嵌入式系統(tǒng)的分類及應(yīng)用

1、NlNGXIA UNIVERSITY課程設(shè)計(jì)（2011 屆）題目嵌入式系統(tǒng)的分類及應(yīng)用學(xué)院數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院專 業(yè)軟件工程年 級(jí) 2007 級(jí)學(xué)生學(xué)號(hào) 12007242575學(xué)生姓名 劉 慧 玲 指導(dǎo)教師 門 光 福2010年12月12日嵌入式系統(tǒng)的分類及應(yīng)用【摘 要】：嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域,已深入到社會(huì)的各個(gè)方面。本文首先介紹了嵌入式系統(tǒng)的分類，然后對(duì)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了闡述。關(guān)鍵詞：嵌入式計(jì)算機(jī)；嵌入式系統(tǒng)；嵌入式分類；嵌入式應(yīng)用、引言嵌入式系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的一種應(yīng)用形式， 此類計(jì)算機(jī)一般不被設(shè)備使用者在意， 亦稱埋藏 式計(jì)算機(jī)，典型機(jī)種如微控制器、微處理器和DSP等。嵌

2、入式系統(tǒng)是指作為某種技術(shù)過(guò)程 的一核心處理環(huán)節(jié)，能直接與現(xiàn)實(shí)環(huán)境接口或交互的信息處理系統(tǒng)。在這種應(yīng)用環(huán)境中，信息處理系統(tǒng)處于嵌入式工作狀態(tài)，即實(shí)時(shí)就緒與環(huán)互動(dòng)，即實(shí)時(shí)工作方式，其典型例子如 PC 在工業(yè)過(guò)程控制或?qū)嶒?yàn)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。二、嵌入式系統(tǒng)的分類嵌人式系統(tǒng)(Embedded Systems)被定義為：以應(yīng)用為中心、 以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、 適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、 體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。目前，嵌入式系統(tǒng)根據(jù)不同領(lǐng)域分為不同的嵌入式系統(tǒng)：1. 按嵌入式處理器的位數(shù)分類1)4位嵌入式系統(tǒng)：目前已大量應(yīng)用2)8位嵌入式系統(tǒng)：目前已大量應(yīng)用3)16位嵌入式系統(tǒng)

3、目前已大量應(yīng)用4)32位嵌入式系統(tǒng)正成為主流發(fā)展趨勢(shì)5)64位嵌入式系統(tǒng)高度復(fù)雜的、高速的嵌入式系統(tǒng)已開(kāi)始采用2.按應(yīng)用分類可以分為：信息家電類、移動(dòng)終端類、通信類、汽車類和工業(yè)控制類。如圖所示:圖一嵌入式按應(yīng)用分類3. 按速度分類1）強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在毫秒或微秒級(jí)。2）一般實(shí)時(shí)系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在幾秒的數(shù)量級(jí)上，其實(shí)時(shí)性的要求比強(qiáng)實(shí)時(shí) 系統(tǒng)要差一些。3）弱實(shí)時(shí)系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約為數(shù)十秒或更長(zhǎng)。這種系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間可能隨 系統(tǒng)負(fù)載的輕重而變化。4. 按確定性分類根據(jù)確定性的強(qiáng)弱，可將嵌入式系統(tǒng)分為硬實(shí)時(shí)、軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)：1）硬實(shí)時(shí)：系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格的要求，如果系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不能

4、滿足，就 要引起系統(tǒng)崩潰或致命的錯(cuò)誤。2）軟實(shí)時(shí)：系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有要求，但是如果系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不能滿足，不會(huì) 導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)致命的錯(cuò)誤或崩潰。5. 按嵌入式系統(tǒng)軟件復(fù)雜程度分類1）循環(huán)輪詢系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于簡(jiǎn)單的系統(tǒng)而言，便于編程和理解；沒(méi)有中斷的機(jī)制，程序運(yùn)行良 好，不會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)的問(wèn)題。缺點(diǎn)：有限的應(yīng)用領(lǐng)域；對(duì)于大量的I/O服務(wù)的應(yīng)用，不容易實(shí)現(xiàn)；大的程序 不便于調(diào)試。應(yīng)用領(lǐng)域：適合于慢速和非?？焖俚暮?jiǎn)單系統(tǒng)2）前后臺(tái)系統(tǒng)前后臺(tái)系統(tǒng)是中斷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一種：后臺(tái)是一個(gè)循環(huán)輪詢系統(tǒng)一直在運(yùn)行；前 臺(tái)是由一些中斷處理過(guò)程組成的；當(dāng)有一前臺(tái)事件 （外部事件）發(fā)生時(shí)，引起中斷，進(jìn) 行前臺(tái)處理，處理完成后又回

5、到后臺(tái)（通常又稱主程序）。需要考慮的是中斷的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和恢復(fù)，中斷嵌套，中斷處理過(guò)程與主程序的協(xié)調(diào)（共享資源）冋題。系統(tǒng)的性能主要由中斷延遲時(shí)間（Interrupt latency time）,響應(yīng)時(shí)間（response time） 和恢復(fù)時(shí)間（recovery time）來(lái)刻畫。3）單處理器多任務(wù)系統(tǒng)在什么情況下采用？對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)：（1）當(dāng)采用中斷處理程序加一個(gè)后臺(tái)主程 序這種軟件結(jié)構(gòu)難以實(shí)時(shí)的、準(zhǔn)確的、可靠的完成時(shí)；（2）存在一些互不相關(guān)的過(guò)程需要在一個(gè)計(jì)算機(jī)中同時(shí)處理時(shí)，需要采用實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)由多個(gè)任務(wù)，多個(gè)中斷處理過(guò)程，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)組成的有機(jī)的整體。每個(gè)任務(wù)是順

6、序執(zhí)行的，并行性通過(guò)操作系統(tǒng)來(lái)完成，任務(wù)間的相互通信和同 步也需要操作系統(tǒng)的支持。多任務(wù)系統(tǒng)：多個(gè)順序執(zhí)行的程序并行運(yùn)行。宏觀上看，所有的程序同時(shí)運(yùn)行， 每個(gè)程序運(yùn)行在自己獨(dú)立的 CPU上。實(shí)際上，不同的程序是共享同一個(gè) CPU和其 它硬件。因此，需要 RTOS來(lái)對(duì)這些共享的設(shè)備和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。每個(gè)程序都被編 制成無(wú)限循環(huán)的程序，等待特定的輸入，執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)等。這種程序模型將系統(tǒng) 分成相對(duì)簡(jiǎn)單的，相互合作的模塊。優(yōu)點(diǎn)a將復(fù)雜的系統(tǒng)分解為相對(duì)獨(dú)立的多個(gè)線程，達(dá)到分而制之”的目的，從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。b保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。c系統(tǒng)的模塊化好，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。缺點(diǎn)a需要采用一些新的軟件設(shè)計(jì)方法。

7、b需要增加功能：線程間的協(xié)調(diào)，同步和通信功能。c需要對(duì)每一個(gè)共享資源互斥。d導(dǎo)致線程間的競(jìng)爭(zhēng)。e需要使用RTOS，RTOS要增加系統(tǒng)的開(kāi)銷。4）多處理器多任務(wù)系統(tǒng)多任務(wù)可運(yùn)行在多個(gè)處理器上，由操作系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度，處理。宏觀上看是并發(fā) 的，微觀上看也是并發(fā)的。多處理機(jī)系統(tǒng)分為緊耦合系統(tǒng)（tightly-coupled system）和松耦合系統(tǒng) （loosely-coupled system）兩種。多處理多任務(wù)系統(tǒng)目前還不成熟。三、嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域常說(shuō)的嵌入式應(yīng)用就是將這類系統(tǒng)嵌入各種設(shè)備及應(yīng)用產(chǎn)品內(nèi)部的計(jì)算機(jī)應(yīng)用，相應(yīng)的設(shè)備（產(chǎn)品）稱之為嵌入式設(shè)備（產(chǎn)品）。嵌入式計(jì)算機(jī)在應(yīng)用數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了

8、各種通用計(jì)算機(jī) ，一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備中 就包含了 5-10個(gè)嵌入式微處理器，嵌入式系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于消費(fèi)電子、通信、汽車、國(guó)防、 航空航天、工業(yè)控制、儀表、辦公自動(dòng)化等領(lǐng)域。圖二所示。據(jù)歐盟的統(tǒng)計(jì)：-2003年全球大概有80億片嵌入式微處理器，到 2010年，預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到160億片，地 球上的人平均擁有3個(gè)嵌入式微處理器；-在航空電子中，嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)成本占整個(gè)飛機(jī)研制成本的50%;對(duì)于汽車工業(yè)，汽車電子在整車價(jià)值中的比例逐年提高，將從1997年的20%提升到2010年的33-40%;-消費(fèi)電子數(shù)量越來(lái)越大，據(jù)預(yù)測(cè)，到2010年，僅數(shù)字家庭在美國(guó)的銷售額就將達(dá)到2000億歐元。無(wú)處不在的計(jì)

9、算機(jī)是計(jì) 算機(jī)與使用者的比率達(dá) 到和超過(guò)100: 1的階段無(wú)處不在的計(jì)算機(jī)包括 通用計(jì)算機(jī)和嵌入式計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)在100: 1比例中95%以上 都是嵌入式計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)，并非通用計(jì)算機(jī)嵌入式設(shè)備無(wú)處不在、 但桌面系統(tǒng)還依然有用圖二嵌入式設(shè)備無(wú)處不在1.消費(fèi)電子領(lǐng)域隨著技術(shù)的發(fā)展，消費(fèi)電子產(chǎn)品正向數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展：高清晰度數(shù)字電視將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬電視，數(shù)碼相機(jī)將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的膠片相機(jī)，固定電話今后會(huì)被ip電話所替代，各種家用電器（電視機(jī)、冰箱、微波爐、電話等）將通過(guò)家庭通信、控制中心與In ternet 連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、信息交互、網(wǎng)上娛樂(lè)、遠(yuǎn)程醫(yī)療和遠(yuǎn)程教育等，轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芫W(wǎng)絡(luò) 家電。2. 通信

10、領(lǐng)域通信領(lǐng)域大量應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)，主要包括程控交換機(jī)、路由器、IP交換機(jī)、傳輸設(shè)備等。據(jù)預(yù)測(cè)，由于互聯(lián)的需要，特別是寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，出現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如：ADSLModem/Router等，其數(shù)量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它們基于32位的嵌入式系統(tǒng)、價(jià)格低廉，將為企業(yè)、家庭提供更為廉價(jià)的、方便的、多樣的網(wǎng)絡(luò)方案。就寬帶上網(wǎng)的 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備ADSL Router而言，國(guó)外現(xiàn)在每月需要600K的數(shù)量。3. 工控、汽車電子、仿真、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域隨著工業(yè)、汽車、醫(yī)療衛(wèi)生等各部門對(duì)智能控制需求的不斷增長(zhǎng)，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行 智能化、數(shù)字化改造，為嵌入式系統(tǒng)提供了很大的市場(chǎng)。就汽車電子系統(tǒng)而言，目前的大多數(shù)高檔轎車每輛擁有約 50個(gè)嵌入式微處理器。如 BMW 7系列轎車，則平均安裝有 63個(gè)嵌入式微處理器。據(jù)預(yù)測(cè)，21世紀(jì)初美國(guó)接入 In ternet的汽車將有一億輛，屆時(shí)這些系統(tǒng)將成為所有新型轎車的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。4. 國(guó)防、航空航天領(lǐng)域雷達(dá)、電子對(duì)抗、坦克、戰(zhàn)艦；航天器（火箭、衛(wèi)星、航天飛機(jī)等）；飛機(jī)（民用和軍用飛機(jī)）。四、結(jié)束語(yǔ)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、 微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類社會(huì)正逐步進(jìn)入后 PC時(shí) 代，嵌入式系統(tǒng)根據(jù)不同領(lǐng)域可以分層不同類的嵌入式系統(tǒng)，以及嵌入式系統(tǒng)軟件在軍事、 民用等方面有著廣泛的應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)在不斷解決現(xiàn)有問(wèn)題的同時(shí)，也在向更深的方向發(fā)展和應(yīng)用，而且，以其越