嵌入式系统概述

嵌入式系统概述目录1.嵌入式系统2.嵌入式处理器3.嵌入式软件4.嵌入式操作系统目录1.嵌入式系统2.嵌入式处理器3.嵌入式操作系统嵌入式系统概述

经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变还在加速。嵌入式系统具有无数的种类，每类都具有自己独特的个性。例如，MP3、数码相机与打印机就有很大的不同。汽车中更是具有多个嵌入式系统，使汽车更轻快、更干净、更容易驾驶。现实中的嵌入式系统

即使不可见，嵌入式系统也无处不在。嵌入式系统在很多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些产业，包括工业自动化、国防、运输和航天领域。例如神州飞船和长征火箭中肯定有很多嵌入式系统，导弹的制导系统也是嵌入式系统，高档汽车中也有多达几十个嵌入式系统。在日常生活中，人们使用各种嵌入式系统，但未必知道它们。事实上，几乎所有带有一点“智能”的家电（全自动洗衣机、电脑电饭煲…）都是嵌入式系统。嵌入式系统广泛的适应能力和多样性，使得视听、工作场所甚至健身设备中到处都有嵌入式系统。现实中的嵌入式系统嵌入式系统的概念

目前，对嵌入式系统的定义多种多样，但没有一种定义是全面的。下面给出两种比较合理定义：从技术的角度定义：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。从系统的角度定义：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。嵌入式系统示例——汽车控制系统马达控制器车灯嵌入式系统示例——汽车控制系统尾灯控制系统后车门控制系统前车门控制系统座椅控制系统发动器控制系统所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统嵌入式系统的未来

早在1990年之前，嵌入式系统通常是很简单的且具有很长的产品生命周期的自主设备。近些年来，嵌入式工业经历了巨大的变革。产品市场窗口现在预计翻番的周期狂热到6～9个月。全球重新定义市场的机会和膨胀的应用空间。互联现在是一个需求而不是辅助性的，包括用有线和刚刚显露头角的无线技术。基于电子的产品更复杂化。互联嵌入式系统产生新的依赖网络基础设施的应用。微处理器的处理能力按莫尔定律（Moore’sLaw）预计的速度在增加。该定律认为集成电路和晶体管个数每18个月翻一番。目录1.嵌入式系统2.嵌入式处理器3.嵌入式操作系统嵌入式处理器

早期的嵌入式系统通常使用普通个人计算机（PC）中的通用处理器。近年来，随着大量先进的微处理器制造技术的发展，越来越多的嵌入式系统用嵌入式处理器建造，而不是用通用目的的处理器。这些嵌入式处理器可以大致分为以下几类：注重嵌入式处理器的尺寸、能耗和价格。应用于PDA等不注重计算的设备；注重嵌入式处理器的性能。应用于路由器等计算密集型的设备；注重嵌入式处理器的性能、尺寸、能耗和价格。应用于蜂窝电话等设备；——概述嵌入式处理器分类

嵌入式处理器可以分为以下几大类：嵌入式微处理器；嵌入式微控制器；嵌入式DSP处理器；嵌入式片上系统（SOC）。嵌入式处理器

嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。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，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。——嵌入式微处理器CPUROMRAM外设1外设2单板计算机嵌入式处理器

嵌入式微控制器又称单片机，它是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300、数目众多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系统约70％的市场份额。——嵌入式微控制器复位部件看门狗部件晶振部件I/O部件中断部件ROM部件SRAM部件定时器部件CPU核嵌入式处理器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。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，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。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造的R.E.A.LDSP处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品。——嵌入式DSP处理器嵌入式处理器

随着EDA的推广和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SystemOnChip(SOC)。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。

SoC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SoC一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是Philips的SmartXA，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载JAVA或C语言的专用的SOC，可用于公众互联网如Internet安全方面。——嵌入式片上系统(SOC)目录1.嵌入式系统2.嵌入式处理器3.嵌入式软件4.嵌入式操作系统软件系统软件(software)是计算机系统中与硬件(hardware)相互依存的另一部分，它包括程序(program)、相关数据(data)及其说明文档(document)。其中：程序是按照事先设计的功能和性能要求执行的指令序列；数据是程序能正常操纵信息的数据结构；文档是与程序开发维护和使用有关的各种图文资料。嵌入式软件系统的分类嵌入式软件系统软件支撑软件应用软件控制、管理计算机系统的资源嵌入式操作系统嵌入式中间件（CORBA、

Java）等等辅助软件开发的工具系统分析设计工具仿真开发工具交叉开发工具测试工具配置管理工具维护工具等面向应用领域手机软件路由器软件交换机软件飞控软件等嵌入式软件系统的分类从运行平台来分，嵌入式软件可以分为运行在开发平台上的软件：设计、开发、测试工具等。运行在嵌入式系统上的软件：嵌入式操作系统、应用程序、驱动程序及部分开发工具。嵌入式软件系统的体系结构硬件应用层驱动层操作系统层中间件层板级初始化FLASH驱动RTC/定时器驱动串口驱动以太网驱动LCD

驱动键盘驱动其他驱动内核TCP/IP网络系统文件系统嵌入式GUI电源管理嵌入式CORBA嵌入式JAVA嵌入式DCOM面向应用领域的中间件应用任务1应用任务2……应用任务n嵌入式软件运行流程上电复位系统升级引导/升级系统系统初始化应用初始化多任务应用板级初始化远程升级本地升级基于多任务操作系统的嵌入式软件的主要运行流程该运行流程主要分为5个阶段

嵌入式操作系统概述嵌入式操作系统的演变嵌入式操作系统分类嵌入式操作系统体系结构嵌入式操作系统的组成概述

嵌入式操作系统可以统称为应用在嵌入式系统的操作系统，它具有一般操作系统的功能，同时具有嵌入式软件的特点，主要有：可固化可配置、可剪裁独立的板级支持包，可修改不同的CPU有不同的版本应用的开发需要有集成的交叉开发工具概述近十年来，嵌入式操作系统得到飞速的发展从支持8位微处理器到16位、32位甚至64位微处理器；从支持单一品种的微处理器芯片到支持多品种微处理器芯片；从只有内核到除了内核外还提供其他功能模块，如文件系统，TCP/IP网络系统，窗口图形系统等。随着嵌入式系统应用领域的扩展，目前嵌入式操作系统的市场在不断细分，出现了针对不同领域的产品，这些产品按领域的要求和标准提供特定的功能。嵌入式操作系统的演变*PercentoftotalsoftwaresuppliedbyRTOSvendorinatypicalembeddeddevice10%*Kernel30%*KernelNetworkingFileSystem75%*KernelNetworkingFileSystemMultiprocessingMemoryManagementNetworkingUtilityWindowsAPIApplicationApplicationApplicationApplication90%*KernelNetworkingFileSystemMultiprocessingFaultToleranceDistributedObjectsAdvancedNetworkingAdvancedInterconnectJavaBrowser/GUI嵌入式操作系统的演变

在嵌入式系统的发展过程中，从操作系统的角度来看，大致经历了以下几个阶段：无操作系统阶段简单操作系统阶段实时操作系统阶段面向Internet的阶段嵌入式操作系统的演变无操作系统阶段嵌入式系统最初的应用是基于单片机的，大多以可编程控制器的形式出现，具有监测、伺服、设备指示等功能，通常应用于各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中，一般没有操作系统的支持，只能通过汇编语言对系统进行直接控制，运行结束后再清除内存。这些装置虽然已经初步具备了嵌入式的应用特点，但仅仅只是使用8位的CPU芯片来执行一些单线程的程序，因此严格地说还谈不上"系统"的概念。这一阶段嵌入式系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，因而曾经在工业控制领域中得到了非常广泛的应用，但却无法满足现今对执行效率、存储容量都有较高要求的信息家电等场合的需要。嵌入式操作系统的演变简单操作系统阶段20世纪80年代，随着微电子工艺水平的提高，IC制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器、I/O接口、串行接口以及RAM、ROM等部件统统集成到一片VLSI中，制造出面向I/O设计的微控制器，并一举成为嵌入式系统领域中异军突起的新秀。与此同时，嵌入式系统的程序员也开始基于一些简单的"操作系统"开发嵌入式应用软件，大大缩短了开发周期、提高了开发效率。这一阶段嵌入式系统的主要特点是：出现了大量高可靠、低功耗的嵌入式CPU（如PowerPC等），各种简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展。此时的嵌入式操作系统虽然还比较简单，但已经初步具有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高，主要用来控制系统负载以及监控应用程序的运行。嵌入式操作系统的演变实时操作系统阶段20世纪90年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统进一步飞速发展，而面向实时信号处理算法的DSP产品则向着高速度、高精度、低功耗的方向发展。随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩大，逐渐形成了实时多任务操作系统（RTOS），并开始成为嵌入式系统的主流。这一阶段嵌入式系统的主要特点是：操作系统的实时性得到了很大改善，已经能够运行在各种不同类型的微处理器上，具有高度的模块化和扩展性。此时的嵌入式操作系统已经具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面（GUI）等功能，并提供了大量的应用程序接口（API），从而使得应用软件的开发变得更加简单。嵌入式操作系统的演变面向Internet的阶段21世纪无疑将是一个网络的时代，将嵌入式系统应用到各种网络环境中去的呼声自然也越来越高。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，随着Internet的进一步发展，以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等的结合日益紧密，嵌入式设备与Internet的结合才是嵌入式技术的真正未来。信息时代和数字时代的到来，为嵌入式系统的发展带来了巨大的机遇，同时也对嵌入式系统厂商提出了新的挑战。嵌入式操作系统的演变各类嵌入式Linux操作系统迅速发展，由于具有源代码开放、系统内核小、执行效率高、网络结构完整等特点，很适合信息家电等嵌入式系统的需要，目前已经形成了能与WindowsCE、Symbian等嵌入式操作系统进行有力竞争的局面。网络化、信息化的要求随着Internet技术的成熟和带宽的提高而日益突出，以往功能单一的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构变得更加复杂，网络互联成为必然趋势。精简系统内核，优化关键算法，降低功耗和软硬件成本。提供更加友好的多媒体人机交互界面。嵌入式操作系统体系结构体系结构是操作系统的基础，它定义了硬件与软件的界限、内核与操作系统其它组件（文件、网络、GUI等）的组织关系、系统与应用的接口。体系结构是确保系统的性能、可靠性、灵活性、可移植性、可扩展性的关键，就好比房子的梁架，只有梁架搭牢固了才提得上房子的质量，再做一些锦上添花的工作才有意义。目前操作系统的体系结构可分为：单块结构、层次结构和客户/服务器（微内核）结构。嵌入式操作系统体系结构硬件系统服务用户态核心态应用程序应用程序…单块结构嵌入式操作系统体系结构硬件基本进程管理虚存管理I/O和设备管理进程间通信文件系统用户用户模式内核模式层次结构嵌入式操作系统体系结构硬件进程服务用户态核心态应用程序客户内存服务微内核文件服务网络服务显示服务发送应答客户/服务器结构（微内核结构）嵌入式操作系统体系结构微内核结构的优点提供一致的接口可扩展性：扩展对新的软件/硬件支持灵活性：可伸缩可移植性分布式系统支持适用于面向对象操作系统环境性能问题：通过微内核构造和发送信息、接受应答并解码所花费的时间比进行一次系统调用的时间多很大程度取决于微内核的大小和功能嵌入式操作系统体系结构目前嵌入式操作系统主要采用分层和模块化相结合的结构或微内核结构。分层和模块化结合的结构将操作系统分为硬件无关层、硬件抽象层和硬件相关层，每层再划分功能模块。这样移植工作便集中在硬件相关层，与其余两层无关，功能的伸缩则集中在模块上，从而确保其具有良好的可移植性和可伸缩性。而采用微内核结构，则可利用其可伸缩的特点适应硬件的发展，便于扩展。

嵌入式操作系统体系结构应用程序任务管理硬件用户扩展处理调度管理硬件抽象层应用编程接口内存管理中断管理时钟/定时器管理I/O管理出错处理同步、通信管理（消息队列，信号量，事件，异步信号)）DeltaCORE的体系结构：层次＋模块结构分层次模块化嵌入式操作系统体系结构用户模式应用应用应用网络管理器图形管理器设备管理器文件系统管理器网络驱动图形驱动设备驱动文件系统驱动硬件内核模式内核（微内核）QNX4.25的体系结构：客户/服务器结构嵌入式操作系统的组成…………嵌入式内核内核是嵌入式操作系统的基础，也是必备的部分。内核还提供特定的应用编程接口，但目前没有统一的标准。任务管理内存管理通信同步与互斥机制中断管理时间管理任务扩展…………返回嵌入式内核任务管理内核的核心部分，具有任务调度、创建任务、删除任务、挂起任务、解挂任务、设置任务优先级等功能。通用计算机的操作系统追求的是最大的吞吐率，为了达到最佳整体性能，其调度原则是公平，采用Round-Robin或可变优先级调度算法，调度时机主要以时间片为主驱动。而嵌入式操作系统多采用基于静态优先级的可抢占的调度，任务优先级是在运行前通过某种策略静态分配好的，一旦有优先级更高的任务就绪就马上进行调度。返回嵌入式内核内存管理嵌入式操作系统的内存管理比较简单。通常不采用虚拟存储管理，而采用静态内存分配和动态内存分配（固定大小内存分配和可变大小内存分配）相结合的管理方式。有些内核利用MMU机制提供内存保护功能。通用操作系统广泛使用了虚拟内存的技术，为用户提供一个功能强大的虚存管理机制。返回嵌入式内核通信、同步和互斥机制这些机制提供任务间、任务与中断处理程序间的通信、同步和互斥功能。一般包括信号量、消息、事件、管道、异步信号和共享内存等功能。与通用操作系统不同的是，嵌入式操作系统需要解决在这些机制的使用中出现的优先级反转问题。返回嵌入式内核中断管理，一般具有以下功能：安装中断服务程序中断发生时，对中断现场进行保存，并且转到相应的服务程序上执行中断退出前，对中断现场进行恢复中断栈切换中断退出时的任务调度

返回嵌入式内核时间管理提供高精度、应用可设置的系统时钟，该时钟是嵌入式系统的时基，可设置为十毫秒以下。提供日历时间，负责与时间相关的任务管理工作如任务对资源有限等待的计时、时间片轮转调度等，提供软定时器的管理功能等。通用操作系统的系统时钟的精度由操作系统确定，应用不可调，且一般是几十个毫秒。返回嵌入式内核任务扩展功能任务扩展功能就是在内核中设置一些Hook的调用点，在这些调用点上内核调用应用设置的、应用自己编写的扩展处理程序，以扩展内核的有关功能。Hook调用点有任务创建、任务切换、任务删除、出错处理等。返回嵌入式TCP/IPTCP/IP协议已经广泛地应用于嵌入式系统中嵌入式TCP/IP网络系统提供符合TCP/IP协议标准的协议栈，提供Socket编程接口。Socket接口UDP协议TCP协议IP协议ICMP/IGMP协议

网络接口层

ARP/PPP协议

以太网驱动

异步串口驱动物理设备应用程序/应用协议嵌入式TCP/IP嵌入式TCP/IP网络系统具有以下的特点：可剪裁：

能根据嵌入式系统的功能的要求选择所需的协议，对完整的TCP/IP协议簇进行剪裁，以满足用户的需要。采用“零拷贝”（ZeroCopy）技术，提高实时性所谓“零拷贝”技术，是指TCP/IP协议栈没有用于各层间数据传递的缓冲区，协议栈各层间传递的都是数据指针，只有当数据最终要被驱动程序发送出去或是被应用程序取走时，才进行真正的数据搬移。嵌入式TCP/IP采用静态分配技术

在网络初始化时就静态分配通信缓冲区，设置了专门的发送和接收缓冲（其大小一般小于或等于物理网络上的MTU值），从而确保了每次发送或接收时处理的数据不会超过MTU值，也就避免了数据处理任务的阻塞等待。

返回嵌入式文件系统通用操作系统的文件系统通常具有以下功能：提供用户对文件操作的命令提供用户共享文件的机制管理文件的存储介质提供文件的存取控制机制，保障文件及文件系统的安全性提供文件及文件系统的备份和恢复功能提供对文件的加密和解密功能嵌入式文件系统嵌入式文件系统相比之下较为简单，主要具有文件的存储、检索、更新等功能，一般不提供保护和加密等安全机制。它以系统调用和命令方式提供对文件的各种操作，主要有：设置和修改对文件和目录的存取权限提供建立、修改、改变、删除目录等服务提供创建、打开、读、写、关闭、撤消文件等服务

嵌入式操作系统使用实时操作系统的必要性

嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中显得愈来愈重要。在嵌入式应用中，只有把CPU嵌入到系统中，同时又把操作系统嵌入进去，才是真正的计算机嵌入式应用。使用实时操作系统主要有以下几个因素：嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。提高了开发效率，缩短了开发周期。嵌入式实时操作系统充分发挥了32位CPU的多任务潜力。

嵌入式操作系统实时操作系统的优缺点

优点：在嵌入式实时操作系统环境下开发实时应用程序使程序的设计和扩展变得容易，不需要大的改动就可以增加新的功能。通过将应用程序分割成若干独立的任务模块，使应用程序的设计过程大为简化；而且对实时性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的处理。通过有效的系统服务，嵌入式实时操作系统使得系统资源得到更好的利用。缺点：但是，使用嵌入式实时操作系统还需要额外的ROM/RAM开销，2~5%的CPU额外负荷，以及内核的费用。uClinux是一个完全符合GNU/GPL公约的操作系统，完全开放代码。uClinux从Linux

2.0/2.4内核派生而来，沿袭了主流Linux的绝大部分特性。它是专门针对没有MMU的CPU，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。适用于没有虚拟内存或内存管理单元(MMU)的处理器，例如ARM7TDMI。它通常用于具有很少内存或Flash的嵌入式系统。它保留了Linux的大部分优点：稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持、以及标准丰富的API等。嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统——嵌入式Linux嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统

WindowsCE是微软开发的一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备操作，它是精简的Windows95。WindowsCE的图形用户界面相当出色。WinCE具有模块化、结构化和基于Win32应用程序接口以及与处理器无关等特点。WinCE不仅继承了传统的Windows图形界面，并且在WinCE平台上可以使用Windows95/98上的编程工具（如VisualBasic、VisualC++等）、使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在WindowsCE平台上继续使用。

——WinCE嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统——VxWorksVxWorks操作系统是美国公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），是嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等，甚至在1997年4月登陆火星表面的火星探测器上也使用到了VxWorks。嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统

OSE主要是由ENEADataAB下属的ENEAOSESystemsAB负责开发和技术服务的，一直以来都充当着实时操作系统以及分布式和容错性应用的先锋，并保持良好的发展态势。

OSE的客户深入到电信，数据，工控，航空等领域，尤其在电信方面，该公司已经有了十余年的开发经验，同诸如爱立信，诺基亚，西门子等知名公司确定了良好的关系。——O