嵌入式系统

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摘要：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近才出现。嵌入式系统诞生于微型机时代，经历了漫长的发展道路。

给嵌入式系统寻求科学的定义，必须了解嵌入式系统的组成及发展。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。

关键词：嵌入式系统，实时操作系统，嵌入式微处理器，单片机。

1 引言目前，在嵌入式系统应用领域中，不少人对什么是嵌入式系统不甚了解。有些人搞了十多年的单片机应用，不知道单片机就是一个最典型的嵌入式系统；也有些人在解释什么是嵌入式系统时，不是从定义出发，而是列举了嵌入式系统的一些特点，往往不知所云。因此，有必要从现代计算的发展历史，了解嵌入式系统的由来，从学科建设的角度来**嵌入式系统较为准确的定义。

2 嵌入式系统的简介。

ieee（国际电气和电子工程师协会）对嵌入式系统的定义：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”。这主要是从应用对象上加以定义，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。

国内普遍认同的嵌入式系统定义：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。

广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。如各类单片机和dsp系统。这些系统在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点。

但由于他们没有操作系统，管理系统硬件和软件的能力有限，在实现复杂多任务功能时，往往困难重重，甚至无法实现。

从狭义上讲，那些使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己操作系统，具有特定功能，用于特定场合的专用软硬件系统称为嵌入式系统。

3 嵌入式系统的几个重要特征。

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。

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。

**要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。

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os：

这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**要求高质量和高可靠性、实时性。

5）嵌入式软件开发走向标准化：

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。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）嵌入式系统需要开发工具和环境：

由于其本身不具备自主开发能力，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，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 嵌入式系统的组成。

嵌入式系统由嵌入式硬件与嵌入式软件组成。

嵌入式硬件以芯片、模板、组件、控制器形式埋藏于设备内部。

嵌入式软件是实时多任务操作系统和各种专用软件，一般固化在rom或闪存中。

嵌入式系统软硬兼施，融为一体，成为产品，但在开发过程中需要一些开发工具进行辅助开发。

图1嵌入式系统的整体架构。

5 嵌入式系统的关联概念。

嵌入式系统中有许多非常重要的概念：

5.1 实时操作系统。

实时操作系统是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。

5.2 嵌入式处理器。

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，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。

图2嵌入式处理器。

5.3 嵌入式微处理器。

嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的cpu。在应用中，一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上，在母板上只保留和嵌入式相关的功能即可，这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。

5.4 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确定性，即系统能对运**况的最好和最坏等的情况能做出精确的估计。

5.5 多任务操作系统

多任务操作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。

6 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及支持包（bsp），而window ce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**、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**、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。

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tcp/ip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j**a、web和wap等。

5）提供友好的多**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**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。

7小结。随着信息化，智能化，网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空间。今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元，在国内，虽然嵌入式应用、开发很广，但该领域却几乎还是空白，只有三两家公司和极少数人员在从事这方面工作。

由此可见，嵌入式系统技术发展的空间是无比广大的。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。但我们相信，在不久的将来，嵌入式系统一定会得到更广泛更有效的应用。

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。

文库。

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