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嵌入式系统已经广泛应用于各个科技领域和日常生活的每个角落,由于其本身的特性,使得我们很难发现它的存在。甚至一些从事嵌入式系统开发的科技人员也只知单片机,不知道嵌入式系统。本节从嵌入式系统的定义开始,阐述嵌入式系统的含义、特点等,以使读者加深对嵌入式系统的理解。
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嵌入式系统设计基础
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什么是嵌入式系统(EmbeddedSystem)?
广义地讲,凡是不用于通用目的的可编程计算机设备,就可以算是嵌入式计算机系统。举例来说,个人计算机(PC)不是一种嵌入式系统,因为它是用于通用目的的系统。而一些系统就是采用个人计算机技术建立的嵌入式计算机系统,最典型的嵌入式系统如手机、可视等;另外还有一些嵌入式系统采用特殊的微处理器,如机、打印机等。
狭义上而言,嵌入式系统是指以应用为核心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。一般嵌入式系统的设计过程是:从产品定义开始,接着进行硬件设计,然后将软件或操作系统移植到硬件上,并且进行应用程序的开发,最后经过测试与调试后即开始销售或使用。
根据英国电机工程师协会所做的定义“嵌入式系统是控制、监视或辅助某个设备、机器甚至工厂运行的设备”,嵌入式系统应该具备以下4个特性:
执行特定的功能;
以微处理器与外围设备构成核心;
需要严格的时序与稳定性;
全自动操作。
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由上述可知,嵌入式系统是计算机软件与硬件的综合体,整个综合体的设计目的在于满足某种特殊功能,并应用于各类具体的应用系统中,例如,实验仪器、办公设备、医疗设备甚至航天设备,等等。
由于对嵌入式系统含义的理解因人而异,所以不同的书籍对嵌入式系统的定义也不尽相同。下面给出了一些文献中对嵌入式系统的定义:
“ComputerasComponents–PrinciplesofEmbeddedComputingSystemDesign”一书的作者WayneWolf认为:“什么是嵌入式计算系统?如果不严格地定义,它是任何一个包含可编程计算机的设备,但是它本身却不是一个通用计算机。”
“EmbeddedMicrocontrollers”:“嵌入式系统是一种电子系统,它包含微处理器或者微控制器,但是我们不认为它是计算机——计算机隐藏或者嵌入在系统中。”
“EmbeddedSoftwarePrimer”:“人们使用嵌入式系统这个术语,指的是隐藏在任一产品中的计算机系统。”
“AnIntroductiontotheDesignofSmallScaleEmbeddedSystemwithexamplefromPIC,80C51and68HC05/08Microcontrollers”一书的作者TimWilmshurst认为:“嵌入式系统是这样一个系统,它的首要功能并不是计算,而是受嵌入其中的计算机控制的一个系统。‘嵌入’暗示了它存在于整个系统中,从外部观察不到,形成了更大整体的一个完整部分。”
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可以看出,虽然各种书籍对嵌入式系统的定义稍有差异,但是基本的思想和理解是相同的。我们可以从以下几个方面来理解嵌入式系统的含义:
嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的,必须与具体应用相结合才会具有生命力。正因为与具体应用的紧密结合,嵌入式系统才具有很强的专用性。
嵌入式系统将先进的半导体技术、计算机技术和电子技术,以及各个行业的具体应用相结合,是一个技术密集、资金密集、学科交叉和不断创新的知识集成系统。
由于嵌入式系统必须根据应用需要对硬件和软件进行裁剪,以满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗的要求。
因此,嵌入式系统的开发难度比较大,技术门槛较高。比较好的开发模式是:首先建立相对通用的硬件和软件基础,然后针对具体的应用做最少量的软硬件改动。
由上述可以看出,嵌入式系统是一个外延极广的概念,凡是与产品结合在一起的、具有嵌入式系统特点的系统都可以称为嵌入式系统。
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嵌入式系统的组成
复位及振荡电路
处理器
定时器
ROM
RAM
串行口
中断控制
并口
输入/输出设备接口及驱动电路
系统专用电路

嵌入式系统一般有3个主要的组成部分:
硬件。。其中,处理器是系统的运算核心;存储器(ROM、RAM)用来保存可执行代码,以及中间结果;输入输出设备完成与系统外部的信息交换;其他部分辅助系统完成功能。
应用软件。应用软件是完成系统功能的主要软件,它可以由单独的一个任务来实现,也可以由多个并行的任务来实现。
实时操作系统(Real-TimeOperatingSystem,RTOS)。该系统用来管理应用软件,并提供一种机制,使得处理器分时地执行各个任务并完成一定的时限要求。
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嵌入式系统的关键在于结合系统硬件电路与其特定的软件,以达到系统运行性能成本的最高比。系统中硬件的设计包括微处理器及存储器电路的设计、网络功能设计、无线通信设计及接口电路设计,等等;而嵌入式软件则专门负责硬件电路的驱动、控制处理,以提升硬件产品的价值,是硬件产品不可或缺的重要部分,它常以固件(Firmware)的形式出现,如控制或驱动程序等。
由于嵌入式系统领域的硬件、软件种类繁多,产品研发需要适应多种不同硬件与软件的组合。为了克服多样化,现在的研发方式多以平台化设计(Platform-BasedDesign,PBD)为主。平台化设计的基本思路是,以某一种基础的硬件与软件参考设计(referencedesign)为平台,自行加上额外所需要的硬件与软件,以适应多样化的产品需求,而不必每款产品都从头设计。这种设计方式可以缩短研发进程,加速产品的上市时间。这样的参考设计平台大多会由微处理器制造公司提供,例如,Intel、三星、Motorola等厂商提供微处理器的参考设计电路,以及建议的外围设备布局,包括内存、基本I/O甚至包括LCD控制接口、IDE设备接口,等等,并且配合某一款操作系统,例如,Linux、WinCE,以及相应的软件源代码。将这样的组合包以授权的方式提供给产品开发厂商来开发产品,一般这样的组合包称为“板级支持包”(BoardSupportPackage,BSP)。
由于嵌入式系统的硬件强调的不是执行速度而是功能稳定,因此硬件设计方面的技术瓶颈并不高;反而在软件组件方面,强调系统集成及友善的用户界面。随着网络与无线通信的发展需要,软件组件的发展更加重要。未来的软件开发将逐渐由现在的简易窗口与低速通信,向高速通信与多样化的用户界面发展。
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嵌入式系统的特点
作为专用计算机系统的嵌入式系统与通用计算机系统相比,具有以下几个重要特征:
嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中,它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点。
嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计,量体裁衣、去除冗余,力争在同样的硅片面积上实现更高的性能,这样才能完成功能、可靠性和功耗的苛刻要求。
实时操作系统支持。嵌入式系统的应用程序可以不需要操作系统的支持直接运行,但是为了合理地调度多任务,充分利用系统资源,用户必须自行选配实时操作系统开发平台。
嵌入式系统与具体应用有机地结合在一起,它的升级换代也是和具体产品同步进行的,因此嵌入式系统产品一旦进入市场,具有较长的生命周期。
嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中。
专门开发工具支持。嵌入式系统本身不具备自主开发能力,即使在设计完成以后,用户通常也不能对程序功能进行修改,必须有一套开发工具和环境才能进行开发。
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嵌入式系统的应用
MIT的DavidClark首次提出的“后PC时代”(post-PCera)一词,指出个人计算机提供的只是在这个过渡时期的解决方案,而非最佳的方式,最终发展的应用将不会停留在桌面上的个人计算机,而是从桌面上蔓延下来,进入用户的日常生活中。从技术层面来讲,将来的嵌入式系统应用将向软硬件系统集成、SOC设计、应用程序,以及内容服务这几个方面发展。
系统:嵌入式操作系统
除了老牌嵌入式操作系统厂商VxWORKs、QNX、Nucleus等之外,新兴的主要竞争产品有PalmOS、WindowsCE、Linux等。其中EmbeddedLinux操作系统因为免费授权的特性,已经被很多国际型厂商采用。
集成式芯片:SOC
“系统单芯片”(System-On-Chip,SOC)研究的领域包括创新系统设计、系统平台建立,以及相关硅知识产权(SiliconIntellectualProperty,SIP)的设计、验证与集成等。
应用软件
嵌入式软件一般可以分为客户端的应用软件和服务器端的集成软件。服务器端的软件较为单一,客户端由于应用领域广泛,开发出的软件也是多种多样的。
服务
由于嵌入式产品的便携性,以及消费类电子产品输入输出的多媒体化,再加上嵌入式产品与网络的紧密结合,嵌入式产品相关的增值服务变得更加重要。
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嵌入式系统的发展
嵌入式系统的发展与通用计算机技术的发展密不可分,但是又有着自己独立发展的道路。由于应用目标的不同,使得这两种体系的发展方向有所不同。
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。由于嵌入式计算机系统要嵌入到目标体系中,实现的是对目标的智能化控制,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。嵌入式系统的技术发展方向是与目标系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。
Intel公司于1971年推出有史以来第一个4位微处理器4004,接着德州仪器与国家半导体公司也随后推出各自的4位微处理器。1974年Intel公司又推出了8位微处理器芯片8080,随后Zilog公司的Z-80、国家半导体公司的NSC800及Intel公司的8085等相继问世。
第一个商品化的16位嵌入式系统微处理器是德州仪器公司所推出的9940,因为它的功能少,而且指令集贫乏,并未引起很大的注意。大家比较熟悉的16位微处理器产品是Intel公司所开发的8086微处理器及Motorola公司所开发的68000微处理器。当时IBM所推出的个人计算机即是采用8086作为数据处理及控制核心。
通用微处理器沿着8086/8088、80286、80386、80486、Pentium、PentiumII、PentiumIII、Pentium4的线路发展,主频从十几MHz到现在的3GHz,字长也从8086的16位发展到了现在AMD64和PentiumD的64位。整体微型计算机的运算能力和存储能力都实现了海量的增长。
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