嵌入式大作業(yè)嵌入式芯片的歷史

1、. . . . 1 / 11理理工學院工學院嵌入式系統(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)設計課程論文課程論文題目嵌入式的發(fā)展和應用嵌入式的發(fā)展和應用 項目成員 和諧和諧 專業(yè)班級 自動化自動化 091091 指導教師裘君裘君分院信息分院信息分院完成日期2012.11.112012.11.11 . . . . 2 / 11目錄目錄一、嵌入式芯片的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀一、嵌入式芯片的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀 3 3二、嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀二、嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀 3 31. 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程 32.嵌入式操作系統(tǒng)的特點 5三、嵌入式系統(tǒng)的應用與發(fā)展趨勢三、嵌入式系統(tǒng)的應用與發(fā)展趨勢 6 61.嵌入式系統(tǒng)的應用

2、 61工業(yè)控制 62交通管理 73信息家電 74家庭智能管理系統(tǒng) 75POS 網絡與電子商務 76環(huán)境工程與自然 77機器人 72.嵌入式的發(fā)展趨勢 8四、結語四、結語 1010. . . . 3 / 11一、嵌入式芯片的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀一、嵌入式芯片的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)最初是基于單片機的。70 年代單片機的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)機器、通信裝置以與成千上萬種產品可以通過嵌電子裝置來獲得更佳 的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。這些裝置已經初步具備了嵌入式的應用特點，但是這時的應用只是使用位的芯片，執(zhí)行一些單線程的程序，還談不上 “系統(tǒng)”的概念。1971 年 11 月，Intel

3、 公司成功地把算術運算器和控制器電路集成在一起，推出了第一款微處理器 Intel 4004，其后各廠家陸續(xù)推出了許多 8 位、16 位的微處理器，微處理器的廣泛應用形成了一個廣闊的嵌入式應用市場。1976 年 Intel 公司推出 Multibus，1983 年擴展為帶寬達 40MB/s 的Multibus。1978 年由 Prolog 設計的簡單 STD 總線廣泛應用于小型嵌入式系統(tǒng)。從 80 年代早期開始，嵌入式系統(tǒng)的程序員開始用商業(yè)級的“操作系統(tǒng)”編寫嵌入式應用軟件，這使得可以獲取更短的開發(fā)周期，更低的開發(fā)資金和更高的開發(fā)效率， “嵌入式系統(tǒng)”真正出現(xiàn)了。90 年代以后，在分布控制、柔性

4、制造、數(shù)字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統(tǒng)進一步加速發(fā)展。隨著對實時性要求的提高，軟件規(guī)模不斷上升，實時核逐漸發(fā)展為實時多任務操作系統(tǒng)（RTOS） ，并作為一種軟件平臺逐步成為目前國際嵌入式系統(tǒng)的主流。21 世紀無疑是一個網絡的時代，未來的嵌入式設備為了適應網絡發(fā)展的要求，必然要求硬件上提供各種網絡通信接口。新一代的嵌入式處理器已經開始嵌網 絡接口，除了支持 TCPIP 協(xié)議，還有的支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth 或 IrDA 通信接口中的一種或者幾種，同時也需要提 供相應的通信組網協(xié)議軟件和物理層驅動軟件。軟件方面系統(tǒng)系統(tǒng)核支持網絡模塊，甚至可以在設備

5、上嵌入 Web 瀏覽器，真正實現(xiàn)隨時隨地用各種設備上網。二、嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀二、嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀1. 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程. . . . 4 / 11嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，軟硬件可裁減的，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點，特別適合于要時和多任務的體系。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)與應用軟件系統(tǒng)等組成，它是可獨立工作的“器件” 。綜觀嵌入式技術的發(fā)展，大致經歷了以下 3 個階段：第一階段：嵌入技術的早期階段，以功能簡單的專用計算機或單片機為核心的可編程

6、控制器形式存在，具有監(jiān)測、伺服、設備指示等功能。這種系統(tǒng)大部分應用于各類工業(yè)控制和飛機、導彈等武器裝備中。第二階段：以嵌入式 CPU 和嵌入式操作系統(tǒng)為標志的嵌入式系統(tǒng)。這一階段系統(tǒng)的主要特點是：計算機硬件出現(xiàn)了高可靠、低功耗的嵌入式 CPU，如 Power PC 等。第三階段：以芯片技術和 Internet 技術為標志的嵌入式系統(tǒng)。微電子技術發(fā)展迅速，SOC(片上系統(tǒng))使嵌入系統(tǒng)越來越小，功能卻越來越強。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)展以與 Internet 技術與信息家電、工業(yè)控制技術等結合日益密切，嵌入式技術與 Internet 技術

7、的結合正推動嵌入式技術的快速發(fā)展。嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統(tǒng)核、設備驅動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點，如能夠有效管理越來越復雜的系統(tǒng)資源；能夠把硬件虛擬化，使得開發(fā)人員從繁忙的驅動程序移植和維護中解脫出來；能夠提供庫函數(shù)、驅動程序、工具集以與應用程序。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固態(tài)化以與應用的專用性等方面具有較為突出的特點。嵌入式操作系統(tǒng)伴隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展經歷了三個比較明顯的階段：第一階段：無操作系統(tǒng)的嵌入算法階段，通過匯編語言編

8、程對系統(tǒng)進行直接控制，運行結束后清除存。系統(tǒng)結構和功能都相對單一，處理效率較低，存儲容量較小，幾乎沒有用戶接口，比較適合于各類專用領域中。第二階段：以嵌入式 CPU 為基礎、簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。CPU . . . . 5 / 11種類繁多，通用性比較差；系統(tǒng)開銷小，效率高；一般配備系統(tǒng)仿真器，操作系統(tǒng)具有一定的兼容性和擴展性；應用軟件較專業(yè)，用戶界面不夠友好；系統(tǒng)主要用來控制系統(tǒng)負載以與監(jiān)控應用程序運行。第三階段：通用的嵌入式實時操作系統(tǒng)階段，以嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。能運行于各種類型的微處理器上，兼容性好；核精小、效率高，具有高度的模塊化和擴展性；具備文件和目錄管理、設

9、備支持、多任務、網絡支持、圖形窗口以與用戶界面等功能；具有大量的應用程序接口 API；嵌入式應用軟件豐富。2.嵌入式操作系統(tǒng)的特點1.實時性在信息時代，人們需要在有效的時間里對接受的信息進行處理，為進一步的工作和決策爭取時間，這就要求工作系統(tǒng)具有很高的實時性。所謂實時性，其核心含義在于操作系統(tǒng)在規(guī)定時間準確完成應該做的事情，并且操作系統(tǒng)的執(zhí)行線索是確定的，而不是單純的速度快。 大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)工作在對實時性要求很高的場合，主要對儀器設備的動作進行檢測控制，這種動作具有嚴格的、機械的時序；而一般的桌面操作系統(tǒng)基本上是根據(jù)人在鍵盤和鼠標發(fā)出的命令進行工作，人的動作和反應在時序上并不很嚴格。比如

10、，用于控制火箭發(fā)動機的嵌入式系統(tǒng)，它所發(fā)出的指令不僅要求速度快，而且多個發(fā)動機之間的時序要求非常嚴格，否則就會失之毫厘，謬以千里。在這樣的應用環(huán)境中，非實時的普通操作系統(tǒng)無論如何是無法適應的。即使我們所開發(fā)的并不是生命攸關的或者生產控制那樣的關鍵任務系統(tǒng)，例如對嵌入式操作系統(tǒng)應用來說很有前途的領域-消費電子產品，設備的高可靠性可以有效地減低維護成本，軟件運行效率高也會降低對 CPU 的要求，從而降低硬件成本。對于此類價格十分敏感的產品，實時性、可靠性仍然是非常值得重視的問題。因此，實時性是嵌入式系統(tǒng)最大的優(yōu)點，在嵌入式軟件中最核心的莫過于嵌入式 RTOS 實時操作系統(tǒng)。2.可剪裁性能否根據(jù)悠揚

11、的樂曲對系統(tǒng)的功能模塊進行配置是嵌入式系統(tǒng)與普通系統(tǒng)的另一區(qū)別。這可以從以下幾個方面分析：. . . . 6 / 11從硬件環(huán)境來看，普通系統(tǒng)具有標準化的 CPU 存儲和 I/O 架構，而嵌入式環(huán)境的硬件環(huán)境只有標準化的 CPU，沒有標準的存儲、I/O 和顯示器單元。從應用環(huán)境來看，桌面操作系統(tǒng)面向復雜多變的應用，而嵌入式操作系統(tǒng)面向單一設備的固定的應用。從開發(fā)界面來看，桌面操作系統(tǒng)給開發(fā)人員提供一個“黑箱” ，讓開發(fā)人員通過一系列標準的系統(tǒng)調用來使用操作系統(tǒng)的功能，而嵌入式試圖為開發(fā)人員提供一個“白箱” ，讓開發(fā)人員可以自主控制系統(tǒng)的所有資源。普通系統(tǒng)的研究開發(fā)是盡可能在不改變自身的前途下具

12、有廣泛的適應性。也就是說：不論應用環(huán)境怎么改變，都不應對自身做太多的變化。而應用于嵌入式環(huán)境的 RTOS，在研發(fā)的時候就必須立足于面向對象，改變自身、開放自身，讓開發(fā)人員可以根據(jù)硬件環(huán)境和應用環(huán)境的不同而對操作系統(tǒng)進行靈活的裁剪和配置，因為對于任何一個具體的嵌入式設備，它的功能是確定的，因此只要從原有操作系統(tǒng)中把這個特定應用所需的功能拿來即可以。可剪裁性在軟件工程階段是利用軟件配置方法實現(xiàn)軟件構建的“即插即用” 。3.可靠性一般來說，嵌入式系統(tǒng)一旦開始運行就不需要人的過多干預。在這種條件下，要求負責系統(tǒng)管理的嵌入式操作系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。而普通操作系統(tǒng)則不具備這種特點。這導致桌面操作

13、環(huán)境與嵌入式環(huán)境在設計思路上有重大的不同。桌面環(huán)境假定應用軟件與操作系統(tǒng)相比而言是不可靠的，而嵌入式環(huán)境假定應用軟件與操作系統(tǒng)一樣可靠。運行于嵌入式環(huán)境中的 RTOS 要求應用軟件具有與操作系統(tǒng)同樣的可靠性，這種設計思路對應用開發(fā)人員提出了更高的要求，同時也要求操作系統(tǒng)自身足夠開放。桌面操作系統(tǒng)比較龐大復雜，而嵌入式系統(tǒng)提供的資源有限，由于硬件的限制，嵌入式操作系統(tǒng)必須小巧簡捷。對于系統(tǒng)來說，組成越簡單、性能越可靠，組成越復雜，故障概率越大是一個常理。局部的不足會導致整體的缺陷，系統(tǒng)中任何部分的不可靠都會導致系統(tǒng)整體的不可靠。三、嵌入式系統(tǒng)的應用與發(fā)展趨勢三、嵌入式系統(tǒng)的應用與發(fā)展趨勢1.嵌入

14、式系統(tǒng)的應用. . . . 7 / 11嵌入式系統(tǒng)技術具有非常廣闊的應用前景，其應用領域可以包括： 1工業(yè)控制： 基于嵌入式芯片的工業(yè)自動化設備將獲得長足的發(fā)展，目前已經有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在應用中，網絡化是提高生產效率和產品質量、減少人力資源主要途徑，如工業(yè)過程控制、數(shù)字機床、電力系統(tǒng)、電網安全、電網設備監(jiān)測、石油化工系統(tǒng)。就傳統(tǒng)的工業(yè)控制產品而言，低端型采用的往往是位單片機。但是隨著技術的發(fā)展，32 位、64 位的處理器逐漸成為工業(yè)控制設備的核心，在未來幾年必將獲得長足的發(fā)展。 2交通管理： 在車輛導航、流量控制、信息監(jiān)測與汽車服務方面，嵌入式系統(tǒng)技術已經獲得了廣泛的應

15、用，嵌 GPS 模塊，GSM 模塊的移動定位終端已經在各種運輸行業(yè)獲得了成功的使用。目前 GPS 設備已經從尖端產品進入了普通百姓的家庭，只需要幾千元，就可以隨時隨地找到你的位置。 3信息家電： 這將稱為嵌入式系統(tǒng)最大的應用領域，冰箱、空調等的網絡化、智能化將引領人們的生活步入一個嶄新的空間。即使你不在家里，也可以通過線、網絡進行遠程控制。在這些設備中，嵌入式系統(tǒng)將大有用武之地。 4家庭智能管理系統(tǒng)：水、電、煤氣表的遠程自動抄表，安全防火、防盜系統(tǒng)，其中嵌有的專用控制芯片將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢查，并實現(xiàn)更高，更準確和更安全的性能。目前在服務領域，如遠程點菜器等已經體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢。 5POS

16、 網絡與電子商務： 公共交通無接觸智能卡(Contactless Smartcard, CSC)發(fā)行系統(tǒng)，公共卡發(fā)行系統(tǒng)，自動售貨機，各種智能 ATM 終端將全面走入人們的生活，到時手持一卡就可以行遍天下。 6環(huán)境工程與自然： 水文資料實時監(jiān)測，防洪體系與水土質量監(jiān)測、堤壩安全，地震監(jiān)測網，實時氣象信息網，水源和空氣污染監(jiān)測。在很多環(huán)境惡劣，地況復雜的地區(qū)，嵌入式系統(tǒng)將實現(xiàn)無人監(jiān)測。 . . . . 8 / 117機器人：嵌入式芯片的發(fā)展將使機器人在微型化，高智能方面優(yōu)勢更加明顯，同時會大幅度降低機器人的價格，使其在工業(yè)領域和服務領域獲得更廣泛的應用。2.嵌入式的發(fā)展趨勢：信息時代，數(shù)字時代使

17、得嵌入式產品獲得了巨大的發(fā)展契機，為嵌入式市場展現(xiàn)了美好的前景，同時也對嵌入式生產廠商提出了新的挑戰(zhàn)，從中我們可以看出未來嵌入式系統(tǒng)的幾大發(fā)展趨勢：1嵌入式開發(fā)是一項系統(tǒng)工程，因此要求嵌入式系統(tǒng)廠商不僅要提供嵌入式軟硬件系統(tǒng)本身，同時還需要提供強大的硬件開發(fā)工具和軟件包支持。目前很多廠商已經充分考慮到這一點，在主推系統(tǒng)的同時，將開發(fā)環(huán)境也作為重點推廣。比如三星在推廣 Arm7，Arm9 芯片的同時還提供開發(fā)板和版與支持包（BSP） ，而WindowCE 在主推系統(tǒng)時也提供 Embedded VC作為開發(fā)工具，還有 Vxworks的 Tonado 開發(fā)環(huán)境，DeltaOS 的 Limda 編譯環(huán)

18、境等等都是這一趨勢的典型體現(xiàn)。當然，這也是市場競爭的結果。2網絡化、信息化的要求隨著因特網技術的成熟、帶寬的提高日益提高，使得以往單一功能的設備如、手機、冰箱、微波爐等功能不再單一，結構更加復雜。這就要求芯片設計廠商在芯片上集成更多的功能，為了滿足應用功能的升級，設計師們一方面采用更強大的嵌入式處理器如 32 位、64 位 RISC 芯片或信號處理器 DSP 增強處理能力，同時增加功能接口，如 USB，擴展總線類型，如CAN BUS，加強對多媒體、圖形等的處理，逐步實施片上系統(tǒng)（SOC）的概念。軟件方面采用實時多任務編程技術和交叉開發(fā)工具技術來控制功能復雜性，簡化應用程序設計、保障軟件質量和縮

19、短開發(fā)周期。如 HP 3網絡互聯(lián)成為必然趨勢。 未來的嵌入式設備為了適應網絡發(fā)展的要求，必然要求硬件上提供各種網絡通信接口。傳統(tǒng)的單片機對于網絡支持不足，而新一代的嵌入式處理器已經開始嵌網絡接口，除了支持 TCPIP 協(xié)議，還有的支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth 或 IrDA 通信接口中的一種或者幾種，同時也需要提供相應的通信組網協(xié)議軟件和物理層驅動軟件。軟件方面系統(tǒng)系統(tǒng)核支. . . . 9 / 11持網絡模塊，甚至可以在設備上嵌入 Web 瀏覽器，真正實現(xiàn)隨時隨地用各種設備上網。4精簡系統(tǒng)核、算法，降低功耗和軟硬件成本。未來的嵌入式產品是軟硬件緊密結合的設備，為了減

20、低功耗和成本，需要設計者盡量精簡系統(tǒng)核，只保留和系統(tǒng)功能緊密相關的軟硬件，利用最低的資源實現(xiàn)最適當?shù)墓δ?，這就要求設計者選用最佳的編程模型和不斷改進算法，優(yōu)化編譯器性能。因此，既要軟件人員有豐富的硬件知識，又需要發(fā)展先進嵌入式軟件技術，如 Java、Web 和 WAP 等。5提供友好的多媒體人機界面嵌入式設備能與用戶親密接觸，最重要的因素就是它能提供非常友好的用戶界面。圖像界面，靈活的控制方式，使得人們感覺嵌入式設備就象是一個熟悉的老朋友。這方面的要求使得嵌入式軟件設計者要在圖形界面，多媒體技術上痛下苦功。手寫文字輸入、語音撥號上網、收發(fā)電子以與彩色圖形、圖像都會使使用者獲得自由的感受。目前一

21、些先進的 PDA 在顯示屏幕上已實現(xiàn)漢字寫入、短消息語音發(fā)布，但一般的嵌入式設備距離這個要求還有很長的路要走。目前各種嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)正迅速發(fā)展，已經形成了能與 Windows CE 等嵌入式操作系統(tǒng)進行有力競爭的局面。嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)的迅速崛起，主要由于人們對自由軟件的渴望與嵌入式系統(tǒng)應用的特制性，要求提供系統(tǒng)源碼層次上的支持，而嵌入式 Linux 正適應了這一需求，它不僅具有開放源代碼，系統(tǒng)核小、效率高、核網絡結構完整，裁減后的系統(tǒng)很適于如信息家電等嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)的產品化與可靠性是目前受制約的一個重要因素。微軟的 Win CE 是一個

22、較具代表性的、由桌面操作系統(tǒng)演變而成的實時嵌入式操作系統(tǒng)。雖然提供了較為強大的類似于桌面操作系統(tǒng)的功能，但針對嵌入式系統(tǒng)的特征與特性而言，Win CE 顯得笨拙且在核結構的設計中并未考慮適應系統(tǒng)的高度可裁減性的要求。以 VxWorks 為代表的傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)是應用最廣泛、市場占有率較具優(yōu)勢的幾個系統(tǒng)，它們是專門為嵌入式微處理器設計的高模塊化、高性能的實時操作系統(tǒng)，廣泛應用于高科技產品中，包括消費電子設備、工業(yè)自動化、無線通信產品、醫(yī)療儀器、數(shù)字電視與多媒體設備，具. . . . 10 / 11有很好的安全性、容錯性以與系統(tǒng)靈活性。雖然它們都提供專有的 API 接口，但是缺乏應用的高效性，網絡連接功能較差，系統(tǒng)對應用程序開發(fā)支持相對較弱。對現(xiàn)在復雜的、網絡化的、多處理器的嵌入式系統(tǒng)的許多應用需要而言，它已顯得力不從心。隨著硬