嵌入式系统

信息科学与工程学院通信工程专业2010级1班杨友祥 20104055043

摘要：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可剪裁，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。

1引言信息时代，随着计算机应用越来越广泛，大量的设备需要采用计算机技术实现数据采集，自动控制，信息处理的功能，2嵌入式系统的概念

嵌入式系统的英文叫做embedded system，是一种包括硬件和软件的完整的计算机系统，但又跟通用计算机系统不同。嵌入式系统的定义是：“嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可剪裁，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。

”嵌入式系统所用的计算机是嵌入到被控对象中的专用微处理器，但是功能比通用计算机专门化，具有通用计算机所不能具备的针对某个方面特别设计的、合适的运算速度、高可靠性和较低比较成本的专用计算机系统。

3嵌入式系统的架构。

3.1硬件环境：是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台，硬件平台包括嵌入式处理器和外围设备。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。

现在全世界嵌入式处理器的品种已经超过1 000多种，流行的体系结构多达30多个，嵌入式处理器的寻址空间也从64kb到2gb不等，其处理速度可以从0.1mips~2 000mips等。一般来说可以把嵌入式处理器分成以下4类：

mpu（micro processor unit）嵌入式微处理器；

mcu（micro controller unit）嵌入式微控制器；

嵌入式dsp处理器（digital signal processor）；

嵌入式片上系统（soc）。

嵌入式系统硬件部分除了嵌入式处理器核心部分外，还包括丰富的外围接口。也正是基于这些丰富的外围接口，才带来嵌入式系统越来越丰富的应用。现在的arm处理器内部的接口相当丰富，像i2c、spi、uart和usb等接口基本上都是“标准”配置。

在设计系统的时候，通常只要把处理器和外设进行物理连接就可以实现外围接口扩展了。

嵌入式系统硬件部分随着嵌入式处理器高度集成化技术的发展、带动，使得可以实现的接口越来越多，功能也越来越强，但是扩展外围接口时所需要的外围接口电路却变得越来越少了。比如说有的arm处理器封装里面就已经集成了flash或sram，有的arm处理器内部集成了dsp，有的arm处理器内部集成了lcd控制器等。

3.2嵌入式操作系统：完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。具有内核较精简、可配置、与高层应用紧密关联等特点。嵌入式操作系统具有相对不变性。

嵌入式系统软件可以分成启动**（boot loader）、操作系统内核与驱动（kernel & driver）、文件系统与应用程序（file system & application）等几部分。boot loader是嵌入式系统的启动**，主要用来初始化处理器、传递内核启动参数给嵌入式操作系统内核，使得内核可以按照我们的参数要求启动，如图 1 所示。另外boot loader通常都具有搬运内核**到ram并跳转到内核**地址运行的功能。

操作系统内核则主要有4个任务：进程管理、进程间通信与同步、内存管理及i/o资源管理。驱动程序也应该算是内核中的一个部分，主要提供给上层应用程序，通过处理器外设接口控制器和外部设备进行通信的一个媒介。

文件系统则可以让嵌入式软件工程师灵活方便地管理系统。应用程序才是真正针对需求的，才有可能是嵌入式软件工程师完全自主开发的。

总的来说嵌入式系统的硬件部分可以说是个系统的基石，嵌入式软件部分则是在这个基石上面建立起来的不同功能的大楼，对于任何一个需求明确的嵌入式系统来说，两者缺一不可。在对系统做了相对完整而细致的需求分析之后，通常采用软件和硬件基本同步进行的方式来开发，前期硬件系统的设计要比软件系统设计稍微提前，到了后期软件系统的开发工作量会比硬件系统的开发工作量大一些。

图 1 嵌入式操作系统体系结构。

3.3嵌入式应用程序：运行于操作系统之上，利用操作系统提供的机制完成特定功能嵌入式应用。不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。

嵌入式软件与嵌入式系统是密不可分的，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”，就是以应用为中心，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。而嵌入式软件就是基于嵌入式系统设计的软件，它也是计算机软件的一种，同样由程序及其文档组成，可细分成系统软件、支撑软件、应用软件三类，是嵌入式系统的重要组成部分。

4嵌入式系统的开发。

4.1处理器技术

处理器技术与实现系统功能的计算引擎结构有关，很多不可编程的数字系统也可以视为处理器，这些处理器的差别在于其面向特定功能的专用化程度，导致其设计指标与其它处理器不同。

1）通用处理器：这类处理器可用于不同类型的应用，一个重要的特征就是存储程序，由于设计者不知道处理器将会运行何种运算，所以无法用数字电路建立程序。另一个特征就是通用的数据路径，为了处理各类不同的计算，数据路径是通用的，其数据路径一般有大量的寄存器以及一个或多个通用的算术逻辑单元。

设计者只需要对处理器的存储器编程来执行所需的功能，即设计相关的软件。在嵌入式系统中使用通用处理器具有设计指标上的一些优势。提前上市时间和nre成本较低，因为设计者只需编写程序，而不需要做任何数字设计，灵活性高，功能的改变通过修改程序进行即可。

与自行设计处理器相比，数量少时单位成本较低。当然，这种方式也有一些设计指标上的缺陷，数量大时的单位成本相对较高，因为数量大时，自行设计的nre成本分摊下来，可降低单位成本。同时，对于某些应用，性能可能很差。

由于包含了非必要的处理器硬件，系统的体积和功耗可能变大。

2) 单用途处理器：设计用于执行特定程序的数字电路，也指协处理器、加速器、外设等。如jpeg编码解码器执行单一程序，压缩或解压**信息。

嵌入式系统设计者可通过设计特定的数字电路来建立单用途的处理器。设计者也可以采用预先设计好的商品化的单用途处理器。在嵌入式系统中使用单用途处理器，在指标上有一些优缺点。

这些优缺点与通用处理器基本相反，性能可能更好，体积与功率可能较小，数量大时的单位成本可能较低，而设计时间与nre成本可能较高，灵活性较差，数量小时的单位成本较高，对某些应用性能不如通用处理器。

3）专用处理器：专用指令集处理器（asip）是一个可编程处理器，如图2。针对某一特定类型的应用进行最优化。

这类特定应用具有相同的特征，如嵌入式控制、数字信号处理等。在嵌入式系统中使用asip可以保证良好的性能、功率和大小的情况下，提供更大的灵活性，但这类处理器仍需要昂贵的nre成本建立处理器本身和编译器，单片机和数字信号处理器是两类应用广泛的asip，数字信号处理器是一种针对数字信号进行常见运算的微处理器，而单片机是一种针对嵌入式控制应用进行最佳化的微处理器，通常控制应用中的常见外设，如串行通信外设、定时器、计数器、脉宽调制器及数/模转换器等都集成到了微处理器芯片上，从而使得产品的体积更小、成本更低。

图2 asip

4.2 ic技术。

全定制/vlsi :在全定制ic技术中，需要根据特定的嵌入式系统的数字实现来优化各层，设计人员从晶体管的版图尺寸、位置、连线开始设计以达到芯片面积利用率高、速度快、功耗低的最优化性能。利用掩膜在制造厂生产实际芯片，全定制的ic设计也常称为大规模集成电路设计，具有很高的nre成本、很长的制造时间，适用于大量或对性能要求严格的应用。

半定制asic :半定制asic是一种约束型设计方法，包括门阵列设计法和标准单元设计法。它是在芯片制作好一些具有通用性的单元元件和元件组的半成品硬件，设计者仅需要考虑电路的逻辑功能和各功能模块之间的合理连接即可。

这种设计方法灵活方便、性价比高，缩短了设计周期，提高了成品率。

可编程asic :可编程器件中所有各层都已经存在，设计完成后，在实验室里即可烧制出设计的芯片，不需要ic厂家参与，开发周期显著缩短。程asic具有较低的nre成本，单位成本较高，功耗较大，速度较慢。

4.3 设计/验证技术

嵌入式系统的设计技术主要包括硬件设计技术和软件设计技术两大类。其中，硬件设计领域的技术主要包括芯片级设计技术和电路板级设计技术两个方面。芯片级设计技术的核心是编译/综合、库/ip、测试/验证。

编译/综合技术使设计者用抽象的方式描述所需的功能，并自动分析和插入实现细节。库/ip技术将预先设计好的低抽象级实现用于高级。测试/验证技术确保每级功能正确，减少各级之间反复设计的成本。

4.4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：

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。

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。

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**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。

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。

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**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。

5）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**，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**嵌入式系统有着十分重要的意义。

5小结随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，嵌入式系统的发展还将继续迈步前进，人类的生活也将更加离不开嵌入式系统带来的便捷。

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。

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