嵌入式系统论文.pdf

广州大学 嵌入式系统 论 文 专专 业业 班班 级级 学学 生生 姓姓 名名 学学号号 指指 导导 教教 师师 嵌入式系统发展历史嵌入式系统发展历史 目前 在嵌入式系统应用领域中 但是这个概念并非新近才出现 从 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 年的发展历史 嵌入式系统诞生于微型机时代 嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌 入到一个对象体系中去 这些是理解嵌入式系统的基本出发点 由于嵌入式计算 机系统要嵌入到对象体系中 实现的是对象的智能化控制 因此 它有着与通用 计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向 通用计算机系统的技术要求是高速 海量的数值计算 技术发展方向是总线 速度的无限提升 存储容量的无限扩大 而嵌入式计算机系统的技术要求则是 对象的智能化控制能力 技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能 控制 能力与控制的可靠性 嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路 这条独立发展的道路就是 单芯片化道路 它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士 接过起源 于计算机领域的嵌入式系统 承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务 迅速地 将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代 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 器 处围硬件设备 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 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成 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 如手机上的一个微小型的 电机 当手机处于震动接收状态时打开 也可以很复杂 如 智能机器狗 上面集成了多个微上控制电机和多种传感器 从而可以执行各种复杂的动作和感 受种状态信息 下面对嵌入式计算机系统的组成进行介绍 一 硬件层 硬件层中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 中 二 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 或者板级支持包 Board Support Package BSP 它半系统 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 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 嵌入工系统的硬件初始化的 BSP 功能 设计硬件相关的设 备驱动 三 系统软件层 系 统 软 件 层 由 实 时 多 任 务 操 作 系 统 Real timeOperation 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 嵌入式系统的主要应用嵌入式系统的主要应用 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 工业控制 交通管理 信息家电 家庭智能系统 POS 网络及电子商务 环境工程与自然 机器人 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协议也需要与 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 开发和探试嵌入式系统有着十分重要的意义 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 从最初的单片机以现在的工控机 SOC 在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 到我们身边 嵌入式微处理器的的种类嵌入式微处理器的的种类 嵌入式微处理器的核心是嵌入微处理器 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 嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯 诺依曼体系或哈佛体系结构 指令 系统可以选用精简指令系统 Redyced Instryction Set Computer RISC 和复 杂指令系统 CISC Complex instruction Set Computer CISC RSIC 计算机在 通道中只包含最有用的指令 确保数据通道快速执行每一条指令 从而提高了执 行效率并使用 CPU 硬件结构设计变得更为简单 嵌入式微处理器有各种不同的体系统 即使在同一体系中也可能具有不同的 时钟频率和数据总宽度 或集成了不同的外设和接口 据不完全统计 目前全世 界嵌入式微处理器已经超过 1000 多种 体系结构有 30 多个系列 其中主流的体 系有 ARM MIPS PowerPC X86 和 SH 等 但与全球 PC 市场不同的是 没有一种 嵌入式微处理器可以主导市场 仅以 32 位的产品而言 就有 100 种以的嵌入式 微处理器 嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的 嵌入式系统的发展现状和发展趋势嵌入式系统的发展现状和发展趋势 随着信息化 智能化 网络化发展 嵌入式系统技术也将获得广阔发展空间 美国著名未来学家尼葛洛庞帝 99 年 1 月访华时预言 4 5 年后嵌入式智能 电 脑 工具将是 PC 和因特网之后最伟大的发明 我国著名嵌入式系统专家沈绪榜 院士 98 年 11 月在武汉全国第 11 次微机学术交流会发表的 计算机的发展与技 术 一文中 对未来 10 年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述 和展望 1999 年世界电子产品产值已超过 12000 亿美元 2000 年达到 13000 亿 美元 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 同时也地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 一 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 二 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 三 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 四 精简系统内核 算法 降低功耗和软硬件成本 五 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 嵌入式系统的分类 特点和作用嵌入式系统的分类 特点和作用 由于嵌入系统由硬件和软件两大部分组 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 MCU 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 有若各式各样的品种上 速度越来越快 性能越来越强 价格也越来越低 目前嵌入式处理的寻址空间可 以从 64KB 到 16MB 处理速度最快可以达到 2000MIPS 封装从 个引脚到 144 个 引脚个不等 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 可以来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 是一个多任备置分时系统 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 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 一 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 二 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 需要设计强大存储 区保护功能 同时也有利于软件诊断 三 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 四 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的嵌入式系统更是如此 如需要功耗只有 nW 甚至 uW 级 而嵌入式系统的重要特征则是如下 一 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 二 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 三 系统精简 嵌入式系统一般没有系统软件和应软件的明显区分 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 四 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 态存领教 以提高速度 软件代码要求高质量和高可靠性 五 嵌入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 Operation System 开