嵌入式系統(tǒng) 概述

嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的概述嵌入式系統(tǒng)的硬件架構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的軟件基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用主要內(nèi)容1.1嵌入式系統(tǒng)的過去、現(xiàn)在與將來1.2嵌入式系統(tǒng)的基本概念1.嵌入式系統(tǒng)的概述嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)有30年的歷史；在微型機(jī)出現(xiàn)之后，由于其廉價(jià)、小型、可靠性高而受到了人們的關(guān)注；基于微型機(jī)的艦船自動(dòng)駕駛儀、輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等等，就是嵌入式系統(tǒng)的最初形式；嵌入式系統(tǒng)最初的發(fā)展與通用計(jì)算機(jī)的發(fā)展緊密聯(lián)系；1.1嵌入式系統(tǒng)的過去、現(xiàn)在和將來單片機(jī)的出現(xiàn)使得嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展走上了獨(dú)立的道路，成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)獨(dú)立分支－專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。經(jīng)過多次“蛻變”，嵌入式系統(tǒng)終于修成正果，可以稱得上是“如日中天”；嵌入式系統(tǒng)的身影遍及金融、電信、網(wǎng)絡(luò)、信息家電、醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)、服務(wù)、消費(fèi)電子、家居生活、國防軍事、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域...1.1

嵌入式系統(tǒng)的過去、現(xiàn)在和將來技術(shù)角度SOC將是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)歸宿；產(chǎn)品細(xì)分，會(huì)有功能、性能更強(qiáng)大的產(chǎn)品出現(xiàn)；8/16位的所謂“低端產(chǎn)品”也不會(huì)就此消失；應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)將會(huì)覆蓋各個(gè)電子應(yīng)用領(lǐng)域；經(jīng)濟(jì)角度嵌入式系統(tǒng)是后PC時(shí)代的主角，掌握其核心技術(shù)將受益無窮。1.1

嵌入式系統(tǒng)的過去、現(xiàn)在和將來嵌入式系統(tǒng)到底是指什么？嵌入式系統(tǒng)與“ARM”、“DSP”、“單片機(jī)”等名詞之間有何聯(lián)系？嵌入式系統(tǒng)是IEEE“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”。原文為devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants.

1.2嵌入式系統(tǒng)的基本概念一般定義：嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)具有特定功能或用途的計(jì)算機(jī)軟硬件綜合體，即以應(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(duì)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)。

簡(jiǎn)言之，嵌入式系統(tǒng)就是嵌入到對(duì)象體中的一種專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。1.2嵌入式系統(tǒng)的基本概念

三要素：嵌入性嵌入到對(duì)象體系中，面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)象的智能化功能專用性根據(jù)應(yīng)用需求幾KB到幾十KB的微內(nèi)核1.2嵌入式系統(tǒng)的基本概念

物聯(lián)網(wǎng)決定嵌入式的發(fā)展趨勢(shì)：多功能、低功耗和微型化智能灰塵網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)連續(xù)、動(dòng)態(tài)、非連續(xù)化1.2嵌入式系統(tǒng)的基本概念系統(tǒng)內(nèi)核?。簯?yīng)用于小型電子裝置，系統(tǒng)資源有限，內(nèi)核較傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小的多。專用性強(qiáng)：軟、硬件按對(duì)象要求裁剪，兩者結(jié)合緊密；軟件的編譯下載與系統(tǒng)相結(jié)合；通用、升級(jí)的概念一般不適用；系統(tǒng)精簡(jiǎn)：

沒有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的明顯區(qū)分；1.3嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)高實(shí)時(shí)性的系統(tǒng)軟件

固態(tài)存儲(chǔ)，要求高質(zhì)量和高可靠性多任務(wù)的操作系統(tǒng)

可以沒有操作系統(tǒng)；合理調(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；實(shí)時(shí)性、可靠性、并減少開發(fā)時(shí)間；1.3嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)6、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境用戶對(duì)其中程序功能進(jìn)行修改需要一套開發(fā)工具和環(huán)境；開發(fā)工具一般基于通用計(jì)算機(jī)上的軟硬件設(shè)備以及各種輔助儀器；交互式開發(fā)：主機(jī)：用于程序的開發(fā)；目標(biāo)機(jī)：最后的執(zhí)行機(jī)；仿真編程器。1.3嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)1.4嵌入式系統(tǒng)的組成：1、硬件層1）嵌入式微處理器。是嵌入式系統(tǒng)硬件層的核心。它與通用CPU最大的不同在于，嵌入式微處理器大多工作在為特定用戶群所專用設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，它將CPU組多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)趨于小型化，同時(shí)還具有很高的效率和可靠性。嵌入式微處理器的體系結(jié)構(gòu)可以采用馮.諾伊曼體系或哈佛體系結(jié)構(gòu)；指令系統(tǒng)可以選用精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)（RISC）或復(fù)雜指令系統(tǒng)（CISC）馮－諾依曼體系結(jié)構(gòu)與哈佛體系結(jié)構(gòu)補(bǔ)充內(nèi)容：相關(guān)基本知識(shí)馮－諾依曼體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：數(shù)據(jù)和指令都存儲(chǔ)在同一存儲(chǔ)器中。通用PC。哈佛體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序都存儲(chǔ)分開；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的帶寬較寬；DSP、ARM9

嵌入式系統(tǒng)與ARM的關(guān)系是什么？

ARM指什么？

ARM＝AdvancedRISCMachinesLtd.ARM＝ARM技術(shù)

ARM＝ARM微處理器內(nèi)核

ARM≠嵌入式系統(tǒng)

ARM是一種目前應(yīng)用最為廣泛的嵌入式微處理器核。嵌入式系統(tǒng)與ARM根據(jù)嵌入式微處理器的配置情況，可以分為：嵌入式微處理器（EMPU）微控制器（MCU）數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）片上系統(tǒng)（SOC）嵌入式處理器的分類來自于通用處理器，核心只保留了與嵌入式應(yīng)用有關(guān)的功能，并在功耗、功能配置、封裝形式、可靠性等方面進(jìn)行改進(jìn)；優(yōu)點(diǎn)：體積小、功耗低、成本低、可靠性高；缺點(diǎn)：片內(nèi)周片電路不足，必須配備ROM，RAM，總線接口，各種外設(shè)接口等；代表：AM186/88、386EX、PowerPC、某些ARM嵌入式微處理器(EMPU)即單片機(jī)，以某種微處理器為核心，芯片內(nèi)集成了ROM/EPROM、RAM、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、I/O、串行口等各種必要功能和外設(shè)接口，也可集成A/D、D/A轉(zhuǎn)換接口。優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)纹?、體積小、功耗和成本低、可靠性高；缺點(diǎn)：總線寬度一般為4位、8位或16位，處理速度有限，一般在幾個(gè)MIPS，進(jìn)行一些復(fù)雜的應(yīng)用很困難，運(yùn)行操作系統(tǒng)就更難。代表：MCS51/96、S1C33、MSP430等。微控制器(MCU)DSP處理器是專門用于信號(hào)處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，在數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。優(yōu)點(diǎn)：在信號(hào)處理方面有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)；缺點(diǎn)：DSP是運(yùn)算密集處理器，一般用在快速執(zhí)行算法，做控制比較困難；不適合運(yùn)行操作系統(tǒng)，核心代碼使用匯編。代表：TMS320系列。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）SOC可分為通用和專用兩類通用：TriCore、M-core、某些ARM；專用：SmartXA（Philips）優(yōu)點(diǎn)：可通過改變內(nèi)部工作電壓，降低芯片功耗；減少了芯片的外管腳數(shù)，簡(jiǎn)化了制造過程；減少了外圍驅(qū)動(dòng)接口單元及電路板之間的信號(hào)傳遞，加快了微處理器的數(shù)據(jù)處理速度；增強(qiáng)了抗干擾能力。片上系統(tǒng)（SOC）2）存儲(chǔ)器包含高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache)、主存、輔存。①Cache容量小、速度快。位于主存和嵌入式微處理器內(nèi)核之間，存放的是最近一段時(shí)間微處理器使用最多的程序代碼和數(shù)據(jù)。在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取操作時(shí)，微處理器盡可能的從Cache中讀取數(shù)據(jù)，而不是從主存中讀取。這樣提高了微處理器和主存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率，改善了系統(tǒng)性能。在嵌入式系統(tǒng)中，Cache全部被集成在嵌入式微處理器內(nèi)，可分為數(shù)據(jù)Cache、指令Cache和混合Cache。②主存

是嵌入式微處理器能直接訪問的寄存器，用來存放系統(tǒng)和用戶的程序及數(shù)據(jù)。③輔助存儲(chǔ)器

用來存放大數(shù)據(jù)量的程序代碼或信息，它容量大，但讀取速度與主存相比慢很多，可用來長(zhǎng)期保存用戶的信息。

3）通用設(shè)備接口和I/O接口

嵌入式系統(tǒng)和外界交互需要一定形式的通用設(shè)備接口。常用的通用接口有A/D、D/A、RS-232、Ethernet、USB等等。2、中間層

硬件層與軟件層之間為中間層，也成為硬件抽象層（HAL）或板級(jí)支持包(BSP)，它將系統(tǒng)上層軟件與底層硬件分離開來，使系統(tǒng)的底層驅(qū)動(dòng)程序與硬件無關(guān)，上層軟件開發(fā)人員無需關(guān)心底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP層提供的接口即可進(jìn)行開發(fā)。（1）BSP主要功能為屏蔽硬件，提供操作系統(tǒng)及硬件驅(qū)動(dòng)，具體功能包括：1.單板硬件初始化，主要是CPU的初始化，為整個(gè)軟件系統(tǒng)提供底層硬件支持；2.為操作系統(tǒng)提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和系統(tǒng)中斷服務(wù)程序；3.定制操作系統(tǒng)的功能，為軟件系統(tǒng)提供一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)的運(yùn)行環(huán)境；4.初始化操作系統(tǒng)，為操作系統(tǒng)的正常運(yùn)行做好準(zhǔn)備。（2）操作系統(tǒng)相關(guān)性。

不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu)，因此，不同的操作系統(tǒng)具有特定的硬件接口形式。實(shí)際上,BSP介于操作系統(tǒng)和底層硬件之間的軟件層次，它包括系統(tǒng)中大部分與硬件聯(lián)系緊密的軟件模塊。設(shè)計(jì)一個(gè)完整的BSP需要完成兩部分工作，即嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化以及設(shè)計(jì)與硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。3、系統(tǒng)軟件層

系統(tǒng)軟件層由實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口（GUI）、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺(tái)。嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)不是必須的；在復(fù)雜的應(yīng)用領(lǐng)域使用操作系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化開發(fā)；操作系統(tǒng)提供了硬件設(shè)備的管理功能、用戶程序的接口功能；嵌入式操作系統(tǒng)所使用的技術(shù)，基本上是從臺(tái)式計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)下推而來的；由于應(yīng)用的需要和硬件條件的限制，嵌入式操作系統(tǒng)一般都注重占用空間小和效率高等特點(diǎn)。3.1嵌入式操作系統(tǒng)概述

3.2國內(nèi)外操作系統(tǒng)（1）國外著名實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。VxWorks、QNX、PalmOS、WindowsCE等，占據(jù)了機(jī)頂盒、PDA等絕大部分市場(chǎng)。（2）國內(nèi)著名的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中國自主研發(fā)的有DeltaOS(道系統(tǒng))、HopenOS(女媧計(jì)劃)、EEOS、HBOS以及中科院北京軟件工程研究中心開發(fā)的CASSPDA等。嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中主要有三個(gè)指標(biāo)來衡量系統(tǒng)的性能：響應(yīng)時(shí)間(ResponseTime)生存時(shí)間(SurvivalTime)吞吐量(Throughput)3.3嵌入式操作系統(tǒng)的指標(biāo)WindowsCE是微軟開發(fā)的一個(gè)開放的、可升級(jí)的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是一個(gè)基于掌上型電腦類的電子設(shè)備的操作系統(tǒng)；WindowsCE是精簡(jiǎn)的Windows95；整體上為有限資源的平臺(tái)設(shè)計(jì)的多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)；它的模塊化設(shè)計(jì)允許它對(duì)于從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶電子設(shè)備進(jìn)行定制；操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少200K的ROM。3.4嵌入式操作系統(tǒng)——WinCEWindowsCE不僅繼承了傳統(tǒng)的Windows圖形界面，并且在WindowsCE平臺(tái)上可以使用Windows95/98/2000上的編程工具、使用同樣的函數(shù)、使用同樣的界面風(fēng)格，使絕大多數(shù)的應(yīng)用軟件只需簡(jiǎn)單的修改和移植就可以在WindowsCE平臺(tái)上繼續(xù)使用；目前主要應(yīng)用于PDA；缺點(diǎn)：耗系統(tǒng)資源、不穩(wěn)定、效率不佳等等。3.4嵌入式操作系統(tǒng)——WinCELinux是一個(gè)類似于Unix的操作系統(tǒng)；它起源于芬蘭一個(gè)名為L(zhǎng)inusTorvalds的業(yè)余愛好，現(xiàn)已是最流行的一款開放源代碼的操作系統(tǒng)；Linux從1991年問世到現(xiàn)在，已發(fā)展成為一個(gè)功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)完善的操作系統(tǒng)，伴隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)步而發(fā)展起來的LinuxOS已成為Windows95/98的強(qiáng)勁對(duì)手。Linux系統(tǒng)不僅能運(yùn)行于PC平臺(tái)，在嵌入式系統(tǒng)方面大放光芒，在各種嵌入式LinuxOS迅速發(fā)展，逐漸形成了可與WindowsCE等EOS進(jìn)行抗衡的局面。3.5嵌入式操作系統(tǒng)——LinuxOS目前正在開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)中，50%以上的項(xiàng)目選擇Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)；特點(diǎn)：開放原始碼、模塊化設(shè)計(jì)

Linux采用GPL授權(quán)，除了把原始碼公開以外，任何人都可以自由使用、修改、散布，而Linux核心本身采用模塊化設(shè)計(jì)，讓人很容易增減功能；精簡(jiǎn)的內(nèi)核，性能高、穩(wěn)定，多任務(wù)；適用于不同的CPU，支持多種體系結(jié)構(gòu)，如X86、ARM、MIPS、ALPHA、SPARC等；3.5嵌入式操作系統(tǒng)——LinuxOSC/OS－MicroOS，是由美國人JeanLabrosse1992年完成；應(yīng)用面覆蓋了諸多領(lǐng)域，如照相機(jī)、醫(yī)療器械、音響設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、高速公路電話系統(tǒng)、自動(dòng)提款機(jī)等；1998年C/OS-II，目前的版本C/OS-IIV2.61；2000年，得到美國航空管理局（FAA）的認(rèn)證，可以用于飛行器中。3.6嵌入式操作系統(tǒng)——uCOS公開源代碼可移植性絕大部分

C/OS-II的源碼是用移植性很強(qiáng)的ANSIC寫的。和微處理器硬件相關(guān)的那部分是用匯編語言寫的。

C/OS-II可以在絕大多數(shù)8位、16位、32位以至64位微處理器、微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）上運(yùn)行；可固化

C/OS-II是為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，這就意味著，只要讀者有固化手段，

C/OS-II可以嵌入到產(chǎn)品中；3.6嵌入式操作系統(tǒng)——uCOS可裁剪:可以只使用很少幾個(gè)

C/OS-II調(diào)用，也可使用了幾乎所有

C/OS-II的功能，這樣可以減少產(chǎn)品中的

C/OS-II所需的存儲(chǔ)器空間（RAM和ROM）；占先式多任務(wù):C/OS-II可以管理64個(gè)任務(wù)，應(yīng)用程序最多可以有56個(gè)任務(wù)；可確定性:全部

C/OS-II的函數(shù)調(diào)用與服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間具有可確定性；嵌入式操作系統(tǒng)——uCOS任務(wù)棧：

C/OS-II允許每個(gè)任務(wù)有不同的棧空間，以便壓低應(yīng)用程序?qū)AM的需求。中斷管理：