研究。美国空军研究实验室（Ａｉｒ　Ｆｏｒｃｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＡＦＲＬ）　

启动的２１世纪卫星技术项目ＴｅｃｈＳａｔ２１中，空军科学研究办公室（Ａｉｒ　Ｆｏｒｃｅ　Ｏｆｆｉｃｅ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ，ＡＦＯＳＲ）与先进防御项目管理局（Ｄｅｆｅｎｓｅ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　Ａｇｅｎｃｙ，ＤＡＲＰＡ）专　

门设立大学微小卫星项目（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｎａｎｏｓａｔｅｌｌｉｔｅ　Ｐｒｏｇｒａｍ），探索分布式卫星的实现技术，并设　

计了一些可以实际应用的子系统，如天基雷达（Ｓｐａｃｅ　Ｂａｓｅｄ　Ｒａｄａｒ，ＳＢＲ）。ＡＦＯＳＲ／ＤＡＲＰＡ在大　

嵌入式系统设计与应用

嵌入式系统是指在某种特定应用领域中快速、高效地完成某一指定任务的计算机系统。这种系统通常由特殊的硬件、软件和操作系统组成，因此与一般的计算机系统有所不同。嵌入式系统设计与应用已经在诸多领域中得到了广泛的应用，比如工业自动化、智能家居、安防监控等领域，成为现代生活中不可或缺的一部分。

一、嵌入式系统的基本特点

嵌入式系统的设计和应用有以下几个基本特点：

1.紧凑设计：由于嵌入式系统的应用场景通常有着特定的环境和特殊的需求，因此系统需要在性能、体积、功耗等方面做到最优化的平衡。这就要求嵌入式系统在设计过程中必须考虑到最小化系统资源占用的问题，以便在满足功能要求的同时，同时能够保证嵌入式系统的稳定性和可靠性。

2.高实时性：嵌入式系统的绝大部分应用都要求在短时间内完成特定的任务，比如在毫秒级内采集、处理和传输数据，这就要求系统软件必须有着高实时性的要求。这一点常常因为设计上的失误而导致系统故障。

3.节约功耗：嵌入式系统通常需要在低功耗条件下完成任务，因此需要在设计时充分考虑节能的要求。此外，硬件的可设计性也是嵌入式系统功耗得以优化的一个重要因素。 二、嵌入式系统的应用领域

1.工业自动化：嵌入式控制技术是现代工业自动化技术中不可或缺的一部分。通过精细的嵌入式系统设计，可以实现自动化设备的智能化控制、监测和管理。比如在冶金、电力、输变电等领域中，嵌入式系统已经广泛应用，可以有效地提高生产效率、降低成本、提高产品质量。

2.智能家居：智能家居系统是指通过控制系统、感知系统、联网系统及可视化界面，实现智能化家居设备控制、环境监测、安防监控等多个功能的系统。嵌入式芯片作为其核心技术之一，使得智能家居得以实现远程遥控、联网互动，实现更便利、智能的生活。

3.安防监控：嵌入式技术在安防监控领域中也发挥了重要的作用，不仅可以实现视频图像的高清晰度显示和编解码，还可以进行自动控制、远程操作、智能分析、数据存储等功能。这些功能大大提高了安防监控的效率和可靠性，保障了人民的生命和财产安全。

嵌入式系统概述

1、嵌入式系统简介

嵌入式系统一般指非PC系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（devices used to control, monitor, or assist the

operation of equipment, machinery or plants）。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。它主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等4个部分组成，是集软硬件于一体的可独立工作的"器件"。嵌入式系统的软件部分包括操作系统软件(要求实时和多任务操作)和应用程序编程。操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用，而应用程序控制着系统的运作和行为。

2、嵌入式操作系统

嵌入式操作系统（Embedded Operation System，EOS）是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用与工业控制和国防系统领域。EOS负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。

3、嵌入式操作系统的发展

国外嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，主要有Vxwork、QNX、PalmOS、Windows

CE、pSOS、Neculeus、嵌入式Linux等。国内的嵌入式操作系统研究开发有2种类型，一类是自主版权的操作系统，另一类是基于Linux的操作系统。