第1章系统概述0

第1章嵌入式系统概况1.1嵌入式系统的定义

嵌入式系统已经有了近40年的发展历史，它是硬件和软件交替双螺旋式发展的。第一款微处理器是Intel的4004，它出现在1971年，然后是在80年代初，Intel又进一步完善了8048，在它的基础上研制成功了8051系列单片机。1981年发展了世界上第1个商业嵌入式实时内核（VTRX32），其内部包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。随后，出现了如VxWorks、WinCE，嵌入式Linux，uCOS，以及国内的Hopen、DeltaOS等嵌入式操作系统。今天RTOS（实时操作系统）已经在全球形成了1个产业。1IEEE定义

什么是嵌入式系统：是将计算机硬件和软件结合起来，构成一个专门的计算装置，完成特定的功能和任务。它工作在一个与外界发生交互并受到时间约束的环境中，在没有人工干预的情况下进行实时控制。由于被嵌入对象的体系结构、应用环境要求不同，因此嵌入式系统可分为有许多种类。

根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义： 嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。 可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。2一般定义

“以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁减，功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。”嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的MP3和一个PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。总之，嵌入式系统是采用“量体裁衣”的方式把所需的功能嵌入到各种应用系统中。31.2

嵌入式系统的应用领域及发展趋势

1.2.1嵌入式系统的现状随着信息化、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。美国著名未来学家尼葛洛庞帝1999年1月访华时预言，4-5年后嵌入式智能工具将是PC和Intel网之后最伟大的发明。硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套的软件开发包。目前底层系统和硬件平台已经相对比较成熟，实现各种功能的芯片应有尽有。而且巨大的市场需求给我们提供了学习研发的资金和技术力量。

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软件方面讲，也有相当多的成熟软件系统。国外的嵌入式实时操作系统有WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等产品。我国自主开发的嵌入式系统软件产品，如科银京城(CoreTek)公司的开发平台DeltaSystem，中科院推出的Hopen嵌入式操作系统。读者可以在网上找到各种各样的免费资源及各种驱动程序源代码。嵌入式系统技术的发展，大致经历了以下四个阶段：无操作系统阶段，如单片机。简单操作系统，如PowerPC.实时操作系统，如DSP。面向Internet阶段。51.2.2嵌入式系统的应用领域工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理系统、POS网络及电子商务、环境监测和机器人。ARM技术的IP和在下列领域已经取得了很大成功。无线设备无线设备（手机等）和PDA一类的无线设备中都采用了嵌入式技术。消费电子在数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机等应用广泛。汽车包括驾驶、安全和车载娱乐等各种功能在内的设备采用五、六个微处理器统一实现。事实上，嵌入式技术无处不在,计算机技术也开始进入一个被称为后PC技术的春天。嵌入式系统虽然是未来计算机科学的最要成员，但它并不能作为通用计算机的替代物。原因就是它的专用性。比如资源有限（存储能力、运算能力和I/O资源），没有非常友好的人机交互界面等。6

我们不仅拥有那种放在桌上处理文档、进行工作管理和生产控制的计算机“机器”，而且一个普通人也可能拥有从大到小的各种使用嵌入式技术的电子产品：MP3、PDA、手机、智能玩具等；电子病历，数字血压仪，无线收费超市,物流，网络家电等；智能车载电子设备，安全监控、GPS、倒车雷达等;高级酒店，电话、TV、INTERNET、PLAY、EMAIL等。在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。飞机的电子设备，巴黎、东京、汉城等城市地铁买票系统。7嵌入式系统的应用领域示意图嵌入式应用信息家电智能玩具军事电子通信设备移动存贮工控设备智能仪表汽车电子网络设备消费电子军事国防电子商务网络工业控制8goReaderInterneteBookSamsungAnyWebInternetScreenPhoneeRemoteIntelligentHomeControllerTektronixTDS7000DigitalOscilloscopesNixvueDigitalAlbumDigitalPhotoAlbum一些典型的嵌入式系统应用实例9嵌入式系统的应用家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。10家庭智能管理系统社区建筑的水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，远程点菜器等。11社会发展方面：嵌入式Internet应用12汽车电子产品（18个嵌入式控制模块）——CAN总线网络VOLVOS80汽车的CAN总线网络

嵌入式应用——汽车电子132002年11月28日，以色列一选举投票点，发生枪击事件，造成至少7人死亡，数十人受伤。以警方用机器人在检查一具巴勒斯坦枪手的尸体。反恐防暴14产品介绍-掌上电脑

CPU:intelPXA255400MHzFLASH:64MSDRAM:64MBluetouth影音CompactFlash电源管理红外线接口15

宏观方面发展趋势： —经济性计算机要很便宜，让更多的人能买得起；—小型化（笔记本、PDA）人们携带方便； —可靠性（汽车VCD，跳动问题） 能够在一般环境条件下或者是苛刻的环境条件下运行； —高速度（飞机刹车系统） 能够迅速地完成数据计算或数据传输； —智能性（知识推理、模糊查询、识别、感知运动） 使人们用起来更习惯，对人们更有使价值。

1.2.3嵌入式技术的发展趋势16未来嵌入式系统的发展趋势

（1）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

嵌入式开发是一项系统工程，因此要求厂商不仅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。随着因特网技术的成熟、带宽的提高，各种嵌入式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。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；同时还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。

目前，国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的有WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等产品。我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科银公司的软件开发平台DeltaSystem,此外，中科院也推出了Hopen嵌入式操作系统。17

（2）联网成为必然趋势

网络化、信息化的要求随着IntelNet技术的成熟、带宽的提高而日益提高，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，功能更强。为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向21世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通信接口,相应需要TCP/IP协议簇软件支持；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。18

（3）精简系统内核、算法，设备实现小尺寸、微功耗和低成本

为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。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。因此，既要软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，如Java、Web和WAP等。

（4）提供精巧的多媒体人机界面

嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间的亲和利，自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。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、图像已取得初步成效。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、同声翻译还有很大距离。19

嵌入式系统的架构

嵌入式系统是由嵌入式处理器、存储器等硬件、嵌入式系统软件和嵌入式应用软件所组成。处理器存储器输入输出操作系统应用程序软件结构硬件结构1.3嵌入式系统组成简介20嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成框架如下图所示。1）嵌入式系统硬件系统嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为核心，配置必要的外围接口部件。在嵌入式系统设计中，应尽可能选择适用于系统功能接口的SoC/SOPC芯片，以最少的外围部件构成一个应用系统，满足嵌入式系统的特殊要求。一般包括有：嵌入式处理器;存储器;I/O系统和外设2）嵌入式系统的软件系统包括：操作系统应用软件嵌入式系统的开发工具（1）硬件开发工具包括：仿真器等；其它（示波器等）（2）软件开发工具包括：编译、连接、定位软件，通常使用C语言；调试软件。21嵌入式系统的软/硬件框架22

3）中间层它将系统软件与底层硬件部分格里，使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关。具体包括硬件抽象层HAL和板极支持包BSP。HAL是位于操作系统内核与硬件电路之间的接口层，其目的是将硬件抽象化，既可以通过程序来控制所有硬件电路入CPU、I/O、存储器等的操作，提高了系统的可移植性。HAL一般包含相关硬件的初始化、数据的输入输出操作硬件设备的配置操作等功能。4）应用层BSP介于主板硬件和操作系统中驱动程序曾程序之间，一般认为它属于操作系统的一部分，主要是先对操作系统的支持，为上层的驱动程序提供访问硬件设备寄存器函数包，方便主板运行。BSP一般实现1）系统启动是完成对硬件的初始化；2）为驱动程序提供访问硬件的手段，即为上层的驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包。23嵌入式系统组成原理架构 241.3.1嵌入式系统的重要特征（1）系统内核小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与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。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的内核则要大得多。25（２）专用性强嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中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设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。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”是完全不同的概念。26

一个嵌入式系统通常只能重复执行一个特定的功能，例如一台寻呼机永远是寻呼机；而台式系统可以执行各种程序，如电子数据表、字处理和游戏，还经常加入其他新程序。当然也有例外：一种情况是嵌入式系统中的程序的新版本程序更新，例如，有些手机（移动电话）就是这样更新的；另一种情况是，由于系统大小的限制，使得几个程序只能轮流输入到系统中，例如，有些导弹在巡航模式下执行一个程序，在锁定目标时又执行另一个程序。即便如此，这些嵌入式系统仍只具有特定的功能。27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。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。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。很多嵌入式系统都需要不断地对所处环境的变化做出反应，而且要实时地得出计算结果，不能延迟。（４）高效率地设计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与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，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。（３）系统精简和高实时性OS28

（5）创新性和有效性

嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。

为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。（6）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RTOS（Real－TimeOperatingSystem）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。29

（7）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。开发时往往有宿主机和目标机的概念，宿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。30

嵌入式系统的特点采用32位RISC嵌入式微处理器和实时操作系统组成的嵌入式控制系统，与传统基于单片机的控制系统和基于PC的控制方式相比，具有以下突出优点：性能方面：采用32位RISC结构微处理器，主频从30MHz到1200MHz以上，处理能力大大超出单片机系统，接近PC机的水平，但体积更小，能够真正地“嵌入”到设备中；实时性方面：嵌入式机控制器内嵌实时操作系统（RTOS），能够完全保证控制系统的强实时性；人机交互方面：嵌入式控制器可支持大屏幕的液晶显示器，提供功能强大的图形用户界面，这方面与PC机相比略要逊色一些；31

系统升级方面：嵌入式控制器可为控制系统专门设计，其功能专一，成本较低，而且开放的用户程序接口（API）保证了系统能够快速升级和更新。通常是面向特定应用的；空间和各种资源相对不足，必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余；产品升级换代和具体产品同步，具有较长的生命周期；软件一般都固化在存储器芯片；不具备自举开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发32嵌入式系统与单片机、PC机的区别嵌入式系统

单片机系统目前嵌入式系统的主流是