嵌入式系統(tǒng)
嵌入式系統(tǒng)（Embedded system）是以嵌入式處理器為核心部件以微電子技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)硬件、軟件的協(xié)同性與整合性，軟件與硬件可剪裁性，以滿足系統(tǒng)對功能、成本、體積和功耗等要求，嵌入式系統(tǒng)若以控制為目標(biāo)，亦稱嵌入式控制系統(tǒng)。用于執(zhí)行獨(dú)立功能的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它由包括微處理器、定時(shí)器、微控制器、存儲器、傳感器、網(wǎng)卡等一系列微電子芯片與器件，和嵌入在存儲器中的微型操作系統(tǒng)、控制應(yīng)用軟件組成，共同實(shí)現(xiàn)諸如實(shí)時(shí)控制、監(jiān)視、管理、移動計(jì)算、數(shù)據(jù)處理等各種自動化處理任務(wù)。
?定義概念 編輯本段
嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠根據(jù)用戶需求(功能、可靠性、成本、體積、功耗、環(huán)境等靈活裁剪軟硬件模塊的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
要點(diǎn)概括：
以應(yīng)用為中心：強(qiáng)調(diào)嵌入式系統(tǒng)的目標(biāo)是滿足用戶的特定需求。就絕大多數(shù)完整的嵌入式系統(tǒng)而言，用戶打開電源即可直接享用其功能，無需二次開發(fā)或僅需少量配置操作。
專用性：嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用場合大多對可靠性、實(shí)時(shí)性有較高要求，這就決定了服務(wù)于特定應(yīng)用的專用系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的主流模式，它并不強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的通用性和可擴(kuò)展。這種專用性通常也導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)軟硬件緊密集成的最終系統(tǒng)，因?yàn)檫@樣才能更有效地提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性并降低成本，并使之具有更好的用戶體驗(yàn)。
以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心：嵌入式系統(tǒng)的最基本支撐技術(shù)，大致上包括集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)、傳感與檢測技術(shù)、嵌入式操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)技術(shù)、資源受限系統(tǒng)的高可靠軟件開發(fā)技術(shù)、系統(tǒng)形式化規(guī)范與驗(yàn)證技術(shù)、通信技術(shù)、低功耗技術(shù)、特定應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)據(jù)分析、信號處理和控制優(yōu)化技術(shù)等，它們圍繞計(jì)算機(jī)基本原理，集成進(jìn)特定的專用設(shè)備就形成了一個(gè)嵌入式系統(tǒng)。
軟硬件可裁剪：嵌入式系統(tǒng)針對的應(yīng)用場景如此之多，并帶來差異性極大的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求(功能性能、可靠性、成本、功耗)，以至于現(xiàn)實(shí)上很難有一套方案滿足所有的系統(tǒng)要求，因此根據(jù)需求的不同，靈活裁剪軟硬件、組建符合要求的最終系統(tǒng)是嵌入式技術(shù)發(fā)展的必然技術(shù)路線。
發(fā)展歷程 編輯本段
嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有了超30年的發(fā)展歷史，20世紀(jì)70年代單片機(jī)的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)機(jī)器、通信裝置等各種產(chǎn)品可以通過內(nèi)嵌電子裝置來獲得更佳的使用性能。如更易用、更快、更便宜，這些裝置已經(jīng)初步具備了嵌入式的應(yīng)用特點(diǎn)，但是這時(shí)的應(yīng)用只是使用8位的芯片，在唯一的只讀存儲器(ROM)中執(zhí)行一些單線程的程序，無微型操作系統(tǒng)。
80年代早期，嵌入式應(yīng)用的程序員開始用商業(yè)級的“操作系統(tǒng)”編寫嵌入式應(yīng)用軟件，以獲取更短的開發(fā)周期，更低的開發(fā)費(fèi)用和更高的開發(fā)效率，可以稱得上是“嵌入式系統(tǒng)”。這個(gè)時(shí)期的操作系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)核，這個(gè)實(shí)時(shí)核包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，如任務(wù)管理、任務(wù)間通信、同步與相互排斥、中斷支持、內(nèi)存管理等功能。
90年代以后，隨著對實(shí)時(shí)性要求的提高，軟件規(guī)模不斷提升，實(shí)時(shí)核逐漸發(fā)展為實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS)，并作為一種軟件平臺逐步成為目前嵌入式系統(tǒng)的主流。復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，例如個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、手持電腦(HPC)等，具有與PC幾乎一樣的功能，許多公司看到了嵌入式系統(tǒng)的廣闊發(fā)展前景，開始大力發(fā)展嵌入式操作系統(tǒng)。比較著名的有Ready System公司的VRTX,Integrated System Incorporation(ISI)的PSOS和IMG的VxWorks,QNX公司的QNX,Plalm OS,WinCE,嵌入式Linux,Lyn,Nucleux以及國內(nèi)的Hopen,DeltaOs等嵌入式操作系統(tǒng)。
嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：
第一階段：嵌入技術(shù)的早期階段。嵌入式系統(tǒng)以功能簡單的專用計(jì)算機(jī)或單片機(jī)為核心的可編程控制器形式存在，具有監(jiān)測、伺服、設(shè)備指示等功能。這種系統(tǒng)大部分應(yīng)用于各類工業(yè)控制和飛機(jī)、導(dǎo)彈等武器裝備中。
第二階段：以高端嵌入式CPU和嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志。這--階段系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)硬件出現(xiàn)了高可靠、低功耗的嵌入式CPU，如ARM、PowerPC等，且支持操作系統(tǒng)，支持復(fù)雜應(yīng)用程序的開發(fā)和運(yùn)行。
第三階段：以芯片技術(shù)和Internet技術(shù)為標(biāo)志。微電子技術(shù)發(fā)展迅速，SOC(片上系統(tǒng))使嵌入式系統(tǒng)越來越小，功能卻越來越強(qiáng)。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)展及Internet技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等結(jié)合日益密切，嵌入式技術(shù)正在進(jìn)入快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的時(shí)期。
特點(diǎn)功能 編輯本段
嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件必須根據(jù)具體的應(yīng)用任務(wù)，以功耗、成本、體積、可靠性、處理能力等為指標(biāo)來進(jìn)行選擇。嵌入式系統(tǒng)的核心是系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，由于存儲空間有限，因而要求軟件代碼緊湊、可靠，且對實(shí)時(shí)性有嚴(yán)格要求。
從構(gòu)成上看，嵌入式系統(tǒng)是集軟硬件于一體的、可獨(dú)立工作的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；從外觀上看，嵌入式系統(tǒng)像是一個(gè)“可編程”的電子“器件”；從功能上看，它是對目標(biāo)系統(tǒng)(宿主對象)進(jìn)行控制，使其智能化的控制器。從用戶和開發(fā)人員的不同角度來看，與普通計(jì)算機(jī)相比較，嵌入式系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)。
(1)專用性強(qiáng)。由于嵌入式系統(tǒng)通常是面向某個(gè)特定應(yīng)用的，所以嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件，尤其是軟件，都是為特定用戶群設(shè)計(jì)的，通常具有某種專用性的特點(diǎn)。
(2)體積小型化。嵌入式計(jì)算機(jī)把通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于實(shí)現(xiàn)小型化，方便將嵌入式系統(tǒng)嵌入目標(biāo)系統(tǒng)中。
(3)實(shí)時(shí)性好。嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過程控制、數(shù)據(jù)采集、傳輸通信等場合，主要用來對宿主對象進(jìn)行控制，所以對嵌入式系統(tǒng)有或多或少的實(shí)時(shí)性要求。例如，對武器中的嵌入式系統(tǒng)，某些工業(yè)控制裝置中的控制系統(tǒng)等的實(shí)時(shí)性要求就極高。有些系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性要求也并不是很高，例如，近年來發(fā)展速度比較快的掌上電腦等。但總體來說，實(shí)時(shí)性是對嵌入式系統(tǒng)的普遍要求，是設(shè)計(jì)者和用戶應(yīng)重點(diǎn)考慮的一個(gè)重要指標(biāo)。
(4)可裁剪性好。從嵌入式系統(tǒng)專用性的特點(diǎn)來看，嵌入式系統(tǒng)的供應(yīng)者理應(yīng)提供各式各樣的硬件和軟件以備選用，力爭在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中更具競爭力。
(5)可靠性高。由于有些嵌入式系統(tǒng)所承擔(dān)的計(jì)算任務(wù)涉及被控產(chǎn)品的關(guān)鍵質(zhì)量、人身設(shè)備安全，甚至國家機(jī)密等重大事務(wù)，且有些嵌入式系統(tǒng)的宿主對象工作在無人值守的場合，如在危險(xiǎn)性高的工業(yè)環(huán)境和惡劣的野外環(huán)境中的監(jiān)控裝置。所以，與普通系統(tǒng)相比較，嵌入式系統(tǒng)對可靠性的要求極高。
(6)功耗低。有許多嵌入式系統(tǒng)的宿主對象是一些小型應(yīng)用系統(tǒng)，如移動電話、MP3、數(shù)碼相機(jī)等，這些設(shè)備不可能配置交流電源或容量較大的電源，因此低功耗一直是嵌入式系統(tǒng)追求的目標(biāo)。
(7)嵌入式系統(tǒng)本身不具備自我開發(fā)能力，必須借助通用計(jì)算機(jī)平臺來開發(fā)。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后，普通用戶通常沒有辦法對其中的程序或硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行。
(8)嵌入式系統(tǒng)通常采用“軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)”的方法實(shí)現(xiàn)。早期的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法經(jīng)常采用的是“硬件優(yōu)先”原則，即在只粗略估計(jì)軟件任務(wù)需求的情況下，首先進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，然后在此硬件平臺之上進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。如果采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，則一旦在測試中發(fā)現(xiàn)問題，需要對設(shè)計(jì)進(jìn)行修改時(shí)，整個(gè)設(shè)計(jì)流程將重新進(jìn)行，對成本和設(shè)計(jì)周期的影響很大。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在很大程度上依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)。20世紀(jì)90年代以來，隨著電子和芯片等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)了軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法，即使用統(tǒng)一的方法和工具對軟件和硬件進(jìn)行描述、綜合和驗(yàn)證。在系統(tǒng)目標(biāo)要求的指導(dǎo)下，通過綜合分析系統(tǒng)軟硬件功能及現(xiàn)有資源，協(xié)同設(shè)計(jì)軟硬件體系結(jié)構(gòu)，以最大限度地挖掘系統(tǒng)軟硬件能力，避免由于獨(dú)立設(shè)計(jì)軟硬件體系結(jié)構(gòu)而帶來的種種弊病，得到高性能、低代價(jià)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。
系統(tǒng)組成 編輯本段
從外部特征上看，一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，通常是一個(gè)功能完備、幾乎不依賴其他外部裝置即可獨(dú)立運(yùn)行的軟硬件集成的系統(tǒng)。如果對這樣一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行剖分的話，可以發(fā)現(xiàn)它大致可能包括這樣幾個(gè)層次，如下圖所示。
嵌入式系統(tǒng)最核心的層次是中央處理單元部分，它包含運(yùn)算器和控制器模塊，在cpu的基礎(chǔ)上進(jìn)一步配上存儲器模塊、電源模塊、復(fù)位模塊等就構(gòu)成了通常所說的最小系統(tǒng)。由于技術(shù)的進(jìn)步，集成電路生產(chǎn)商通常會把許多外設(shè)做進(jìn)同一個(gè)集成電路中，這樣在使用上更加方便，這樣一個(gè)芯片通常稱之為微控制器。在微控制器的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展電源傳感與檢測、執(zhí)行器模塊以及配套軟件并構(gòu)成一個(gè)具有特定功能的完整單元，就稱之為一個(gè)嵌入式系統(tǒng)或嵌入式應(yīng)用。
硬件結(jié)構(gòu)
1、嵌入式系統(tǒng)的核心部件
嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，相當(dāng)于PC中的中央處理器(CPU)，按組成和功能又分為嵌入式微處理器(embedded microprocessor unit,EMPU)，嵌入式微控制器(embedded microcontroller unit,EMC)，又稱單片機(jī)，嵌入式數(shù)字信號處理器( embedded digital signal processor,EDSP)和嵌入式片上系統(tǒng)(system on chip,SOC)。
常見的嵌入式微處理器架構(gòu)有ARM、X86、MIPS、PowerPC、SH、Motorola 68k、ColdFire、SPARC等，而ARM、MIPS、PowerPC是其中3種最主要的精簡指令集計(jì)算機(jī)(RISC)架構(gòu)。
2、嵌入式系統(tǒng)的周邊硬件
（1）嵌入式系統(tǒng)中必不可少的存儲器有ROM(包括EPROM、EEPROM)，隨機(jī)存取器(RAM)(包括靜態(tài)隨機(jī)存儲器SRAM，動態(tài)隨機(jī)存儲器DRAM)和快閃存儲器(flash memory)等。
（2）輸入設(shè)備，一般包括觸屏、按鍵、鍵盤、語音識別裝置等。
（3）接口與總線CPU與外部設(shè)備接口通常指的是I/O接口，它包括并行接口和串行接口。串口的典型代表是RS-232-C、RS-485和USB，以及紅外接口等。嵌入式系統(tǒng)中各部分之間的數(shù)據(jù)傳送也有各種總線，其中主要有：ISA總線、PCI總線、I2C總線、SPI總線、PC104總線、I2S總線等。
3、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺
嵌入式系統(tǒng)在開發(fā)階段，需要有硬件平臺的支持，通常嵌入式處理器的芯片廠商會提供評估版。 但由于其配置有限，往往不能滿足應(yīng)用開發(fā)的需要，所以又有一些公司推出了一些較通用的開發(fā)平臺，目前應(yīng)用最多的是ARM平臺。[1]
軟件體系
嵌入式系統(tǒng)的軟件體系是面向嵌入式系統(tǒng)特定的硬件體系和用戶要求而設(shè)計(jì)的，是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。嵌入式系統(tǒng)軟件體系和通用計(jì)算機(jī)軟件體系類似，分成驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層、中間件層和應(yīng)用層等四層，各有其特點(diǎn)。
驅(qū)動層
驅(qū)動層是直接與硬件打交道的一層，它為操作系統(tǒng)和應(yīng)用提供硬件驅(qū)動或底層核心支持。在嵌入式系統(tǒng)中，驅(qū)動程序有時(shí)也稱為板級支持包(BSP)。BSP具有在嵌入式系統(tǒng)上電后初始化系統(tǒng)的基本硬件環(huán)境的功能，基本硬件包括微處理器、存儲器、中斷控制器、DMA、定時(shí)器等。驅(qū)動層--般可以有三種類型的程序，即板級初始化程序、標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動程序和應(yīng)用驅(qū)動程序。
操作系統(tǒng)層
嵌入式系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)具有一般操作系統(tǒng)的核心功能，負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟硬件資源的分配、調(diào)度工作控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動。它仍具有嵌入式的特點(diǎn)，屬于嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded Operating System,EOS)。主流的嵌入式操作系統(tǒng)有Windows CE、Palm：OS、Linux、VxWorks.pSOS.QNX.LynxOS等。有了嵌入式操作系統(tǒng)，編寫應(yīng)用程序就更加快速、高效、穩(wěn)定。
中間件層
中間件是用于幫助和支持應(yīng)用軟件開發(fā)的軟件，通常包括數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、圖形支持及相應(yīng)開發(fā)工具等，例如：MySQL、TCP/IP、GU1等都屬于這一類軟件。
應(yīng)用層
嵌入式應(yīng)用軟件是針對特定應(yīng)用領(lǐng)域，用來實(shí)現(xiàn)用戶預(yù)期目標(biāo)的軟件。嵌入式應(yīng)用軟件和普通應(yīng)用軟件有一定的區(qū)別，它不僅要求在準(zhǔn)確性、安全性和穩(wěn)定性等方面能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，而且還要盡可能地進(jìn)行優(yōu)化，以減少對系統(tǒng)資源的消耗，降低硬件成本。嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件是最活躍的力量，每種應(yīng)用軟件均有特定的應(yīng)用背景。盡管規(guī)模較小，但專業(yè)性較強(qiáng)，所以嵌入式應(yīng)用軟件不像操作系統(tǒng)和支撐軟件那樣受制于國外產(chǎn)品，是我國嵌入式軟件的優(yōu)勢領(lǐng)域。
嵌入方式 編輯本段
嵌入式系統(tǒng)是通過把CPU嵌人目標(biāo)系統(tǒng)或被控系統(tǒng)中起作用的。但是在不同的嵌入式系統(tǒng)中，嵌入的形式和程度是各不相同的。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)和通用計(jì)算機(jī)連接關(guān)系的密切程度，嵌人形式可以分為全嵌入方式、半嵌入方式。
全嵌入方式
如果采用全嵌人方式，則嵌入式系統(tǒng)(或其核心功能)可以不依賴于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，即可單獨(dú)工作，典型實(shí)例有手機(jī)、MP4、車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)等。采用全嵌人方式的嵌入式系統(tǒng)有如下特點(diǎn)。
(1)具有獨(dú)立的處理器系統(tǒng)，且具有完整的輸入/輸出系統(tǒng)，能獨(dú)立完成系統(tǒng)的功能。
(2)高端CPU支持嵌入式操作系統(tǒng)，可以開發(fā)功能復(fù)雜的應(yīng)用程序。
(3)一般為便攜式手持式設(shè)備，其工作環(huán)境一般是無人值守、移動空間、高空或其他條件惡劣的環(huán)境。
(4)供電方式一般采用電池供電，有些情況下也可以直接采用市電220V供電，由系統(tǒng)自行設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓電路。較高端的設(shè)備往往會把兩種供電方式結(jié)合起來，讓用戶使用起來更加靈活。
(5)全嵌入方式適合任何不宜采用通用計(jì)算機(jī)的場合，如消費(fèi)電子、家用電器、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工業(yè)控制、智能儀器、戰(zhàn)場電子對抗、航天航空武器等，其應(yīng)用范圍十分廣泛。
半嵌入方式
如果采用半嵌入方式，則嵌入式系統(tǒng)(或其核心功能)需要和通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)合起來才能正常工作，典型實(shí)例有醫(yī)用B超系統(tǒng)、基于PCI卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。采用半嵌入方式的嵌入式系統(tǒng)有如下特點(diǎn)。
(1)一般沒有獨(dú)立的處理器，而是借用通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的CPU完成計(jì)算和/或控制功能；有時(shí)即使具有自己的獨(dú)立處理器，但是處理器也只是完成一些有限的特定功能，而不具備控制全部系統(tǒng)的功能。
(2)嵌入式系統(tǒng)只是整個(gè)系統(tǒng)的--部分，只能完成整個(gè)系統(tǒng)的一部分功能，而其他功能需要在通用計(jì)算機(jī)上完成。通用計(jì)算機(jī)利用自己豐富的軟件和硬件資源，提供友好的人機(jī)操作界面和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。
(3)嵌入式系統(tǒng)的功能體現(xiàn)在對前端數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行對被控對象的控制，其中的數(shù)據(jù)分析、處理和存儲等功能由通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成。
(4)嵌入式系統(tǒng)一般采用各種規(guī)范的總線形式和通用計(jì)算機(jī)相連接。典型的實(shí)例有PCI總線、USB總線等，簡單的嵌入式系統(tǒng)還可以通過串口來連接。
(5)嵌入式系統(tǒng)是作為外設(shè)連接在通用計(jì)算機(jī)上的，因此在通用計(jì)算機(jī)中一般需要提供嵌入式系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動程序。
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