浅谈嵌入式控制理论和应用技术.doc

浅谈嵌入式控制理论和应用技术摘 要：嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。本文介绍了嵌入式系统的组成、嵌入式系统的目前发展水平以及嵌入式系统的发展趋势。 关键词：嵌入式系统 嵌入式技术 嵌入式硬件 嵌入式应用引言随着电子技术的快速发展，特别是大规模集成电路的产生而出现的微型机，使现代科学研究得到了质的飞跃，而嵌入式微控制器技术的出现则给现代工业控制领域带来了一次新的技术革命。由嵌入式微控制器组成的系统，最明显的优势就是可以嵌入到任何微型或小型仪器、设备中。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、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。嵌入式系统是以嵌入式计算机为技术核心，面向用户、面向产品、面向应用，软硬件可裁减的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。和通用计算机不同，嵌入式系统是针对具体应用的专用系统，目的就是要把一切变得更简单、更方便、更普遍、更适用；它的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。嵌入式系统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SONY 智能机器狗，上面集成了多个微小型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各种状态信息。下面对嵌入式计算机系统的组成进行介绍。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。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最大的不用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。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。Cache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。 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。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。通用设备接口与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。中间层硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层或板级支持包，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。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能。目前，已推出一些应用比较成功的EOS产品系列。随着Internet技术的发展、信息家电的普及应用及EOS的微型化和专业化，EOS开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。EOS是相对于一般操作系统而言的，它除具有了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等。嵌入式系统目前发展水平：嵌入式系统设计的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。目前嵌入式系统设计模式主要有下面几类：（1）、基于ASIC（专用集成电路）的嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit， EMPU)，ASIC是在一个芯片上定制设计的硬件。嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。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16位和32位CPU的 ARM系列是嵌入式系统应用的主流微处理器。（2）、DSP系统（Digital Signal Processor，数字信号处理器），DSP系统是一种类似于微处理器的的设备，不同的是它内部的CPU被优化，用于特定的应用，如离散信号处理。除了标准的微处理器指令外，DSP常常支持复杂指令集去非常快地完成通用的信号处理计算。DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。（3）、SoC系统，随着VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是SoC。他对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。（4）、基于现场可编程逻辑器件FPGA（Field Programmable Gate Array）的嵌入式系统设计，FPGA在嵌入式系统设计领域已占据着越来越重要的地位。（5）、SoPC系统，随着处理器以IP的形式嵌入到FPGA中，ASIC和FPGA之间的界限将越来越模糊，未来的某些电路板上可能只有这两部分电路：模拟部分（包括电源）和一块FPGA芯片，最多还有一些大容量的存储器。SoPC设计技术实际上涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理器和实时多任务操作系统（RTOS）为中心的软件设计技术、以PCB和信号完整性分析为基础的高速电路设计技术以外，SoPC还涉及目前已引起普遍关注的软硬件协同设计技术。嵌入式系统发展趋势嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持。随着互联网技术的成熟、带宽的提高，网上信息日趋丰富，应用项目多种多样，像手机、掌上电脑等嵌入式设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足功能的不断升级，设计师一方面要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。同时还要采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术，简化应用程序设计，保障软件质量和缩短开发周期。随着嵌入式Linux系统的产生，越来越多的嵌入式产品采用开源嵌入式操作体统。由于Linux系统本身所具备的特点，使得开源嵌入式操作系统很容易推广并且得到不断的完善。相信不久的将来，开源的完善的嵌入式系统会在嵌入式系统应用中占据更重要的地位。嵌入式设备之所以为亿万用户所接受，原因在于它们具有与使用者之间的亲和力和自然的人机交互界面。人们与信息终端交互要求以GUI屏幕为中心的多媒体界面。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处理已经取得初步成效。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，但离掌式语言同声翻译还有一定的距离。相信随着科技的进步和用户需求的进一步提高，这方面会在不久的将来得到完善。随着嵌入式产品设计者提高了对嵌入式软件设计技术的要求，如选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用Java编程模式，优化编译器性能等。可以降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片，从而使得嵌入式产品支持更小型的电子设备，实现小尺寸、微功耗和低成本。嵌入式设备与互联网相连已成为必然趋势。为适应嵌入式分布处理需求，面向21世纪的嵌入式系统要求配备标准的网络通信接口。针对联网要求，嵌入设备必须配有通信接口，相应需要TCP/IP协议软件支持；由于家用电器相互关联（如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息）及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，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。为了支持应用软件的特定编程模式，如Web或无线Web编程模式，还需要相应的浏览器，如HTML、WML等。结束语目前嵌入式系统的应用已经渗入到国民经济的各个方面，对大家的生活，也起着越来越重要的作用。嵌入式系统在一些校园中也有很多应用，例如：每天早上出早操用的刷卡机就是嵌入式系统；食堂的刷卡机售饭系统；图书馆上网的刷卡登录系统等等。在当今数字信息技术和网络技术高速发展的时代，嵌入式系统已经被广泛应用于移动计算平台、掌上计算机、信息家电数字电视、机顶盒、网络设备、无线通信设备手机、股票接收设备、工业商业控制智能工控设备、电子商务平台、航空航天以及军事应用等诸多领域。相信随着科技的进步，生产工艺以及人们科技素养的进一步提高，嵌入式产品必将在人们生产生活中扮演