1、1嵌入式系统论 文专 业 班 级 ：计算机科学与技术 08-2 学 生 姓 名 ： 徐晓明 学 号 ： 200801050429 2概述嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。它具有以下特点：1、与应用密切相关 嵌入式系统作为机器或设备的组成部分，与具体的应用密切相关。2、实时性 嵌入式系统必须在实时方式下工作，若在规定的时间内某一请求得不到处理或者处理没有结束，可能会带来严重的后果。3、复杂的算法 对不同的应用，嵌入式系统有不同的算法。4、制造成本 在某些情况下，制造成本决定了含有嵌入式系统的设
2、备或产品能否在市场上被成功地销售。5、功耗 许多嵌入式系统采用电池供电，因此对功耗有严格的要求。6、开发和调试 必须有相应的开发环境、开发工具和调试工具，才能进行开发和调试。7、可靠性 嵌入式系统应该能够可靠地运行，比如能在规定的温度、湿度环境下连续运行、有一定的抗干扰能力。8、体积 嵌入式系统一般都要求体积尽可能地小。嵌入式系统的应用非常广泛，在以下领域中均有应用：家庭中的数字电视、机顶盒、DVD、超级 VCD 智能手机等办公室中的复印机、打印机、扫描仪、键盘等手持设备：MP3、GPS 手机、数码相机、数码摄像机等汽车电子产品：时速、发动机转速和油量的信号采集与数字显示设备，行驶状态和故障记
3、录的数字设备，电子地图、导航、车载 GPS 和无线上网设备等。军事、航空和航天领域中的设备，如美国的 F16 战斗机、FA18 战斗机等。其他领域，如工业控制和仪器仪表、通信、网络、移动计算、机器人等。目前嵌入式系统的发展已日渐成熟。32 位的处理器也正在被逐渐广泛应用，现在仍大量应用的是 8 位和 16 位的微处理器。嵌入式微处理器分为四类：嵌入式微控制器，嵌入式数字信号处理器，嵌入式微处理器，嵌入式片上系统。基于 ARM 系列处理器核的微处理器目前占据了 32 位 RISC 微处理器 75%以上的市场份额，是使用最为广泛的微处理器。MIPS 也是一种处理器的内核标准，具有良好的可扩展性，并
4、且能够满足超低功耗微处理器的要求。Power PC 是一种品种较多应用也比较广泛的处理器。另外，Intel 公司的嵌入式微处理器 Geode SPISC10、Motororla 公司的 68xxx、Compaq 公司的 Alpha 等嵌入式微处理器也有着广泛的应用。随着计算机技术、信息技术和数据技术的发展，嵌入式系统的将向着更加小、更快速、功耗更低以及互联网的方向发展。3嵌入式系统发展历史目前，在嵌入式系统应用领域中，但是这个概念并非新近才出现。从世纪七十年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器，微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近年的发展历史。嵌入式系统诞生于微型机时代，嵌入式系
5、统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去，这些是理解嵌入式系统的基本出发点。由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制，因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。 而嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路，这条独立发展的道路就是单芯片化道路。它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士，接过起源于计算机领域的嵌入式系统
6、，承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务，迅速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代。在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处器、处围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统的组成一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接
7、受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。执行装置可以很简单，如手机上的一个微4小型的电机，当手机处于震动接收状态时打开；也可以很复杂，如智能机器狗，上面集成了多个微上控制电机和多种传感器，从而可以执行各种复杂的动作和感受种状态信息。下面对嵌入式计算机系统的组成进行介绍。一、 硬件层硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash 等） 、通用设备接口和 I/O 接口（A/D、D/A、I/O 等） 。在一嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在中。二、 中间层硬件层与软件层之间为中
8、间层，也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer,HAL）或者板级支持包（Board Support Package,BSP） ，它半系统上层软件与底层硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据 BSP 层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。实际上,BSP 是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。设计一个完整的 BSP 需要完成两部分工作：嵌入工系统的硬件初始化的 BSP 功能，设计硬件相关的设备驱动。三、 系
9、统软件层系统软件层由实时多任务操作系统（Real-time Operation System,RTOS） 、文件系统、图形用户接口(Graphic User Interface,GUI)、网络系统及通用组件模块组成。RTOS 是嵌入式应用软件的基础和开发平台。嵌入式系统的主要应用嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括：工业控5制、交通管理、信息家电、家庭智能系统、POS 网络及电子商务、环境工程与自然、机器人。这些应用中，可以着重于在控制方面的应用。就远程家电控制而言，除了开发出支持 TCP/IP 的嵌入系统之外，家电产品控制协议也需要制订和统一，这需要家电生产厂家来做。同样
10、的道理，所有基于网络的远程控制协议也需要与嵌入式系统之间实现接口，然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实现控制。所以，开发和探试嵌入式系统有着十分重要的意义。相对于其他的领域，机电产品可以说是嵌入式系统应用最典型最广泛的领域之一。从最初的单片机以现在的工控机、SOC 在种机电产品中均有着巨大的市场。工业设备是机电产品中最大的一类，在目前的工业控制设备中，工控机的使用非常广泛，这些工控机一般采用的是工业级的处理器和各种设备，其中以X86 的 MPU 最多。家电行业是嵌入式应用的另一大行业，我们传统的电视，电冰箱当然其中也嵌有处理器，但是这些处理器只是在控制方面应用。而现在只有按钮、开关的电器显然已
11、经不能满足人们的日常需求，具有用户界面，能远程控制，智能管理的电器是未来的发展趋势。到我们身边。嵌入式微处理器的的种类嵌入式微处理器的核心是嵌入微处理器，嵌入式微处理器与通用 CPU 最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将通用 CPU 许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯.诺依曼体系或哈佛体系结构；指令系统可以选用精简指令系统（Redyced Instryction Set Computer,RISC）和复杂指令系统 CISC (Complex instr
12、uction Set Computer,CISC)。RSIC 计算机在通道中只包含最有用的指令。确保数据通道快速执行每一条指令，从而提高了执行效率并使用 CPU 硬件结构设计变得更为简单。嵌入式微处理器有各种不同的体系统，即使在同一体系中也可能具有不同6的时钟频率和数据总宽度，或集成了不同的外设和接口。据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理器已经超过 1000 多种，体系结构有 30 多个系列，其中主流的体系有 ARM、MIPS、PowerPC、X86 和 SH 等。但与全球 PC 市场不同的是，没有一种嵌入式微处理器可以主导市场，仅以 32 位的产品而言，就有 100 种以的嵌入式微处理器。嵌
13、入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。嵌入式系统的发展现状和发展趋势随着信息化，智能化，网络化发展，嵌入式系统技术也将获得广阔发展空间。美国著名未来学家尼葛洛庞帝 99 年 1 月访华时预言，45 年后嵌入式智能（电脑）工具将是 PC 和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系统专家沈绪榜院士 98 年 11 月在武汉全国第 11 次微机学术交流会发表的计算机的发展与技术一文中，对未来 10 年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述和展望。1999 年世界电子产品产值已超过 12000 亿美元，2000 年达到13000 亿美元。信息时代，数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契
14、机，为嵌入式市场展现了美好的前景，同时也地嵌入式生产厂商提出了新的挑战，从中我们可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势；一、 嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。二、 网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高，使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂三、 网络互联成为必然趋势。未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网络通信接口。四、 精简系统内核，算法，降低功耗和软硬件成本。五、 提供友好的多媒体人机界面。嵌入式设备能与用户亲密
15、接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面。7嵌入式系统的分类、特点和作用由于嵌入系统由硬件和软件两大部分组，所以其分类也可以从硬件和软件进行划分。从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分，而目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过 1000 种，流行体系结构包括 MCU，MPU 等 30 多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导体制造商都大规模生产嵌入式处理器，并且公司自主设计处理器也已经成为了未来嵌入式领域的一大趋势，其中从单片机、DSP 到 FPGA 有若各式各样的品种上，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。目前嵌入式处理的寻址空间
16、可以从 64KB 到 16MB，处理速度最快可以达到 2000MIPS,封装从个引脚到 144 个引脚个不等。从软件方面划分，主要可以依据操作系统的类型。目前嵌入式系统的软件主要有两大类：实时系统和分时系统。其中实时系统又分为两类：硬实时系统和软实时系统。实时嵌入系统是为执行特定功能而设计的，可以来严格的按时序执行功能。其最大的特征就是程序的执行具有确定性。在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务，会导致系统的全面失败，则系统被称为硬实时系统。而在软实时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命错误。一个硬实时系统往往在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯
17、片，而软实时系统则主要在软件方面通过编程实现时限的管理。比如Windows CE 就是一个多任备置分时系统，而 Ucos-II 则是典型的实时操作系统。当然，除了上述分类之外，还有许多其他分类方法，比如从应用方面分为工业应用和消费电子等，在这里就不一一累述了。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下 4个特点；一、 对实时任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。8二、 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大存储区保
18、护功能，同时也有利于软件诊断。三、 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。四、 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有 nW 甚至 uW 级。而嵌入式系统的重要特征则是如下：一、 系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如 Enea 公司的 OSE分布式系统，内核只有 5K，而 Windows 的内核？简直没有可比性。二、 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系
19、统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全两个概念。三、 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。四、 高实时性的系统软件（OS）是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存领教，以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。五、 嵌入软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为
20、了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配 RTOS(Real-Time Operation System)开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。六、 嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自举开发能力，9即使调设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。七、 学习体会嵌入
21、式系统设计是综合性比较强的学科，由于以前基础不扎实，对一些理论不是很清晰，尤其是软件编程方面，因此遇到了不少问题。课堂上，经过老师的讲解后，对嵌入式系统有了一定的认识，对以前学过的知识也有了回顾，掌握了一些新知识。嵌入式系统设计实验对我有点难度，虽然了同学的程序，对各个模块也有了一定的了解。在老师指导下，对硬件原理有了较深的理解，学到了一些基本的实际操作技能。随着高新技术的飞速发展，我觉得嵌入式系统的发展会越来越好，朝着更小更可靠更便宜的方向发展，在未来的诸多领域都将会有广泛的应用。通过嵌入式设计的学习和实验，对我最大的启发是，即使你基础不好，只要肯努力就会有收获的，有付出就会有回报，所以永远不要放弃努力，放弃自己。最后，感谢老师一学期的辛勤教导，带给我们一个难忘的嵌入式系统设计课！参考文献：嵌入式处理器分类与现状 吕京建 肖海桥DSP 发展应用纵横谈 戴 敏
