嵌入式系统41977.doc

1、嵌入式系统目录隐藏嵌入式系统简介嵌入式系统的定义嵌入式系统重要概念嵌入式系统的特点嵌入式系统的分类嵌入式系统的组成嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的现状和发展趋势嵌 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 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

2、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 地 开 展 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

3、的 嵌 入 式 系 统 更 是 如 此 ， 如 需 要 功 耗 只 有 mW 甚 至 W 级 。 嵌 入 式 计 算 机 系 统 同 通 用 型 计 算 机 系 统 相 比 具 有 以 下 特 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 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

4、 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 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

5、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 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

6、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 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 嵌 入 式 系 统 简 介嵌 入 式 系 统 本 身 是 一 个 相 对 模 糊 的 定 义 。 目 前 嵌

7、 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 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

8、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 ？ 嵌 入 式 系 统 的 历 史 虽 然 嵌 入 式 系 统 是 近 几 年 才 风 靡 起 来 的 ， 但 是 这 个 概 念 并 非 新

9、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 机 的 。 70 年 代 单 片 机 的 出 现 ， 使 得 汽 车 、 家电 、 工 业 机

10、 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 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， 它 出 现 在 1976 年 。 Motorola 同 时推 出 了 68HC05， Zilog 公

11、 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 为 成 功 的 单片 机 芯 片 ， 在 各 种 产 品 中 有 着 非 常 广 泛 的 应 用

12、 。 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 括 任 务 管 理 、 任 务 间 通 讯 、 同 步 与 相 互 排 斥 、 中 断支 持 、

13、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 ， 具 有 可 裁 剪 ， 可扩 充 和 可 移 植 性 ， 可 以 移 植 到 各 种 处 理

14、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 （ RTOS） ， 并 作 为 一 种 软 件 平 台 逐 步 成 为 目 前 国 际 嵌 入 式 系

15、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 有 更 多 的 嵌 入 式 操 作 系 统 软 件 出 现 。在 中 国 嵌 入 式 系 统 领

16、 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 ， 用 于 实 现 对 其 他 设 备 的 控 制 、 监视 或 管 理 等 功 能 。编 辑

17、本 段 嵌 入 式 系 统 的 定 义根 据 IEEE（ 国 际 电 机 工 程 师 协 会 ） 的 定 义 ， 嵌 入 式 系 统 是 “控 制 、 监 视 或 者 辅 助装 置 、 机 器 和 设 备 运 行 的 装 置 ”（ 原 文 为 devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants） 。 这 主 要 是 从 应 用 上 加 以 定 义 的 ，从 中 可 以 看 出 嵌 入 式 系 统 是 软 件 和 硬 件 的 综 合 体 ， 还 可 以 涵 盖 机

18、械 等 附 属 装 置 。 不 过 上 述 定 义 并 不 能 充 分 体 现 出 嵌 入 式 系 统 的 精 髓 ， 目 前 国 内 一 个 普 遍 被 认 同 的 定义 是 ： 以 应 用 为 中 心 、 以 计 算 机 技 术 为 基 础 、 软 件 硬 件 可 裁 剪 、 适 应 应 用 系 统 对 功 能 、可 靠 性 、 成 本 、 体 积 、 功 耗 严 格 要 求 的 专 用 计 算 机 系 统 。 这 个 定 义 上 ， 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

19、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 。 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

20、 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 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

21、 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 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

22、 ， 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 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

23、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 ） 。编 辑 本 段 嵌 入 式 系 统 重 要 概 念嵌 入 式 系 统 中 有 许 多 非 常 重 要 的 概 念 ： 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

24、 位 处 理 器 ， 目 前 仍 在 大 规 模 应 用 的 位 单 片 机 ， 到 最 新 的 受 到 广 泛 青 睐 的 32 位 ，64 位 嵌 入 式 CPU。 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 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

25、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 。 分 时 操 作 系 统 ： 对 于 分 时 操 作 系 统 ， 软 件 的 执 行 在 时 间 上 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

26、 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 。 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 ， 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 。 实 时 操 作 系 统 中 的 重 要 概 念 ： 系 统 响 应 时 间 （ System

27、 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 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 。 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） ，

28、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 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

29、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 嵌 入 式 系 统 的 特 点这 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 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

30、 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 征 ： 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

31、 OSE 分 布 式 系 统 ，内 核 只 有 5K， 而 Windows 的 内 核 ？ 简 直 没 有 可 比 性 。 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 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

32、 系 统 相 结 合 ， 这 种 修 改 和 通 用 软 件 的 “升 级 ”是 完 全 两 个 概 念 。 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 本 ， 同 时 也 利 于 实 现 系 统 安 全 。 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

33、 靠 性 。 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 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 ，

34、保 障 软 件 质 量 。 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 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

35、 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 。编 辑 本 段 嵌 入 式 系 统 的 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 。 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MC

36、U， 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

37、达 到 2000 MIPS， 封 装 从 8 个 引 脚 到 144 个 引 脚 不 等 。 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 多 任 务 有 很 强 的 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

38、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 地 开 展 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

39、有 mW 甚 至 W 级 。根 据 其 现 状 ， 嵌 入 式 处 理 器 可 以 分 成 下 面 几 类 ： 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 和 嵌 入 式 应 用 紧 密 相 关 的 功 能 硬 件 ，

40、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 专 为 手 持 设 备 开 发 的 嵌 入 式 微 处 理

41、器 ， 属 于 中 档 的 价 位 。 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 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 /计数 器 、 看 门 狗 、 I/O、 串 行 口 、 脉 宽 调

42、 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 的 价 格 ， 优 良 的 功 能 ， 所 以 拥 有 的 品 种

43、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 高 的 性 价 比 ， 势 必 将 推 动 单 片 机获 得 更

44、高 的 发 展 。 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 年 代 就 已 经 出 现 ， 但 是 由 于 专 门 的 DSP 处

45、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 用 。 至 80 年 代 中 期 ， 随 着 CMOS 技 术 的进

46、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 更 加 广 阔 。 目 前 最 为 广 泛 应 用 的 是 TI 的 T

47、MS320C2000/C5000 系 列 ， 另 外 如 Intel 的MCS-296 和 Siemens 的 TriCore 也 有 各 自 的 应 用 范 围 。 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 模 块 。 而 且 SOC 具 有 极 高 的 综 合 性 ， 在 一 个 硅

48、 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 件 都 是 在 系 统 内 部 ， 整 个 系 统 就 特 别 简 洁 ，

49、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 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 。 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