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1、 嵌 入 式 系 统 是 以 应 用 为 中 心 ， 以 计 算 机 技 术 为 基 础 ， 软 硬 件 可 裁 剪 ， 适用 于 应 用 系 统 ， 对 功 能 、 对 可 靠 性 、 成 本 、 体 积 、 功 耗 有 严 格 要 求 的 专 用计 算 机 系 统 。 它 一 般 由 以 下 几 部 分 组 成 : 嵌 入 式 微 处 理 器 外 围 硬 件 设 备 嵌 入 式 操 作 系 统 特 定 的 应 用 程 序 特 点 ：应 用 的 特 定 性 和 广 泛 性 技 术 、 知 识 、 资 金 的 密 集 性 高 效 性 较 长 的 生 命 周 期 高 可 靠 性 软 硬 一 体

2、， 软 件 为 主 无 自 举 开 发 能 力 嵌 入 式 系 统 本 身 是 一 个 相 对 模 糊 的 定 义 。 目 前 嵌 入 式 系 统 已 经 渗 透 到 我们 生 活 中 的 每 个 角 落 ， 工 业 、 服 务 业 、 消 费 电 子 ， 而 恰 恰 由 于 这 种 范围 的 扩 大 ， 使 得 “嵌 入 式 系 统 ”更 加 难 于 明 确 定 义 。 举 个 简 单 例 子 ：一 个 手 持 的 mp3 是 否 可 以 叫 做 是 嵌 入 式 系 统 呢 ？ 答 案 肯 定 是 “是 ”。另 外 一 个 PC104 的 微 型 工 业 控 制 计 算 机 你 会 认 为

3、它 是 嵌 入 式 系 统 吗 ？ 当 然 ，也 是 ， 工 业 控 制 是 嵌 入 式 系 统 技 术 的 一 个 典 型 应 用 领 域 。 然 而 比 较 两 者 ， 你也 许 会 发 现 二 者 几 乎 完 全 不 同 ， 除 了 其 中 都 嵌 入 有 微 处 理 器 。 那 是 否 可 以 说嵌 入 着 微 处 理 器 的 设 备 就 是 嵌 入 式 系 统 ？ 那 鼠 标 中 也 有 单 片 机 ， 能 叫 嵌 入式 系 统 嘛 ？ 那 到 底 什 么 是 嵌 入 式 系 统 ？ 莫 非 嵌 入 式 系 统 只 是 一 个 难 以 定 义 的 抽 象 概念 ？ 历 史虽 然 嵌

4、入 式 系 统 是 近 几 年 才 风 靡 起 来 的 ， 但 是 这 个 概 念 并 非 新 近 才 出 现 。从 20 世 纪 七 十 年 代 单 片 机 的 出 现 到 今 天 各 式 各 样 的 嵌 入 式 微 处 理 器 ， 微 控制 器 的 大 规 模 应 用 ， 嵌 入 式 系 统 已 经 有 了 近 30 年 的 发 展 历 史 。 作 为 一 个 系 统 ， 往 往 是 在 硬 件 和 软 件 交 替 发 展 的 双 螺 旋 的 支 撑 下 逐 渐 趋于 稳 定 和 成 熟 ， 嵌 入 式 系 统 也 不 例 外 。 嵌 入 式 系 统 的 出 现 最 初 是 基 于 单 片

5、 机 的 。 70 年 代 单 片 机 的 出 现 ， 使 得汽 车 、 家 电 、 工 业 机 器 、 通 信 装 置 以 及 成 千 上 万 种 产 品 可 以 通 过 内 嵌 电 子 装置 来 获 得 更 佳 的 使 用 性 能 ： 更 容 易 使 用 、 更 快 、 更 便 宜 。 这 些 装 置 已 经 初 步具 备 了 嵌 入 式 的 应 用 特 点 ， 但 是 这 时 的 应 用 只 是 使 用 8 位 的 芯 片 ， 执 行 一些 单 线 程 的 程 序 ， 还 谈 不 上 “系 统 ”的 概 念 。 提 示 ： 最 早 的 单 片 机 是 Intel 公 司 的 8048，

6、它 出 现 在 1976 年 。Motorola 同 时 推 出 了 68HC05， Zilog 公 司 推 出 了 Z80 系 列 ， 这 些 早 期 的 单片 机 均 含 有 256 字 节 的 RAM、 4K 的 ROM、 4 个 8 位 并 口 、 1 个 全 双 工 串 行 口 、两 个 16 位 定 时 器 。 之 后 在 80 年 代 初 ， Intel 又 进 一 步 完 善 了 8048， 在它 的 基 础 上 研 制 成 功 了 8051， 这 在 单 片 机 的 历 史 上 是 值 得 纪 念 的 一 页 ， 迄今 为 止 ， 51 系 列 的 单 片 机 仍 然 是 最

7、 为 成 功 的 单 片 机 芯 片 ， 在 各 种 产 品 中 有 着非 常 广 泛 的 应 用 。 从 80 年 代 早 期 开 始 ， 嵌 入 式 系 统 的 程 序 员 开 始 用 商 业 级 的 “操 作 系 统 ”编 写 嵌 入 式 应 用 软 件 ， 这 使 得 可 以 获 取 更 短 的 开 发 周 期 ， 更 低 的 开 发 资 金 和更 高 的 开 发 效 率 ， “嵌 入 式 系 统 ”真 正 出 现 了 。 确 切 点 说 ， 这 个 时 候 的 操 作系 统 是 一 个 实 时 核 ， 这 个 实 时 核 包 含 了 许 多 传 统 操 作 系 统 的 特 征 ， 包

8、 括 任务 管 理 、 任 务 间 通 讯 、 同 步 与 相 互 排 斥 、 中 断 支 持 、 内 存 管 理 等 功 能 。 其中 比 较 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 等 。 这些 嵌 入 式 操 作 系 统 都 具 有 嵌 入 式 的 典 型 特 点 ： 它 们 均 采 用 占 先 式 的 调 度 ， 响应 的 时 间 很 短 ， 任 务 执 行 的 时 间 可 以 确 定 ； 系 统 内 核 很 小

9、 ， 具 有 可 裁 剪 ，可 扩 充 和 可 移 植 性 ， 可 以 移 植 到 各 种 处 理 器 上 ； 较 强 的 实 时 和 可 靠 性 ， 适 合嵌 入 式 应 用 。 这 些 嵌 入 式 实 时 多 任 务 操 作 系 统 的 出 现 ， 使 得 应 用 开 发 人 员得 以 从 小 范 围 的 开 发 解 放 出 来 ， 同 时 也 促 使 嵌 入 式 有 了 更 为 广 阔 的 应 用 空 间 。90 年 代 以 后 ， 随 着 对 实 时 性 要 求 的 提 高 ， 软 件 规 模 不 断 上 升 ， 实 时 核 逐渐 发 展 为 实 时 多 任 务 操 作 系 统 （ R

10、TOS） ， 并 作 为 一 种 软 件 平 台 逐 步 成 为 目前 国 际 嵌 入 式 系 统 的 主 流 。 这 时 候 更 多 的 公 司 看 到 了 嵌 入 式 系 统 的 广 阔 发 展前 景 ， 开 始 大 力 发 展 自 己 的 嵌 入 式 操 作 系 统 。 除 了 上 面 的 几 家 老 牌 公 司 以 外 ，还 出 现 了 Palm OS， WinCE， 嵌 入 式 Linux， Lynx， Nucleux， 以 及 国 内 的Hopen， Delta Os 等 嵌 入 式 操 作 系 统 。 随 着 嵌 入 式 技 术 的 发 展 前 景 日 益 广 阔 ，相 信 会

11、有 更 多 的 嵌 入 式 操 作 系 统 软 件 出 现 。 在 中 国 嵌 入 式 系 统 领 域 ， 比 较 认 同 的 嵌 入 式 系 统 概 念 是 ： 嵌 入 式 系 统 是以 应 用 为 中 心 ， 以 计 算 机 技 术 为 基 础 ， 并 且 软 硬 件 可 裁 剪 ， 适 用 于 应 用 系 统对 功 能 、 可 靠 性 、 成 本 、 体 积 、 功 耗 有 严 格 要 求 的 专 用 计 算 机 系 统 。 它 一 般由 嵌 入 式 微 处 理 器 、 外 围 硬 件 设 备 、 嵌 入 式 操 作 系 统 以 及 用 户 的 应 用 程 序 等四 个 部 分 组 成

12、， 用 于 实 现 对 其 他 设 备 的 控 制 、 监 视 或 管 理 等 功 能 。 定 义定 义 可 从 几 方 面 来 理 解 嵌 入 式 系 统 ： 嵌 入 式 系 统 是 面 向 用 户 、 面 向 产 品 、 面 向 应 用 的 ， 它 必 须 与 具 体 应 用相 结 合 才 会 具 有 生 命 力 、 才 更 具 有 优 势 。 因 此 可 以 这 样 理 解 上 述 三 个 面 向 的含 义 ， 即 嵌 入 式 系 统 是 与 应 用 紧 密 结 合 的 ， 它 具 有 很 强 的 专 用 性 ， 必 须 结 合实 际 系 统 需 求 进 行 合 理 的 裁 减 利 用

13、。 嵌 入 式 系 统 是 将 先 进 的 计 算 机 技 术 、 半 导 体 技 术 和 电 子 技 术 和 各 个 行业 的 具 体 应 用 相 结 合 后 的 产 物 ， 这 一 点 就 决 定 了 它 必 然 是 一 个 技 术 密 集 、 资金 密 集 、 高 度 分 散 、 不 断 创 新 的 知 识 集 成 系 统 。 所 以 ， 介 入 嵌 入 式 系 统 行 业 ，必 须 有 一 个 正 确 的 定 位 。 例 如 Palm 之 所 以 在 PDA 领 域 占 有 70%以 上 的 市 场 ，就 是 因 为 其 立 足 于 个 人 电 子 消 费 品 ， 着 重 发 展 图

14、形 界 面 和 多 任 务 管 理 ； 而 风河 的 Vxworks 之 所 以 在 火 星 车 上 得 以 应 用 ， 则 是 因 为 其 高 实 时 性 和 高 可 靠 性 。 嵌 入 式 系 统 必 须 根 据 应 用 需 求 对 软 硬 件 进 行 裁 剪 ， 满 足 应 用 系 统 的 功能 、 可 靠 性 、 成 本 、 体 积 等 要 求 。 所 以 ， 如 果 能 建 立 相 对 通 用 的 软 硬 件 基 础 ，然 后 在 其 上 开 发 出 适 应 各 种 需 要 的 系 统 ， 是 一 个 比 较 好 的 发 展 模 式 。 目 前 的嵌 入 式 系 统 的 核 心 往

15、往 是 一 个 只 有 几 K 到 几 十 K 微 内 核 ， 需 要 根 据 实 际 的使 用 进 行 功 能 扩 展 或 者 裁 减 ， 但 是 由 于 微 内 核 的 存 在 ， 使 得 这 种 扩 展 能 够 非常 顺 利 的 进 行 。 实 际 上 ， 嵌 入 式 系 统 本 身 是 一 个 外 延 极 广 的 名 词 ， 凡 是 与 产 品 结 合 在 一起 的 具 有 嵌 入 式 特 点 的 控 制 系 统 都 可 以 叫 嵌 入 式 系 统 ， 而 且 有 时 很 难 以 给 它下 一 个 准 确 的 定 义 。 现 在 人 们 讲 嵌 入 式 系 统 时 ， 某 种 程 度

16、上 指 近 些 年 比 较 热的 具 有 操 作 系 统 的 嵌 入 式 系 统 ， 本 文 在 进 行 分 析 和 展 望 时 ， 也 沿 用 这 一 观 点 。一 般 而 言 ， 嵌 入 式 系 统 的 构 架 可 以 分 成 四 个 部 分 ： 处 理 器 、 存 储 器 、输 入 输 出 （ I/O） 和 软 件 （ 由 于 多 数 嵌 入 式 设 备 的 应 用 软 件 和 操 作 系 统 都 是紧 密 结 合 的 ， 在 这 里 我 们 对 其 不 加 区 分 ， 这 也 是 嵌 入 式 系 统 和 Windows 系统 的 最 大 区 别 ） 。 关 联 概 念嵌 入 式 系 统

17、 中 有 许 多 非 常 重 要 的 概 念 ： 1、 嵌 入 式 处 理 器 嵌 入 式 系 统 的 核 心 ， 是 控 制 、 辅 助 系 统 运 行 的 硬 件 单 元 。 范 围 极 其 广阔 ， 从 最 初 的 4 位 处 理 器 ， 目 前 仍 在 大 规 模 应 用 的 8 位 单 片 机 ， 到 最 新 的受 到 广 泛 青 睐 的 32 位 ， 64 位 嵌 入 式 CPU。 2、 实 时 操 作 系 统 实 时 操 作 系 统 （ RTOS-Real Time Operating System） ： 嵌 入 式 系 统 目 前 最 主 要 的 组 成 部 分 。 根 据 操

18、 作 系 统 的 工 作 特 性 ， 实 时 是指 物 理 进 程 的 真 实 时 间 。 实 时 操 作 系 统 具 有 实 时 性 ， 能 从 硬 件 方 面 支 持 实时 控 制 系 统 工 作 的 操 作 系 统 。 其 中 实 时 性 是 第 一 要 求 ， 需 要 调 度 一 切 可 利 用的 资 源 完 成 实 时 控 制 任 务 ， 其 次 才 着 眼 于 提 高 计 算 机 系 统 的 使 用 效 率 ， 重要 特 点 是 要 满 足 对 时 间 的 限 制 和 要 求 。 3、 分 时 操 作 系 统 对 于 分 时 操 作 系 统 ， 软 件 的 执 行 在 时 间 上

19、的 要 求 ， 并 不 严 格 ， 时 间 上 的错 误 ， 一 般 不 会 造 成 灾 难 性 的 后 果 。 目 前 分 时 系 统 的 强 项 在 于 多 任 务 的 管理 ， 而 实 时 操 作 系 统 的 重 要 特 点 是 具 有 系 统 的 可 确 定 性 ， 即 系 统 能 对 运 行 情况 的 最 好 和 最 坏 等 的 情 况 能 做 出 精 确 的 估 计 。 4、 多 任 务 操 作 系 统 系 统 支 持 多 任 务 管 理 和 任 务 间 的 同 步 和 通 信 ， 传 统 的 单 片 机 系 统 和DOS 系 统 等 对 多 任 务 支 持 的 功 能 很 弱 ，

20、 而 目 前 的 Windows 是 典 型 的 多 任 务操 作 系 统 。 在 嵌 入 式 应 用 领 域 中 ， 多 任 务 是 一 个 普 遍 的 要 求 。 5、 实 时 操 作 系 统 中 的 重 要 概 念 系 统 响 应 时 间 （ System response time） ： 系 统 发 出 处 理 要 求 到 系 统给 出 应 答 信 号 的 时 间 。 任 务 换 道 时 间 （ Context-switching time） ： 任 务 之 间 切 换 而 使 用 的时 间 。 中 断 延 迟 （ Interrupt latency） ： 计 算 机 接 收 到 中

21、断 信 号 到 操 作 系 统作 出 响 应 ， 并 完 成 换 道 转 入 中 断 服 务 程 序 的 时 间 。 6、 实 时 操 作 系 统 的 工 作 状 态 实 时 系 统 中 的 任 务 有 四 种 状 态 ： 运 行 （ Executing） ， 就 绪 （ Ready） ，挂 起 （ Suspended） ， 冬 眠 （ Dormant） 。 运 行 ： 获 得 CPU 控 制 权 。 就 绪 ： 进 入 任 务 等 待 队 列 ， 通 过 调 度 转 为 运 行 状 态 。 挂 起 ： 任 务 发 生 阻 塞 ， 移 出 任 务 等 待 队 列 ， 等 待 系 统 实 时 事

22、 件 的 发 生 而唤 醒 ， 从 而 转 为 就 绪 或 运 行 。 冬 眠 ： 任 务 完 成 或 错 误 等 原 因 被 清 除 的 任 务 ， 也 可 以 认 为 是 系 统 中 不 存在 的 任 务 。 任 何 时 刻 系 统 中 只 能 有 一 个 任 务 在 运 行 状 态 ， 各 任 务 按 级 别 通 过 时 间 片分 别 获 得 对 CPU 的 访 问 权 。 编 辑 本 段 特 点重 要 特 征这 些 年 来 掀 起 了 嵌 入 式 系 统 应 用 热 潮 的 原 因 只 要 有 几 个 方 面 ： 一 是 芯 片技 术 的 发 展 ， 使 得 单 个 芯 片 具 有 更

23、 强 的 处 理 能 力 ， 而 且 使 集 成 多 种 接 口 已经 成 为 可 能 ， 众 多 芯 片 生 产 厂 商 已 经 将 注 意 力 集 中 在 这 方 面 。 另 一 方 面 的 原因 就 是 应 用 的 需 要 ， 由 于 对 产 品 可 靠 性 、 成 本 、 更 新 换 代 要 求 的 提 高 ， 使 得嵌 入 式 系 统 逐 渐 从 纯 硬 件 实 现 和 使 用 通 用 计 算 机 实 现 的 应 用 中 脱 颖 而 出 ，成 为 近 年 来 令 人 关 注 的 焦 点 。 从 上 面 的 定 义 ， 我 们 可 以 看 出 嵌 入 式 系 统 的 几 个 重 要 特

24、 征 ： 1 系 统 内 核 小 。 由 于 嵌 入 式 系 统 一 般 是 应 用 于 小 型 电 子 装 置 的 ， 系 统资 源 相 对 有 限 ， 所 以 内 核 较 之 传 统 的 操 作 系 统 要 小 得 多 。 比 如 Enea 公 司 的OSE 分 布 式 系 统 ， 内 核 只 有 5K， 而 Windows 的 内 核 ？ 简 直 没 有 可 比 性 。 2 专 用 性 强 。 嵌 入 式 系 统 的 个 性 化 很 强 ， 其 中 的 软 件 系 统 和 硬 件 的 结合 非 常 紧 密 ， 一 般 要 针 对 硬 件 进 行 系 统 的 移 植 ， 即 使 在 同 一

25、 品 牌 、 同 一 系 列的 产 品 中 也 需 要 根 据 系 统 硬 件 的 变 化 和 增 减 不 断 进 行 修 改 。 同 时 针 对 不 同 的任 务 ， 往 往 需 要 对 系 统 进 行 较 大 更 改 ， 程 序 的 编 译 下 载 要 和 系 统 相 结 合 ， 这种 修 改 和 通 用 软 件 的 “升 级 ”是 完 全 两 个 概 念 。 3 系 统 精 简 。 嵌 入 式 系 统 一 般 没 有 系 统 软 件 和 应 用 软 件 的 明 显 区 分 ，不 要 求 其 功 能 设 计 及 实 现 上 过 于 复 杂 ， 这 样 一 方 面 利 于 控 制 系 统 成

26、 本 ， 同 时也 利 于 实 现 系 统 安 全 。 4 高 实 时 性 的 系 统 软 件 (OS)是 嵌 入 式 软 件 的 基 本 要 求 。 而 且 软 件 要 求固 态 存 储 ， 以 提 高 速 度 ； 软 件 代 码 要 求 高 质 量 和 高 可 靠 性 。 5 嵌 入 式 软 件 开 发 要 想 走 向 标 准 化 ， 就 必 须 使 用 多 任 务 的 操 作 系 统 。嵌 入 式 系 统 的 应 用 程 序 可 以 没 有 操 作 系 统 直 接 在 芯 片 上 运 行 ； 但 是 为 了 合 理地 调 度 多 任 务 、 利 用 系 统 资 源 、 系 统 函 数 以

27、 及 和 专 家 库 函 数 接 口 ， 用 户 必须 自 行 选 配 RTOS（ Real Time Operating System） 开 发 平 台 ， 这 样 才 能 保证 程 序 执 行 的 实 时 性 、 可 靠 性 ， 并 减 少 开 发 时 间 ， 保 障 软 件 质 量 。 6 嵌 入 式 系 统 开 发 需 要 开 发 工 具 和 环 境 。 由 于 其 本 身 不 具 备 自 举 开 发能 力 ， 即 使 设 计 完 成 以 后 用 户 通 常 也 是 不 能 对 其 中 的 程 序 功 能 进 行 修 改 的 ，必 须 有 一 套 开 发 工 具 和 环 境 才 能 进

28、 行 开 发 ， 这 些 工 具 和 环 境 一 般 是 基 于 通 用计 算 机 上 的 软 硬 件 设 备 以 及 各 种 逻 辑 分 析 仪 、 混 合 信 号 示 波 器 等 。 开 发 时往 往 有 主 机 和 目 标 机 的 概 念 ， 主 机 用 于 程 序 的 开 发 ， 目 标 机 作 为 最 后 的 执 行机 ， 开 发 时 需 要 交 替 结 合 进 行 。 嵌 入 式 微 处 理 器 特 点嵌 入 式 系 统 的 核 心 是 嵌 入 式 微 处 理 器 。 嵌 入 式 微 处 理 器 一 般 就 具 备 以 下4 个 特 点 ： 1） 对 实 时 任 务 有 很 强 的

29、 支 持 能 力 ， 能 完 成 多 任 务 并 且 有 较 短 的 中 断 响应 时 间 ， 从 而 使 内 部 的 代 码 和 实 时 内 核 心 的 执 行 时 间 减 少 到 最 低 限 度 。 2） 具 有 功 能 很 强 的 存 储 区 保 护 功 能 。 这 是 由 于 嵌 入 式 系 统 的 软 件 结 构已 模 块 化 ， 而 为 了 避 免 在 软 件 模 块 之 间 出 现 错 误 的 交 叉 作 用 ， 需 要 设 计 强 大的 存 储 区 保 护 功 能 ， 同 时 也 有 利 于 软 件 诊 断 。 3） 可 扩 展 的 处 理 器 结 构 ， 以 能 最 迅 速

30、地 开 发 出 满 足 应 用 的 最 高 性 能 的嵌 入 式 微 处 理 器 。 4） 嵌 入 式 微 处 理 器 必 须 功 耗 很 低 ， 尤 其 是 用 于 便 携 式 的 无 线 及 移 动 的计 算 和 通 信 设 备 中 靠 电 池 供 电 的 嵌 入 式 系 统 更 是 如 此 ， 如 需 要 功 耗 只 有 mW甚 至 W 级 。 2.3、 嵌 入 式 计 算 机 同 通 用 型 计 算 机 系 统 的 不 同 点 1.嵌 入 式系 统 通 常 是 面 向 特 定 应 用 的 嵌 入 式 CPU 与 通 用 型 的 最 大 不 同 就 是 嵌 入 式CPU 大 多 工 作

31、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 ， 能 够 把 通 用 CPU 中 许 多 由 板 卡 完 成 的 任 务 集 成 在 芯 片 内 部 ，从 而 有 利 于 嵌 入 式 系 统 设 计 趋 于 小 型 化 ， 移 动 能 力 大 大 增 强 ， 跟 网 络 的 耦 合也 越 来 越 紧 密 。 2.嵌 入 式 系 统 是 将 先 进 的 计 算 机 技 术 、 半 导 体 技 术 和 电 子 技 术 与 各 个 行业 的 具 体 应 用 相 结 合 后 的 产 物 。 这 一 点 就 决

32、定 了 它 必 然 是 一 个 技 术 密 集 、 资金 密 集 、 高 度 分 散 、 不 断 创 新 的 知 识 集 成 系 统 。 3.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 在 具 体 应 用 中 对 处 理 器的 选 择 更 具 有 竞 争 力 。 4.嵌 入 式 系 统 和 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 ， 因 此 嵌 入

33、式 系 统 产 品 一 旦 进 入 市 场 ， 具 有 较 长 的 生 命 周 期 。 5.为 了 提 高 执 行 速 度 和 系 统 可 靠 性 ， 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 ， 而 不 是 存 贮 于 磁 盘 等 载 体 中 。 6.嵌 入 式 系 统 本 身 不 具 备 自 举 开 发 能 力 ， 即 使 设 计 完 成 以 后 用 户 通 常 也是 不 能 对 其 中 的 程 序 功 能 进 行 修 改 的 ， 必 须 有 一 套 开 发 工 具 和 环 境 才 能 进 行开 发 。 7.目 前 ， 嵌 入

34、 式 系 统 多 用 于 手 机 等 操 作 系 统 的 开 发 。 具 有 巨 大 的 市 场 潜力 . 编 辑 本 段 分 类由 于 嵌 入 式 系 统 由 硬 件 和 软 件 两 大 部 分 组 成 ， 所 以 其 分 类 也 可 以 从 硬 件和 软 件 进 行 划 分 。 基 于 硬 件 的 视 觉从 硬 件 方 面 来 讲 ， 各 式 各 样 的 嵌 入 式 处 理 器 是 嵌 入 式 系 统 硬 件 中 的 最 核心 的 部 分 ， 而 目 前 世 界 上 具 有 嵌 入 式 功 能 特 点 的 处 理 器 已 经 超 过 1000 种 ，流 行 体 系 结 构 包 括 MCU，

35、 MPU 等 30 多 个 系 列 。 鉴 于 嵌 入 式 系 统 广 阔 的 发 展 前景 ， 很 多 半 导 体 制 造 商 都 大 规 模 生 产 嵌 入 式 处 理 器 ， 并 且 公 司 自 主 设 计 处 理器 也 已 经 成 为 了 未 来 嵌 入 式 领 域 的 一 大 趋 势 ， 其 中 从 单 片 机 、 DSP 到 FPGA有 着 各 式 各 样 的 品 种 ， 速 度 越 来 越 快 ， 性 能 越 来 越 强 ， 价 格 也 越 来 越 低 。 目前 嵌 入 式 处 理 器 的 寻 址 空 间 可 以 从 64kB 到 16MB， 处 理 速 度 最 快 可 以 达

36、到2000 MIPS， 封 装 从 8 个 引 脚 到 144 个 引 脚 不 等 。 根 据 其 现 状 ， 嵌 入 式 处 理 器 可 以 分 成 下 面 几 类 ： 1、 嵌 入 式 微 处 理 器 （ Micro Processor Unit， MPU） 嵌 入 式 微 处 理 器 是 由 通 用 计 算 机 中 的 CPU 演 变 而 来 的 。 它 的 特 征 是 具有 32 位 以 上 的 处 理 器 ， 具 有 较 高 的 性 能 ， 当 然 其 价 格 也 相 应 较 高 。 但 与计 算 机 处 理 器 不 同 的 是 ， 在 实 际 嵌 入 式 应 用 中 ， 只 保 留

37、 和 嵌 入 式 应 用 紧 密 相关 的 功 能 硬 件 ， 去 除 其 他 的 冗 余 功 能 部 分 ， 这 样 就 以 最 低 的 功 耗 和 资 源 实 现嵌 入 式 应 用 的 特 殊 要 求 。 和 工 业 控 制 计 算 机 相 比 ， 嵌 入 式 微 处 理 器 具 有 体 积小 、 重 量 轻 、 成 本 低 、 可 靠 性 高 的 优 点 。 目 前 主 要 的 嵌 入 式 处 理 器 类 型 有Am186/88、 386EX、 SC-400、 Power PC、 68000、 MIPS、 ARM/ StrongARM 系列 等 。 其 中 Arm/StrongArm 是

38、 专 为 手 持 设 备 开 发 的 嵌 入 式 微 处 理 器 ， 属 于 中 档的 价 位 。 2、 嵌 入 式 微 控 制 器 (Microcontroller Unit, MCU) 嵌 入 式 微 控 制 器 的 典 型 代 表 是 单 片 机 ， 从 70 年 代 末 单 片 机 出 现 到 今 天 ，虽 然 已 经 经 过 了 20 多 年 的 历 史 ， 但 这 种 8 位 的 电 子 器 件 目 前 在 嵌 入 式 设 备中 仍 然 有 着 极 其 广 泛 的 应 用 。 单 片 机 芯 片 内 部 集 成 ROM/EPROM、 RAM、 总 线 、总 线 逻 辑 、 定 时

39、/计 数 器 、 看 门 狗 、 I/O、 串 行 口 、 脉 宽 调 制 输 出 、A/D、 D/A、 Flash RAM、 EEPROM 等 各 种 必 要 功 能 和 外 设 。 和 嵌 入 式 微 处 理 器相 比 ， 微 控 制 器 的 最 大 特 点 是 单 片 化 ， 体 积 大 大 减 小 ， 从 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 统 工 业 的 主 流 。 微 控 制 器 的 片 上外 设 资 源 一 般 比 较 丰 富 ， 适 合 于 控 制 ， 因 此 称 微 控 制 器 。 由 于 MCU 低 廉

40、的 价 格 ， 优 良 的 功 能 ， 所 以 拥 有 的 品 种 和 数 量 最 多 ， 比 较有 代 表 性 的 包 括 8051、 MCS-251、 MCS-96/196/296、 P51XA、 C166/167、 68K 系 列 以 及 MCU 8XC930/931、 C540、 C541， 并 且 有 支 持 I2C、 CAN-Bus、 LCD 及 众 多 专 用MCU 和 兼 容 系 列 。 目 前 MCU 占 嵌 入 式 系 统 约 70%的 市 场 份 额 。 近 来 Atmel出 产 的 Avr 单 片 机 由 于 其 集 成 了 FPGA 等 器 件 ， 所 以 具 有 很

41、 高 的 性 价 比 ， 势必 将 推 动 单 片 机 获 得 更 高 的 发 展 。 3、 嵌 入 式 DSP 处 理 器 (Embedded Digital Signal Processor, EDSP) DSP 处 理 器 是 专 门 用 于 信 号 处 理 方 面 的 处 理 器 ， 其 在 系 统 结 构 和 指 令算 法 方 面 进 行 了 特 殊 设 计 ， 具 有 很 高 的 编 译 效 率 和 指 令 的 执 行 速 度 。 在 数字 滤 波 、 FFT、 谱 分 析 等 各 种 仪 器 上 DSP 获 得 了 大 规 模 的 应 用 。 DSP 的 理 论 算 法 在 70

42、 年 代 就 已 经 出 现 ， 但 是 由 于 专 门 的 DSP 处 理 器 还未 出 现 ， 所 以 这 种 理 论 算 法 只 能 通 过 MPU 等 由 分 立 元 件 实 现 。 MPU 较 低 的处 理 速 度 无 法 满 足 DSP 的 算 法 要 求 ， 其 应 用 领 域 仅 仅 局 限 于 一 些 尖 端 的 高 科技 领 域 。 随 着 大 规 模 集 成 电 路 技 术 发 展 ， 1982 年 世 界 上 诞 生 了 首 枚 DSP 芯片 。 其 运 算 速 度 比 MPU 快 了 几 十 倍 ， 在 语 音 合 成 和 编 码 解 码 器 中 得 到 了 广泛 应

43、 用 。 至 80 年 代 中 期 ， 随 着 CMOS 技 术 的 进 步 与 发 展 ， 第 二 代 基 于 CMOS工 艺 的 DSP 芯 片 应 运 而 生 ， 其 存 储 容 量 和 运 算 速 度 都 得 到 成 倍 提 高 ， 成 为 语音 处 理 、 图 像 硬 件 处 理 技 术 的 基 础 。 到 80 年 代 后 期 ， DSP 的 运 算 速 度 进 一步 提 高 ， 应 用 领 域 也 从 上 述 范 围 扩 大 到 了 通 信 和 计 算 机 方 面 。 90 年 代 后 ，DSP 发 展 到 了 第 五 代 产 品 ， 集 成 度 更 高 ， 使 用 范 围 也

44、更 加 广 阔 。 目 前 最 为 广 泛 应 用 的 是 TI 的 TMS320C2000/C5000 系 列 ， 另 外 如 Intel的 MCS-296 和 Siemens 的 TriCore 也 有 各 自 的 应 用 范 围 。 4、 嵌 入 式 片 上 系 统 (System On Chip) SoC 追 求 产 品 系 统 最 大 包 容 的 集 成 器 件 ， 是 目 前 嵌 入 式 应 用 领 域 的 热 门话 题 之 一 。 SOC 最 大 的 特 点 是 成 功 实 现 了 软 硬 件 无 缝 结 合 ， 直 接 在 处 理 器 片内 嵌 入 操 作 系 统 的 代 码

45、模 块 。 而 且 SOC 具 有 极 高 的 综 合 性 ， 在 一 个 硅 片 内部 运 用 VHDL 等 硬 件 描 述 语 言 ， 实 现 一 个 复 杂 的 系 统 。 用 户 不 需 要 再 像 传 统的 系 统 设 计 一 样 ， 绘 制 庞 大 复 杂 的 电 路 板 ， 一 点 点 的 连 接 焊 制 ， 只 需 要 使 用精 确 的 语 言 ， 综 合 时 序 设 计 直 接 在 器 件 库 中 调 用 各 种 通 用 处 理 器 的 标 准 ， 然后 通 过 仿 真 之 后 就 可 以 直 接 交 付 芯 片 厂 商 进 行 生 产 。 由 于 绝 大 部 分 系 统 构

46、 件都 是 在 系 统 内 部 ， 整 个 系 统 就 特 别 简 洁 ， 不 仅 减 小 了 系 统 的 体 积 和 功 耗 ， 而且 提 高 了 系 统 的 可 靠 性 ， 提 高 了 设 计 生 产 效 率 。 由 于 SOC 往 往 是 专 用 的 ， 所 以 大 部 分 都 不 为 用 户 所 知 ， 比 较 典 型 的SOC 产 品 是 Philips 的 Smart XA。 少 数 通 用 系 列 如 Siemens 的TriCore， Motorola 的 M-Core， 某 些 ARM 系 列 器 件 ， Echelon 和 Motorola联 合 研 制 的 Neuron

47、芯 片 等 。 预 计 不 久 的 将 来 ， 一 些 大 的 芯 片 公 司 将 通 过 推 出 成 熟 的 、 能 占 领 多 数 市场 的 SOC 芯 片 ， 一 举 击 退 竞 争 者 。 SOC 芯 片 也 将 在 声 音 、 图 像 、 影 视 、 网 络及 系 统 逻 辑 等 应 用 领 域 中 发 挥 重 要 作 用 。 基 于 软 件 的 视 觉从 软 件 方 面 划 分 ， 主 要 可 以 依 据 操 作 系 统 的 类 型 。 目 前 嵌 入 式 系 统 的 软件 主 要 有 两 大 类 ： 实 时 系 统 和 分 时 系 统 。 其 中 实 时 系 统 又 分 为 两

48、类 ： 硬 实 时系 统 和 软 实 时 系 统 。 实 时 嵌 入 系 统 是 为 执 行 特 定 功 能 而 设 计 的 ， 可 以 严 格 的 按 时 序 执 行 功 能 。其 最 大 的 特 征 就 是 程 序 的 执 行 具 有 确 定 性 。 在 实 时 系 统 中 ， 如 果 系 统 在 指 定的 时 间 内 未 能 实 现 某 个 确 定 的 任 务 ， 会 导 致 系 统 的 全 面 失 败 ， 则 系 统 被 称 为硬 实 时 系 统 。 而 在 软 实 时 系 统 中 ， 虽 然 响 应 时 间 同 样 重 要 ， 但 是 超 时 却 不 会导 致 致 命 错 误 。 一

49、 个 硬 实 时 系 统 往 往 在 硬 件 上 需 要 添 加 专 门 用 于 时 间 和 优 先级 管 理 的 控 制 芯 片 ， 而 软 实 时 系 统 则 主 要 在 软 件 方 面 通 过 编 程 实 现 时 限 的 管理 。 比 如 Windows CE 就 是 一 个 多 任 务 分 时 系 统 ， 而 Ucos-II 则 是 典 型 的 实时 操 作 系 统 。 当 然 ， 除 了 上 述 分 类 之 外 ， 还 有 许 多 其 他 分 类 方 法 ， 比 如 从 应 用 方 面 分为 工 业 应 用 和 消 费 电 子 等 ， 在 这 里 就 不 一 一 累 述 了 。 编 辑 本 段 系 统 组 成简 介一 个 嵌 入 式 系 统 装 置 一 般 都 由 嵌 入 式 计 算 机 系 统 和 执 行 装 置 组 成 ， 如图 1-1 所 示 ， 嵌 入 式 计 算 机 系 统 是 整 个 嵌 入 式 系 统 的 核 心 ， 由 硬 件 层 、 中 间层 、 系 统 软 件 层 和 应 用 软 件 层 组 成 。 执 行 装 置 也 称 为 被 控 对 象 ， 它 可 以 接受 嵌 入 式 计 算 机 系 统 发 出 的 控 制 命 令 ， 执 行 所 规 定 的 操 作 或 任 务 。 执 行 装置 可 以 很 简 单 ， 如