嵌入式系统简介

嵌入式系统简介1 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 ”。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。 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。定义可以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。 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。 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。2 嵌入式系统的构架一般而言，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，这也是嵌入式系统和 Windows 系 统的最大区别）。3 嵌入式系统的重要特征这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因主要有几个方面：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。二是应用的需要，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。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。简直没有可比性。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。比如Enea公司的OSE分布式系统，内核只有5K，而Windows的内核？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。4 嵌入式微处理器的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MW级。5 嵌入式系统的组成5.1 硬件层包含嵌入式微处理器、存储器（ SDRAM 、ROM 、Flash 等）、通用设备接口和 I/O 接口（ A/D D/A、I/O 等）。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个 嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在 ROM 中。5.1.1 嵌入式微处理器嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器与通用 CPU 最大的不同在于嵌 入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将通用 CPU 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在设计时趋于小型化， 同时还具有很高的效率和可靠性。5.1.2 存储器嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码。嵌入式系统的存储器包含 Cache 、主存和辅助存储 器。1）CacheCache 是一种容量小、速度快的存储器阵列它位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是 最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。 在需要进行数据读取操作时， 微处理器尽可能 的从 Cache 中读取数据，而不是从主存中读取，这样就大大改善了系统的性能，提高了微处理器和 主存之间的数据传输速率。 Cache 的主要目标就是：减小存储器（如主存和辅助存储器）给微处理 器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快，实时性更强。在嵌入式系统中 Cache 全部集成在嵌入式微处理器内，可分为数据 Cache 、指令 Cache 或混合Cache ，Cache 的大小依不同处理器而定。一般中高档的嵌入式微处理器才会把Cache 集成进去。2)主存主存是嵌入式微处理器能直接访问的寄存器， 用来存放系统和用户的程序及数据。 它可以位于 微处理器的内部或外部，其容量为 256KB1GB ，根据具体的应用而定，一般片内存储器容量小， 速度快，片外存储器容量大。3)辅助存储器 辅助存储器用来存放大数据量的程序代码或信息， 它的容量大、 但读取速度与主存相比就慢的 很多，用来长期保存用户的信息。5.1.3 通用设备接口和 I/O 接口嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口，如A/D 、D/A 、I/O 等，外设通过和片外其他设备的或传感器的连接来实现微处理器的输入 /输出功能。每个外设通常都只有单一的功能， 它可以在芯片外也可以内置芯片中。外设的种类很多， 可从一个简单的串行通信设备到非常复杂的 802.11 无线设备。5.2 中间层硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层( Hardware Abstract Layer ，HAL )或板级 支持包(Board Support Package , BSP ),它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使系统的底层驱 动程序与硬件无关，上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据 BSP 层提供的接口即 可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。BSP 具有以下两个特点。硬件相关性：因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，而作为上层软 件与硬件平台 之间的接口， BSP 需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。操作系统相关性：不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此，不同的操作系统具有特定 的硬件接口形式。实际上， BSP 是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次， 包括了系统中大部分与硬件联 系紧密的软件模块。设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：嵌入式系统的硬件初始化以及 BSP 功能，设计硬件相关的设备驱动。5.3 系统软件层系统软件层由实时多任务操作系统( Real-time Operation System， RTOS ) 、文件系统、图形用 户接口( Graphic User Interface, GUI)、网络系统及通用组件模块组成。 RTOS是嵌入式应用软件 的基础和开发平台。嵌入式操作系统(Embedded Operation System ， EOS )是一种用途广泛的系统软件，过去它主 要应用与工业控制和国防系统领域。 EOS 负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控 制、协调并发活动。它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功6 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括：6.1 工业控制基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展，目前已经有大量的 8、 16、 32 位嵌入 式微控制器在应用中，网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途径，如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。就传统的工业控制产品而言，低端型采用的往往是8位单片机。但是随着技术的发展，32位、64位的处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来几年内必将获得长足的发展。6.2 交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用， 内嵌 GPS 模块， GSM 模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。目前 GPS 设备 已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元，就可以随时随地找到你的位置。6.3 信息家电这将称为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入 一个崭新的空间。即使你不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控制。在这些设备中，嵌入 式系统将大有用武之地。6.4 家庭智能管理系统水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有的专用控制芯片将代替传统 的人工检查，并实现更高，更准确和更安全的性能。目前在服务领域，如远程点菜器等已经体现了 嵌入式系统的优势。6.5 POS 网络及电子商务公共交通无接触智能卡 (Contactless Smartcard, CSC) 发行系统，公共电话卡发行系统，自动售 货机，各种智能 ATM 终端将全面走入人们的生活，到时手持一卡就可以行遍天下。6.6 环境工程与自然水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水 源和空气污染监测。在很多环境恶劣，地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。6.7 机器人嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化， 高智能方面优势更加明显， 同时会大幅度降低机器人 的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。这些应用中，可以着重于在控制方面的应用。就远程家电控制而言，除了开发出支持 TCP/IP 的嵌入式系统之外， 家电产品控制协议也需要制订和统一， 这需要家电生产厂家来做。 同样的道理， 所有基于网络的远程控制器件都需要与嵌入式系统之间实现接口， 然后再由嵌入式系统来控制并通 过网络实现控制。所以，开发和探讨嵌入式系统有着十分重要的意义。6.8 嵌入式系统在机电产品方面的应用相对于其他的领域， 机电产品可以说是嵌入式系统应用最典型最广泛的领域之一。 从最初的单 片机到现在的工控机、 SOC 在各种机电产品中均有着巨大的市场。工业设备是机电产品中最大的一类，在目前的工业控制设备中，工控机的使用非常广泛，这些 工控机一般采用的是工业级的处理器和各种设备，其中以 X86 的 MPU 最多。家电行业是嵌入式应用的另一大行业，我们传统的电视，电冰箱当然其中也嵌有处理器，但是 这些处理器只是在控制方面应用。 而现在只有按钮、开关的电器显然已经不能满足人们的日常需求， 具有用户界面，能远程控制，智能管理的电器是未来的发展趋势。7 未来嵌入式系统的发展趋势信息时代，数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机， 为嵌入式市场展现了美好的前景， 同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战，从中我们可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势：（1）嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本 身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。目前很多厂商已经充分考虑到这一点，在主推系统的同时，将开发环境也作为重点推广。比如 三星在推广Arm7 , Arm9芯片的同时还提供开发板和版及支持包（BSP ）,而WindowCE在主推系 统时也提供 Embedded VC 作为开发工具， 还有 Vxworks 的 Tonado 开发环境， DeltaOS 的 Limda 编译环境等等都是这一趋势的典型体现。当然，这也是市场竞争的结果。（ 2）网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高，使得以往单一功 能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂。这就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能， 为了满足应用功能的升级， 设计师们一方面 采用更强大的嵌入式处理器如 32位、64位RISC芯片或信号处理器DSP增强处理能力，同时增加 功能接口，如USB，扩展总线类型，如CAN BUS，加强对多媒体、图形等的处理，逐步实施片上 系统（SOC ）的概念。软件方面采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性， 简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。如 HP（ 3）网络互联成为必然趋势。未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求， 必然要求硬件上提供各种网络通信接口。 传统的 单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口，除了支持TCPIP协议，还有的支持 IEEE1394、 USB、 CAN、 Bluetooth 或 IrDA 通信接口中的一种或者几种，同时 也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。 软件方面系统系统内核支持网络模块，甚 至可以在设备上嵌入 Web 浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网。（ 4）精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备， 为了减低功耗和成本， 需要设计者尽量精简系统 内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能，这就要求设计者 选用最佳的编程模型和不断改进算法，优化编译器性能。因此，既要软件人员有丰富的硬件知识， 又需要发展先进嵌入式软件技术，如 Java、Web和WAP等。（ 5）提供友好的多媒体人机界面嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面。图像界面， 灵活的控制方式， 使得人们感觉嵌入式设备就象是一个熟悉的老朋友。 这方面的要求使得嵌入式软 件设计者要在图形界面，多媒体技术上痛下苦功。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以 及彩色图形、图像都会使使用者获得自由的感受。目前一些先进的 PDA 在显示屏幕上已实现汉字 写入、短消息语音发布，但一般的嵌入式设备距离这个要求还有很长的路要走。参考文献：嵌入式处理器分类与现状 吕京建 肖海桥 DSP 发展应用纵横谈 戴 敏