21世紀(jì)的嵌入式系統(tǒng)綜述

1、21世紀(jì)的嵌入式系統(tǒng)綜述摘要：本文根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，對計(jì)算機(jī)分類提出了嵌入式計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī)的新定義，總結(jié)了嵌入式系統(tǒng)工業(yè)及其開發(fā)的特點(diǎn)，概括了嵌入式處理器的發(fā)展及現(xiàn)狀。實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS)已成為嵌入式系統(tǒng)的熱點(diǎn)，本文對RTOS及其與嵌入式開發(fā)的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)討論，提出了當(dāng)前中國嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用行業(yè)面臨的困惑和挑戰(zhàn)以及建立嵌入式應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的設(shè)想。關(guān)鍵詞：嵌入式軟件工業(yè)，嵌入式系統(tǒng)，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS)1、計(jì)算機(jī)工業(yè)的分類以往我們按照計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)算速度、結(jié)構(gòu)規(guī)模、適用領(lǐng)域，將其分為大型計(jì)算機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微型計(jì)算機(jī)，并以此來組織學(xué)科和產(chǎn)業(yè)分工，這種分類沿襲了約40年。

2、近10年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，實(shí)際情況產(chǎn)生了根本性的變化，例如70年代末定義的微計(jì)算機(jī)演變出來的個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)，如今已經(jīng)占據(jù)了全球計(jì)算機(jī)工業(yè)的90%市場，其處理速度也超過了當(dāng)年大、中型計(jì)算機(jī)的定義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品對其它行業(yè)的廣泛滲透，以應(yīng)用為中心的分類方法變得更為切合實(shí)際，也就是按計(jì)算機(jī)的嵌入式應(yīng)用和非嵌入式應(yīng)用將其分為嵌入式計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī)。通用計(jì)算機(jī)具有計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)，通過裝配不同的應(yīng)用軟件，以類同面目出現(xiàn)并應(yīng)用在社會的各個(gè)方面，其典型產(chǎn)品為PC；而嵌入式計(jì)算機(jī)則是以嵌入式系統(tǒng)的形式隱藏在各種裝置、產(chǎn)品和系統(tǒng)中。2、嵌入式系統(tǒng)(Embedded Systems)嵌入式系

3、統(tǒng)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)。嵌入式計(jì)算機(jī)在應(yīng)用數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用計(jì)算機(jī)，一臺通用計(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，鍵盤、鼠標(biāo)、軟驅(qū)、硬盤、顯示卡、顯示器、Modem、網(wǎng)卡、聲卡、打印機(jī)、掃描儀、數(shù)字相機(jī)、USB集線器等均是由嵌入式處理器控制的。在制造工業(yè)、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等方面均是嵌入式計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點(diǎn)就決定了它必然是

4、一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。今天嵌入式系統(tǒng)帶來的工業(yè)年產(chǎn)值已超過了1萬億美元，1997年來自美國嵌入式系統(tǒng)大會(EmbeddedSystemConference)的報(bào)告指出，未來5年僅基于嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全數(shù)字電視產(chǎn)品，就將在美國產(chǎn)生一個(gè)每年1500億美元的新市場。美國汽車大王福特公司的高級經(jīng)理也曾宣稱，"福特出售的'計(jì)算能力'已超過了IBM"，由此可以想見嵌入式計(jì)算機(jī)工業(yè)的規(guī)模和廣度。1998年11月在美國加州圣*何塞舉行的嵌入式系統(tǒng)大會上，基于RTOS的Embedded Internet成為一個(gè)技術(shù)新熱點(diǎn)。美國著名未來學(xué)家

5、尼葛洛龐帝99年1月訪華時(shí)預(yù)言，45年后嵌入式智能(電腦)工具將是PC和因特網(wǎng)之后最偉大的發(fā)明。我國著名嵌入式系統(tǒng)專家沈緒榜院士98年11月在武漢全國第11次微機(jī)學(xué)術(shù)交流會上發(fā)表的計(jì)算機(jī)的發(fā)展與技術(shù)一文中，對未來10年以嵌入式芯片為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)工業(yè)進(jìn)行了科學(xué)的闡述和展望。文中，對未來10年以嵌入式芯片為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)工業(yè)進(jìn)行了科學(xué)的闡述和展望。3、嵌入式系統(tǒng)工業(yè)(Embedded System Industry,ESI)的特點(diǎn)和要求3.1嵌入式系統(tǒng)工業(yè)是不可壟斷的高度分散的工業(yè)從某種意義上來說，通用計(jì)算機(jī)行業(yè)的技術(shù)是壟斷的。占整個(gè)計(jì)算機(jī)行業(yè)90%的PC產(chǎn)業(yè)，80%采用Intel的x86體系結(jié)構(gòu)，

6、芯片基本上出自Intel，AMD，Cyrix等幾家公司。在幾乎每臺計(jì)算機(jī)必備的操作系統(tǒng)和文字處理器方面，Microsoft的Windows及Word占80%-90%，憑借操作系統(tǒng)還可以搭配其它應(yīng)用程序。因此當(dāng)代的通用計(jì)算機(jī)工業(yè)的基礎(chǔ)被認(rèn)為是由Wintel(Microsoft和Intel在90年代初建立的聯(lián)盟)壟斷的工業(yè)。嵌入式系統(tǒng)則不同，它是一個(gè)分散的工業(yè)，充滿了競爭、機(jī)遇與創(chuàng)新，沒有哪一個(gè)系列的處理器和操作系統(tǒng)能夠壟斷全部市場。即便在體系結(jié)構(gòu)上存在著主流，但各不相同的應(yīng)用領(lǐng)域決定了不可能有少數(shù)公司、少數(shù)產(chǎn)品壟斷全部市場。因此嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的產(chǎn)品和技術(shù)，必然是高度分散的，留給各個(gè)行業(yè)的中小規(guī)模

7、高技術(shù)公司的創(chuàng)新余地很大。另外，社會上的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是在不斷向前發(fā)展的，要求其中的嵌入式處理器核心也同步發(fā)展，這也構(gòu)成了推動嵌入式工業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大動力。嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的基礎(chǔ)是以應(yīng)用為中心的"芯片"設(shè)計(jì)和面向應(yīng)用的軟件產(chǎn)品開發(fā)。3.2嵌入式系統(tǒng)具有的產(chǎn)品特征嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，如果獨(dú)立于應(yīng)用自行發(fā)展，則會失去市場。嵌入式處理器的功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面均受到應(yīng)用要求的制約，這些也是各個(gè)半導(dǎo)體廠商之間競爭的熱點(diǎn)。和通用計(jì)算機(jī)不同，嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的

8、性能，這樣才能在具體應(yīng)用對處理器的選擇面前更具有競爭力。嵌入式處理器要針對用戶的具體需求，對芯片配置進(jìn)行裁剪和添加才能達(dá)到理想的性能；但同時(shí)還受用戶訂貨量的制約。因此不同的處理器面向的用戶是不一樣的，可能是一般用戶，行業(yè)用戶或單一用戶。嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場，具有較長的生命周期。嵌入式系統(tǒng)中的軟件，一般都固化在只讀存儲器中，而不是以磁盤為載體，可以隨意更換，所以嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件生命周期也和嵌入式產(chǎn)品一樣長。另外，各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)和產(chǎn)品，和通用計(jì)算機(jī)軟件不同，很少發(fā)生突然性的跳躍，嵌入式系統(tǒng)中的軟件也因此更強(qiáng)

9、調(diào)可繼承性和技術(shù)銜接性，發(fā)展比較穩(wěn)定。嵌入式處理器的發(fā)展也體現(xiàn)出穩(wěn)定性，一個(gè)體系一般要存在8-10年的時(shí)間。一個(gè)體系結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的片上外設(shè)、開發(fā)工具、庫函數(shù)、嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品是一套復(fù)雜的知識系統(tǒng)，用戶和半導(dǎo)體廠商都不會輕易地放棄一種處理器。3.3嵌入式系統(tǒng)軟件的特征嵌入式處理器的應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，對嵌入式處理器系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的要求也和通用計(jì)算機(jī)有所不同。(1)軟件要求固態(tài)化存儲為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機(jī)本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。(2)軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性盡管半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使處理器速度不斷提高、片上存儲器容量不

10、斷增加，但在大多數(shù)應(yīng)用中，存儲空間仍然是寶貴的，還存在實(shí)時(shí)性的要求。為此要求程序編寫和編譯工具的質(zhì)量要高，以減少程序二進(jìn)制代碼長度、提高執(zhí)行速度。(3)系統(tǒng)軟件(OS)的高實(shí)時(shí)性是基本要求在多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)中，對重要性各不相同的任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧的合理調(diào)度是保證每個(gè)任務(wù)及時(shí)執(zhí)行的關(guān)鍵，單純通過提高處理器速度是無法完成和沒有效率的，這種任務(wù)調(diào)度只能由優(yōu)化編寫的系統(tǒng)軟件來完成，因此系統(tǒng)軟件的高實(shí)時(shí)性是基本要求。(4)多任務(wù)操作系統(tǒng)是知識集成的平臺和走向工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化道路的基礎(chǔ)3.4嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境通用計(jì)算機(jī)具有完善的人機(jī)接口界面，在上面增加一些開發(fā)應(yīng)用程序和環(huán)境即可進(jìn)行對自身的開發(fā)。而嵌

11、入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，即使設(shè)計(jì)完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進(jìn)行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計(jì)算機(jī)上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。3.5嵌入式系統(tǒng)軟件需要RTOS開發(fā)平臺通用計(jì)算機(jī)具有完善的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序接口(API)，是計(jì)算機(jī)基本組成不可分離的一部分，應(yīng)用程序的開發(fā)以及完成后的軟件都在OS平臺上面運(yùn)行，一般不是實(shí)時(shí)的。嵌入式系統(tǒng)則不同，應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運(yùn)行；但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及庫函數(shù)接口，用戶必須自行選配RTOS開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、

12、可靠性，并減少開發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。3.6嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員以應(yīng)用專家為主通用計(jì)算機(jī)的開發(fā)人員一般是計(jì)算機(jī)科學(xué)或計(jì)算機(jī)工程方面的專業(yè)人士，而嵌入式系統(tǒng)則是要和各個(gè)不同行業(yè)的應(yīng)用相結(jié)合的，要求更多的計(jì)算機(jī)以外的專業(yè)知識，其開發(fā)人員往往是各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的專家。因此開發(fā)工具的易學(xué)、易用、可靠、高效是基本要求。結(jié)束語中國的單片機(jī)應(yīng)用和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)走過了15年的歷程，有超過10萬名從事單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的工程師，但95%以上是35個(gè)人的小組以孤軍奮戰(zhàn)的封閉方式開發(fā)幾乎不可重用的軟件。今天面對的是嵌入式系統(tǒng)工業(yè)化的潮流，如果我們不能認(rèn)清嵌入式軟件必須以工業(yè)化的方式生產(chǎn)開發(fā)，不理解在短時(shí)間內(nèi)裝配集成"

13、;數(shù)百人年"嵌入式產(chǎn)品軟件庫固化于芯片之中的方法，那么我們將失去更多"上游"產(chǎn)品的市場機(jī)遇；反之在我國大力推動和建設(shè)"嵌入式軟件工廠"，使我國的嵌入式軟件庫(零件)產(chǎn)品化并溶入國際市場，對加速知識創(chuàng)新和建立面向21世紀(jì)的知識經(jīng)濟(jì)具有戰(zhàn)略意義。我們在此希望通過中文網(wǎng)址與各位長期探可靠性，并減少開發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。嵌入式處理器分類與現(xiàn)狀嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，目前據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個(gè)系列，其中8051體系的占有多半。生產(chǎn)8051單片機(jī)的半導(dǎo)體廠家有20多個(gè)，

14、共350多種衍生產(chǎn)品，僅Philips就有近100種?，F(xiàn)在幾乎每個(gè)半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器,越來越多的公司有自己的處理器設(shè)計(jì)部門。嵌入式處理器的尋址空間一般從64KB到16-32MB，處理速度從0.1MIPS到2000MIPS，常用封裝從8個(gè)引腳到144個(gè)引腳。根據(jù)其現(xiàn)狀，嵌入式計(jì)算機(jī)可以分成下面幾類。1、嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit,EMPU)嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器

15、雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本是一樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強(qiáng)。和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設(shè)等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術(shù)保密性也較差。嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設(shè)等安裝在一塊電路板上，稱為單板計(jì)算機(jī)。如STD-BUS、PC104等。近年來，德國、日本的一些公司又開發(fā)出了類似"火柴盒"式名片大小的嵌入式計(jì)算機(jī)系列OEM產(chǎn)品。嵌入式處理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、M

16、IPS、ARM系列等。2、嵌入式微控制器(Microcontroller Unit,MCU)嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，顧名思義，就是將整個(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一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個(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)核都是一樣的，不同的是存儲器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使單片機(jī)最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和

17、成本。和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外還有許多半通用系列如：支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70%的市場份額。特別

18、值得注意的是近年來提供X86微處理器的著名廠商AMD公司，將Am186CC/CH/CU等嵌入式處理器稱之為Microcontroller,MOTOROLA公司把以Power PC為基礎(chǔ)的PPC505和PPC555亦列入單片機(jī)行列。TI公司亦將其TMS320C2XXX系列DSP做為MCU進(jìn)行推廣。3、嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor,EDSP)DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正從在通用單片機(jī)中以普

19、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處理器有兩個(gè)發(fā)展來源，一是DSP處理器經(jīng)過單片化、EMC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；二是在通用單片機(jī)或SOC中增加DSP協(xié)處理器，例如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore。推動嵌入式DSP處理器發(fā)展的另一個(gè)因素是嵌入式系統(tǒng)的智能化，例如各種帶有智能邏輯的消費(fèi)類產(chǎn)品，生物信息識別終端，帶有加解密算法的鍵盤，ADSL接入、實(shí)時(shí)語音壓解系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實(shí)顯示等。這類智能化算法一般都是運(yùn)算量較大，特別是向量運(yùn)算、指針線性尋址等較多，而這些正是DSP處理器

20、的長處所在。嵌入式DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列，移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經(jīng)發(fā)展成為DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個(gè)不同系列的處理器。另外PHILIPS公司今年也推出了基于可重置度朧?SP結(jié)構(gòu)低成本、低功耗技術(shù)上制造的R.E.A.L DSP處理器，特點(diǎn)是具備雙Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加單元，應(yīng)用目標(biāo)是大批量消費(fèi)類產(chǎn)品。4、嵌入式片上系統(tǒng)(S

21、ystem On Chip)隨著EDI的推廣和VLSI設(shè)計(jì)的普及化，及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)的時(shí)代已來臨，這就是System On Chip(SOC)。各種通用處理器內(nèi)核將作為SOC設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為VLSI設(shè)計(jì)中一種標(biāo)準(zhǔn)的器件，用標(biāo)準(zhǔn)的VHDL等語言描述，存儲在器件庫中。用戶只需定義出其整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(shè)計(jì)圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除個(gè)別無法集成的器件以外，整個(gè)嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。SOC可以分為通用和專用兩類。通

22、用系列包括Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SOC一般專用于某個(gè)或某類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。一個(gè)有代表性的產(chǎn)品是Philips的SmartXA，它將XA單片機(jī)內(nèi)核和支持超過2048位復(fù)雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個(gè)可加載JAVA或C語言的專用的SOC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如Internet安全方面。嵌入式處理器開發(fā)工具嵌入式處理器是一個(gè)復(fù)雜的高技術(shù)系統(tǒng),要在短時(shí)間內(nèi)掌握并開發(fā)出所有功能是很不容易的,而市場競爭則要求產(chǎn)品能夠快速上市,這一矛盾要求嵌入式處理器能夠

23、有容易掌握和使用的開發(fā)工具平臺。提高用戶和程序員的時(shí)間-投入回報(bào)率。從事嵌入式開發(fā)的往往是非計(jì)算機(jī)專業(yè)人士,面對成百上千種處理器,選擇是一個(gè)問題，學(xué)習(xí)掌握處理器結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用更需要時(shí)間,因此以開發(fā)工具和技術(shù)咨詢?yōu)榛A(chǔ)的整體解決方案是迫切需要的。好的開發(fā)工具除能夠開發(fā)出處理器的全部功能以外,還應(yīng)當(dāng)是對用戶友好的。目前嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具平臺主要包括下面幾類。1、實(shí)時(shí)在線仿真系統(tǒng)ICE(In-CircuitEmulator)在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)非常發(fā)達(dá)的今天,實(shí)時(shí)在線仿真系統(tǒng)(ICE)仍是進(jìn)行嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試最有效的開發(fā)工具。ICE首先可以通過實(shí)際執(zhí)行,對應(yīng)用程序進(jìn)行原理性檢驗(yàn),排除人的思維難以發(fā)現(xiàn)的

24、設(shè)計(jì)邏輯錯(cuò)誤。ICE的另一個(gè)主要功能是在應(yīng)用系統(tǒng)中仿真微控制器的實(shí)時(shí)執(zhí)行,發(fā)現(xiàn)和排除由于硬件干擾等引起的異常執(zhí)行行為。此外,高級的ICE帶有完善的跟蹤功能,可以將應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)變化、微控制器對狀態(tài)變化的反應(yīng)、以及應(yīng)用系統(tǒng)對控制的響應(yīng)等以一種錄像的方式連續(xù)記錄下來,以供分析,在分析中優(yōu)化控制過程。很多機(jī)電系統(tǒng)難以建立一個(gè)精確有效的數(shù)字模型,或是建立模型需要大量人力,這時(shí)采用ICE的跟蹤功能對系統(tǒng)進(jìn)行記錄和分析是一個(gè)快而有效的方法。嵌入式應(yīng)用的特點(diǎn)是和現(xiàn)實(shí)世界中的硬件系統(tǒng)有關(guān),存在各種異變和事先未知的變化,這就給微控制器的指令執(zhí)行帶來了各種不確定性,這種不確定性只有通過ICE的實(shí)時(shí)在線仿真器才

25、能發(fā)現(xiàn),特別是在分析可靠性時(shí)要在同樣條件下多次仿真,以發(fā)現(xiàn)偶然出現(xiàn)的錯(cuò)誤。ICE不僅是軟件硬件排錯(cuò)工具,同時(shí)也是提高和優(yōu)化系統(tǒng)性能指標(biāo)的工具。高檔ICE工具(如美國NOHAU公司的產(chǎn)品)是可根據(jù)用戶投資裁剪功能的系統(tǒng),亦可根據(jù)需要選擇配置各種檔次的實(shí)時(shí)邏輯跟蹤器(Trace)、實(shí)時(shí)映象存儲器(Shadow RAM)及程序效率實(shí)時(shí)分析功能(PPA)。2、高級語言編譯器(Compiler Tools)C語言作為一種通用的高級語言,大幅度提高了嵌入式系統(tǒng)工程的工作效率,充分發(fā)揮出嵌入式處理器日益提高的性能,縮短產(chǎn)品進(jìn)入市場時(shí)間。另外，C語言便于移植和修改，使產(chǎn)品的升級和繼承更迅速。更重要的是采用C語

26、言編寫的程序易于在不同的開發(fā)者之間進(jìn)行交流,從而促進(jìn)了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的產(chǎn)業(yè)化。區(qū)別于一般計(jì)算機(jī)中的C語言編譯器,嵌入式系統(tǒng)中的C語言編譯器要專門進(jìn)行優(yōu)化,以提高編譯效率。優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)C編譯器代碼長度和執(zhí)行時(shí)間僅比以匯編語言編寫的同樣功能程度長5-20%。編譯效率的不同,是區(qū)別嵌入式系統(tǒng)C編譯器之間性能差別的重要根據(jù)之一。而C編譯器殘余的5-10%效率差別,完全可以由現(xiàn)代微控制器的高速度、大存儲器空間以及產(chǎn)品提前進(jìn)入市場來彌補(bǔ)。新型的微控制器指令速度不斷提高,存儲器空間也相應(yīng)加大,已經(jīng)達(dá)到甚至超過了目前的通用計(jì)算機(jī)中的微處理器,為嵌入式系統(tǒng)工程采用過去一直不敢問津的C+語言創(chuàng)造了條件。C+語

27、言強(qiáng)大的類、繼承等功能更便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的程序功能。但是C+語言為了支持復(fù)雜的語法,在代碼生成效率方面不免有所下降。為此,1995年初在日本成立的Embedded C+技術(shù)委員會經(jīng)過幾年的研究,針對嵌入式應(yīng)用制訂了減小代碼尺寸的EC+標(biāo)準(zhǔn)。EC+保留了C+的主要優(yōu)點(diǎn),提供對C+的向上兼容性,并滿足嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些特殊要求。在嵌入式高級語言編譯器方面處于領(lǐng)先地位的Tasking公司，是EC+技術(shù)委員會成員之一,也是最先推出EC+產(chǎn)品的公司。C/C+/EC+引入嵌入式系統(tǒng),使得嵌入式開發(fā)和個(gè)人計(jì)算機(jī)、小型機(jī)等之間在開發(fā)上的差別正在逐漸消除,軟件工程中的很多經(jīng)驗(yàn)、方法乃至庫函數(shù)可以移植到嵌入式系統(tǒng)。

28、在嵌入式開發(fā)中采用高級語言,還使得硬件開發(fā)和軟件開發(fā)可以分工,從事嵌入式軟件開發(fā)不再必須精通系統(tǒng)硬件和相應(yīng)的指令集匯編。另一種高級語言JAVA的發(fā)展則具有戲劇性。JAVA本來是為設(shè)備獨(dú)立的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的、為了提高程序繼承性的語言，但是目前基于JAVA的嵌入式開發(fā)工具代碼生成長度要比嵌入式C編譯工具差10倍以上。因此EC+很可能在未來的一段時(shí)間內(nèi)仍是嵌入式系統(tǒng)的主流。3、源程序模擬器(Simulator)源程序模擬器是在廣泛使用的、人機(jī)接口完備的工作平臺上,如小型機(jī)和PC,通過軟件手段模擬執(zhí)行某種嵌入式處理器內(nèi)核編寫的源程序測試工具。簡單的模擬器可以通過指令解釋方式逐條執(zhí)行源程序,分配虛擬存儲

29、空間和外設(shè),供程序員檢查；高級的模擬器可以利用計(jì)算機(jī)的外部接口模擬出處理器的I/O電氣信號。不同檔次和功能模擬器工具價(jià)格差距巨大。模擬器軟件獨(dú)立于處理器硬件,一般與編譯器集成在同一個(gè)環(huán)境中,是一種有效的源程序檢驗(yàn)和測試工具。但值得注意的是,模擬器畢竟是以一種處理器模擬另一種處理器的運(yùn)行,在指令執(zhí)行時(shí)間、中斷響應(yīng)、定時(shí)器等方面很可能與實(shí)際處理器有相當(dāng)?shù)牟顒e。另外它無法和ICE一樣,仿真嵌入式系統(tǒng)在應(yīng)用系統(tǒng)中的實(shí)際執(zhí)行情況。嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺1、實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(Real Time multi-tasking Operation System，RTOS)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS)是嵌入

30、式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺。目前大多數(shù)嵌入式開發(fā)還是在單片機(jī)上直接進(jìn)行,沒有RTOS,但仍要有一個(gè)主程序負(fù)責(zé)調(diào)度各個(gè)任務(wù)。RTOS是一段嵌入在目標(biāo)代碼中的程序,系統(tǒng)復(fù)位后首先執(zhí)行，相當(dāng)于用戶的主程序,用戶的其它應(yīng)用程序都建立在RTOS之上。不僅如此,RTOS還是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核,將CPU時(shí)間、中斷、I/O、定時(shí)器等資源都包裝起來,留給用戶一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的API，并根據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級,合理地在不同任務(wù)之間分配CPU時(shí)間。RTOS是針對不同處理器優(yōu)化設(shè)計(jì)的高效率實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，RTOS可以面對幾十個(gè)系列的嵌入式處理器MPU、MCU、DSP、SOC等提供類同的API接口,這是RTOS基于設(shè)備獨(dú)立的應(yīng)用程序開發(fā)基礎(chǔ)。因此基于RTOS上的C語言程序具有極大的可移植性。據(jù)專家測算,優(yōu)秀RTOS上跨處理器平臺的程序移植只