嵌入式系統(tǒng)概念

嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介

嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)特征

嵌入式系統(tǒng)1系統(tǒng) 系統(tǒng)是一種根據(jù)固定的計(jì)劃、程序或者規(guī)則進(jìn)行工作、組織或者執(zhí)行一項(xiàng)或多項(xiàng)任務(wù)的方式。系統(tǒng)也是一種工作安排方法，其所有單元能夠按照一定的計(jì)劃或者程序裝配在一起，共同完成工作任務(wù)。《基于HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》

嵌入式系統(tǒng)2嵌入式系統(tǒng)

《ComputersasComponents——PrinciplesofEmbeddedComputingSystemDesign》一書中指出：什么是嵌入式計(jì)算系統(tǒng)？如果不嚴(yán)格地定義，它是任何一個(gè)包含可編程計(jì)算機(jī)的設(shè)備，但是它本身卻不是一個(gè)通用計(jì)算機(jī)?！痘贖CS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》嵌入式系統(tǒng)2嵌入式系統(tǒng)

《EmbeddedMicrocontrollers》一書作者認(rèn)為：嵌入式系統(tǒng)是一種電子系統(tǒng)，它包含微處理器或者微控制器，但是我們不認(rèn)為它們是計(jì)算機(jī)——計(jì)算機(jī)隱藏或者嵌入在系統(tǒng)中?！痘贖CS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》嵌入式系統(tǒng)2嵌入式系統(tǒng) 英國電機(jī)工程師協(xié)會(huì)定義：嵌入式系統(tǒng)是控制、監(jiān)視或輔助某個(gè)設(shè)備、機(jī)器甚至工廠運(yùn)行的設(shè)備。它具備4個(gè)特征：①用來執(zhí)行特定的功能；②以微型計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備構(gòu)成核心；③具有嚴(yán)格的時(shí)序與穩(wěn)定度；④全自動(dòng)操作循環(huán)工作?！痘贖CS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》嵌入式系統(tǒng)2嵌入式系統(tǒng) 還可以用以下文字總結(jié)嵌入式系統(tǒng)的概念：嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，有計(jì)算機(jī)功能但又不稱為計(jì)算機(jī)的設(shè)備，它以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁減，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。簡(jiǎn)單地說，嵌入式系統(tǒng)集系統(tǒng)的應(yīng)用軟件和硬件于一體，類似于PC中BIOS的工作方式，具有軟件代碼小、高度自動(dòng)化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，特別適合于要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)的體系。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成，它是可獨(dú)立工作的“機(jī)器”或“器件”?！痘贖CS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》嵌入式系統(tǒng)2嵌入式系統(tǒng)基本架構(gòu)

圖1.1嵌入式系統(tǒng)的基本架構(gòu)嵌入式系統(tǒng)特征1

系統(tǒng)內(nèi)核小由于嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置的，系統(tǒng)資源相對(duì)有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。比如ENEA公司的OSE分布式系統(tǒng)，內(nèi)核只有5K，而Windows的內(nèi)核則要大得多。嵌入式系統(tǒng)特征2專用性強(qiáng)嵌入式系統(tǒng)的個(gè)性化很強(qiáng)，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對(duì)硬件進(jìn)行系統(tǒng)的移植。即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進(jìn)行修改。同時(shí)針對(duì)不同的任務(wù)，往往需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行較大更改，程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結(jié)合，這種修改和通用軟件的“升級(jí)”是完全不同的概念。嵌入式系統(tǒng)特征3系統(tǒng)精簡(jiǎn)嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的明顯區(qū)分，不要求其功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)上過于復(fù)雜，這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，同時(shí)也利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全。嵌入式系統(tǒng)特征4高實(shí)時(shí)性這是嵌入式軟件的基本要求，而且軟件要求固態(tài)存儲(chǔ)，以提高速度。軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性、實(shí)時(shí)性。嵌入式系統(tǒng)特征5嵌入式軟件開發(fā)走向標(biāo)準(zhǔn)化嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運(yùn)行。為了合理地調(diào)度多任務(wù)、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTOS（Real－TimeOperatingSystem）開發(fā)平臺(tái)，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，并減少開發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。《基于HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》嵌入式系統(tǒng)特征1

系統(tǒng)內(nèi)核小由于嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置的，系統(tǒng)資源相對(duì)有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。比如ENEA公司的OSE分布式系統(tǒng)，內(nèi)核只有5K，而Windows的內(nèi)核則要大得多。《基于HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》嵌入式系統(tǒng)3嵌入式系統(tǒng)的分類中型嵌入式系統(tǒng)中型嵌入式系統(tǒng)采用一個(gè)16位或者32位的微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）或者精簡(jiǎn)指令集（RISC）計(jì)算機(jī)等設(shè)計(jì)，硬件和軟件復(fù)雜度都比較大。對(duì)于復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)，可以使用如下的編程工具：RTOS、源代碼設(shè)計(jì)工具、模擬器、調(diào)試器和集成開發(fā)環(huán)境（IDE）等，軟件工具往往還提供了硬件復(fù)雜性的解決和分析方法。《基于HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》嵌入式系統(tǒng)3嵌入式系統(tǒng)的分類復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的軟件和硬件都非常復(fù)雜，需要可升級(jí)的處理器或者可配置的處理器和可編程邏輯陣列（如FPGA、CPLD等器件）。它們用于邊緣應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，需要硬件和軟件協(xié)同設(shè)計(jì)，并且都集成到最終的系統(tǒng)中，然而它們又受到硬件單元所提供的處理速度、存儲(chǔ)器等資源的限制。為了解決時(shí)間問題，提高系統(tǒng)運(yùn)行速度，可以在硬件中實(shí)現(xiàn)一部分軟件功能，例如加密和解密算法、TCP/IP協(xié)議棧和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序等功能。當(dāng)然，系統(tǒng)中某些硬件資源的功能模塊同樣也可以用軟件來實(shí)現(xiàn)。這些系統(tǒng)的開發(fā)工具一般十分昂貴，有時(shí)還需要為這些系統(tǒng)開發(fā)編譯器或者重定目標(biāo)的編譯器等?！痘贖CS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》嵌入式系統(tǒng)硬件

嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般具備4個(gè)特點(diǎn)：對(duì)實(shí)時(shí)和多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度；具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)也有利于軟件診斷；可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以便能夠迅速地?cái)U(kuò)展?jié)M足應(yīng)用的高性能的嵌入式微處理器；嵌入式微處理器的功耗要求必須很低，尤其是用于便攜式的無線及移動(dòng)的計(jì)算和通信設(shè)備，對(duì)于靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，功耗往往為mW甚至mW級(jí)?！痘贖CS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》嵌入式系統(tǒng)硬件1嵌入式微處理器微處理器是一個(gè)集中取址和處理一組通用指令的單元。任何一個(gè)CPU必須包括一個(gè)控制單元和一個(gè)ALU單元。而嵌入式微處理器采用的是“增強(qiáng)型”通用微處理器。由于嵌入式系統(tǒng)通常應(yīng)用于環(huán)境比較惡劣的環(huán)境中，因而嵌入式微處理器在工作溫度、電磁兼容性以及可靠性方面的要求較通用的標(biāo)準(zhǔn)微處理器高。根據(jù)實(shí)際嵌入式應(yīng)用要求，將嵌入式微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的主板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的主板功能，這樣可以大幅度地減小系統(tǒng)的體積和功耗。和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器組成的系統(tǒng)具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，但在其電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、必要的外設(shè)等器件。由嵌入式微處理器及其存儲(chǔ)器、總線、外設(shè)等器件安裝在一塊電路主板上而構(gòu)成的系統(tǒng)，就是通常所說的單板機(jī)系統(tǒng)。嵌入式微處理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等?！痘贖CS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》嵌入式系統(tǒng)硬件2嵌入式微控制器嵌入式微控制器又稱為單片機(jī)，它將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某種微處理器內(nèi)核為核心，根據(jù)某些典型的應(yīng)用，在芯片內(nèi)部集成了ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各種必要功能部件和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，對(duì)功能的設(shè)置和外設(shè)的配置進(jìn)行必要的修改和裁減定制，使得一個(gè)系列的單片機(jī)具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都相同，主要的不同在于存儲(chǔ)器、外設(shè)的配置和功能的設(shè)置等方面。這樣可以使單片機(jī)最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，從而減少整個(gè)系統(tǒng)的功耗和成本。《基于HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》嵌入式系統(tǒng)硬件3嵌入式DSP處理器在數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用中，各種數(shù)字信號(hào)處理算法往往相當(dāng)復(fù)雜，一般結(jié)構(gòu)的處理器無法實(shí)時(shí)地完成這些運(yùn)算功能。由于DSP處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)，使其特別適合進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理。在數(shù)字濾波、FFT（快速傅里葉變換）、譜分析等方面，DSP算法正大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正逐步從通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器有兩類：①DSP處理器經(jīng)過單片化、EMC（電磁兼容性）改造、增加片上外設(shè)成為嵌入式DSP處理器，TI的TMS320C2000/C5000等屬于此范疇；②在通用單片機(jī)或SOC中增加DSP協(xié)處理器，例如Intel的MCS-296和Infineon的TriCore系列?！痘贖CS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》嵌入式系統(tǒng)硬件3嵌入式片上系統(tǒng)隨著EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）的推廣和大規(guī)模集成電路（LargeScaleIntegratedCircuit，VLSI）設(shè)計(jì)的普及化，以及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，可以在一塊硅片上集成實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的系統(tǒng)，這就產(chǎn)生了SOC技術(shù)。各種通用處理器內(nèi)核可以作為SOC設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫，而嵌入式系統(tǒng)外設(shè)也成為了VLSI設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)器件，可以通過標(biāo)準(zhǔn)的VHDL、Verilog等硬件語言描述保存在器件庫中，供用戶設(shè)計(jì)選擇使用。用戶根據(jù)需求定義應(yīng)用系統(tǒng)，通過開發(fā)工具仿真、調(diào)試、驗(yàn)證設(shè)計(jì)出的應(yīng)用系統(tǒng)后，就可以將設(shè)計(jì)文檔等資料提交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除某些無法集成的功能器件以外，整個(gè)嵌入式系統(tǒng)功能模塊的實(shí)現(xiàn)均可集成到一塊或幾塊芯片中，應(yīng)用系統(tǒng)電路板設(shè)計(jì)將變得越來越簡(jiǎn)潔，這對(duì)于減小整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的體積和功耗、提高可靠性等方面都非常有利?！痘贖CS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》嵌入式系統(tǒng)軟件

軟件是系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的一部分，是嵌入式系統(tǒng)的核心。嵌入式系統(tǒng)需要開發(fā)給定系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，處理器執(zhí)行指令代碼和處理數(shù)據(jù)，有效、準(zhǔn)確地完成指定工作任務(wù)。在設(shè)計(jì)的最后階段，這些指令代碼和相關(guān)數(shù)據(jù)被放置到存儲(chǔ)器中，用于執(zhí)行完成相應(yīng)的工作。目前，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件開發(fā)都會(huì)使用高級(jí)語言，例如C、C++和JAVA等，其中C語言選用得最多?！痘贖CS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng)（包括硬、軟件系統(tǒng)）設(shè)計(jì)的重要組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，如能夠有效管理越來越復(fù)雜的系統(tǒng)資源；能夠硬件虛擬化，使得開發(fā)人員從復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)程序移植和維護(hù)中解脫出來；能夠提供庫函數(shù)、驅(qū)動(dòng)程序、工具集以及應(yīng)用程序等。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面具有更為突出的特點(diǎn)?！痘贖CS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》嵌入式操作系統(tǒng)1嵌入式操作系統(tǒng)的種類一般情況下，嵌入式操作系統(tǒng)可以分為兩類，一類是面向控制、通信等領(lǐng)域的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如WindRiver公司的VxWorks、ISI的pSOS、QNX系統(tǒng)軟件公司的QNX、ATI的Nucleus等；另一類是面向消費(fèi)電子產(chǎn)品的非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，這類產(chǎn)品包括個(gè)人數(shù)字助理（PDA）、移動(dòng)電話、機(jī)頂盒、電子書、WebPhone等。《基于HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》嵌入式操作系統(tǒng)2嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展嵌入式操作系統(tǒng)伴隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了4個(gè)階段。第一階段是無操作系統(tǒng)的嵌入算法階段，是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)，同時(shí)具有與監(jiān)測(cè)、伺服、指示設(shè)備相配合的功能。第二階段是以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、以簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。第三階段是通用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段，是以嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。第四階段是以基于Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)，這是一個(gè)正在迅速發(fā)展的階段。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于Internet之外，但隨著Internet的發(fā)展以及Internet技術(shù)與信息家電、