第1章 嵌入式系统概述

第1章嵌入式系统概述1.1嵌入式系统简介按嵌入式微控制器类型划分，嵌入式系统可分为：（1）以单片机为核心的嵌入式单片机系统（2）以工业计算机板为核心的嵌入式计算机系统（3）以DSP为核心组成的嵌入式数字信号处理器系统（4）以FPGA为核心的嵌入式SOPC（SystemonaProgrammableChip，可编程片上系统）等。嵌入式系统还应该具备下述三个特征。1）嵌入式系统的微控制器通常是由32位及以上的RISC（ReducedInstructionSetComputer，精简指令集计算机）处理器组成的。2）嵌入式系统的软件系统通常是以嵌入式操作系统为核心，外加用户应用程序。3）嵌入式系统在特征上具有明显的可嵌入性。嵌入式系统应用经历了无操作系统、单操作系统、实时操作系统和面向Internet四个阶段。1.嵌入式系统的起源嵌入式系统的起源与集成电路技术的发展密切相关，其发展历程展示了技术进步如何推动特定领域的创新和效率提升。随着技术的进一步进步，嵌入式系统的应用领域和功能也在不断扩展和深化。嵌入式系统起源于20世纪60年代集成电路的诞生，使电子设备微型化且具备足够计算能力。最初应用于军事和航空，如导弹导航和航天控制，执行特定任务。1971年英特尔推出4004微处理器，推动嵌入式系统发展，电子设备更智能、更小巧。随后，嵌入式技术广泛应用于汽车、家电、医疗等领域，专注监控与控制。1.1.1嵌入式系统的产生嵌入式系统的发展紧随技术进步，推动了创新和效率提升，应用不断扩大和深化。2.嵌入式系统的技术发展嵌入式系统的技术发展是一个涵盖硬件、软件和系统集成多个方面的进程。从早期的简单控制器到现代的复杂智能系统，嵌入式技术已经经历了显著的变革。下面是嵌入式系统技术发展的几个关键阶段：（1）微处理器引入革新了电子技术，英特尔4004集成核心功能，体积小成本低，推动复杂嵌入式系统的发展和信息技术进步。（2）实时操作系统（RTOS）满足复杂任务需求，支持多任务处理，保证系统稳定和快速响应，广泛应用于工业和医疗领域。（3）系统芯片（SoC）集成多种模块，提高性能和能效，缩小体积，成为移动设备和消费电子的核心组件。（4）通信技术整合使嵌入式系统具备无线连接功能，支持物联网发展，实现设备远程管理和数据采集。（5）人工智能与机器学习集成增强了嵌入式系统智能化，提升用户体验，推动智能家居等自动化服务。（6）软件和开发工具进步促进嵌入式创新，提供丰富支持，开源社区推动普及和持续发展。3.嵌入式系统的技术革新进入21世纪，嵌入式系统整合无线通信、物联网和人工智能，拓展功能，支持复杂数据处理和智能决策，成为多功能平台，推动技术革新显著加速。无线通信使设备实现互联网连接和即时数据传输，促进物联网发展。人工智能赋予系统学习和预测能力，提高效率，优化用户体验，推动智能化应用普及。技术融合促进工业、医疗和家庭自动化发展，实时监控环境，执行复杂控制，提升效率与生活质量。嵌入式系统智能化进步不断，未来应用前景广阔。目前，国际国内对嵌入式系统的定义有很多。国际电气和电子工程师协会（theInstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE）对嵌入式系统的定义为：嵌入式系统是用来控制、监视或者辅助机器、设备或装置运行的装置。而国内普遍认同的嵌入式系统定义是：嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面有特殊要求的专用计算机系统。嵌入式系统与对象系统密切相关，其主要技术发展方向是满足嵌入式应用要求，不断扩展对象系统要求的外围电路（如ADC、DAC、PWM、日历时钟、电源监测、程序运行监测电路等），形成满足对象系统要求的应用系统。1.1.2嵌入式系统的定义嵌入式系统具有一些显著的特点，这些特点使它们在多种应用领域中都非常适用，从工业控制到消费电子，再到汽车和医疗设备。以下是嵌入式系统的一些关键特点：1.专用性嵌入式系统通常是为了执行特定的任务而设计和优化的，而不是作为通用计算机使用。它们通常只运行为其设计的特定应用程序或软件。2.可裁剪性受限于体积、功耗和成本等因素，嵌入式系统的硬件和软件必须高效率地设计，根据实际应用需求量体裁衣，去除冗余，从而使系统在满足应用要求的前提下达到最精简的配置。1.1.3嵌入式系统的特点3.实时性许多嵌入式系统需要实时操作能力，能够在严格的时间约束条件下准确地完成任务。这对于如汽车防抱死制动系统或医疗监测设备等关键应用尤为重要。4.可靠性和稳定性由于嵌入式系统常用于关键任务，如飞行控制系统或工业自动化，它们必须非常可靠和稳定，能够在长时间内无故障运行。5.资源约束嵌入式系统通常在处理能力、内存、电源和空间等方面有限制。因此，它们需要高效的算法和精简的操作系统来最大化资源使用效率。6.低功耗尤其是在便携式或远程监控设备中，嵌入式系统需要具有低功耗特性，以延长电池寿命并减少能源消耗。7.与环境的紧密集成嵌入式系统通常需要与它们控制的物理环境紧密集成，这可能要求它们能够抵抗恶劣环境条件，如温度变化、湿度、振动和冲击。8.连接性随着物联网（IoT）的兴起，越来越多的嵌入式系统被设计为可以连接到网络，支持远程监控、数据收集和控制功能。9.安全性随着嵌入式系统在关键基础设施和个人数据处理中的应用增多，其安全性变得越来越重要。这包括数据加密、安全通信协议和防止未授权访问的措施。10.不可垄断性传统计算机行业由Wintel联盟长期垄断桌面市场，而嵌入式系统融合多种技术，应用广泛，市场细分，技术和资金密集，创新持续，5G、物联网和人工智能推动其快速发展。1.2嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成复杂多变，取决于其应用场景和功能要求。然而，大多数嵌入式系统都包括以下基本组件：1.处理器（CPU或微控制器）处理器是嵌入式系统的核心，负责执行程序指令和处理数据。它可以是一个简单的微控制器（MCU）或更复杂的中央处理单元（CPU），具体取决于所需的处理能力。2.内存内存分为两种主要类型：程序存储器和数据存储器。程序存储器通常是只读存储器（ROM）或闪存，用于存放系统启动和运行的固件或软件。数据存储器通常是随机访问存储器（RAM），用于存放运行时的数据和变量。3.输入/输出接口（I/O）嵌入式系统需要与外部世界交互，这通常通过各种输入/输出接口实现。这些接口可以包括数字和模拟输入输出端口、串行通信接口（如UART、SPI、I2C）、网络接口（如以太网或Wi-Fi）等。4.传感器和执行器许多嵌入式系统用于监控和控制外部环境，这需要使用传感器来收集环境数据（如温度、压力、光线等），以及执行器来影响环境（如电机、继电器、LED灯等）。5.电源管理电源管理对于保证嵌入式系统的稳定运行至关重要，尤其是在便携式设备中。这可能包括电源转换器、电池管理系统和能效优化策略。6.操作系统或固件许多嵌入式系统运行一个操作系统或固件来管理硬件资源和运行程序。这可以是一个简单的实时操作系统（RTOS）或更复杂的系统，如Linux或WindowsEmbedded。7.通信模块对于需要远程数据传输的嵌入式系统，可能会集成各种通信模块，如蓝牙、Wi-Fi、LTE或专用的工业通信协议模块。8.用户界面许多嵌入式系统含用户界面，如按钮、触屏和声音反馈，构成基础架构，实现高效可靠的特定任务。嵌入式系统的核心部分由嵌入式硬件和嵌入式软件组成，而从层次结构上看，嵌入式系统可划分为硬件层、驱动层、操作系统层以及应用层四个层次，如图1-1所示。图1-1嵌入式系统的组成结构（1）嵌入式硬件包括处理器、存储器、I/O接口和电源，处理器类型有微处理器、微控制器和数字信号处理器。（2）存储器包含RAM、Flash及EEPROM，支持程序和数据存储，处理器可集成或外扩存储资源。（3）I/O接口连接外部，分数字和模拟接口，数字接口有并行和串行，多种接口满足不同需求。（4）I/O设备包括人机交互设备和机机交互设备，按应用需求选择传感器、执行器等设备类型。（5）嵌入式软件分驱动层、操作系统层和应用层，操作系统可选，中间层提供硬件抽象和支持。1.3典型嵌入式操作系统FreeRTOS是2003年发布的开源免费实时操作系统，核心轻量，支持任务、信号量、内存管理，适合小型系统需求。历经十版，拥有百万开发者，合作厂商众多，10.4版本后用日期戳版本号，市场占有率高，应用广泛。FreeRTOS支持抢占式调度，兼容多处理器架构，可运行于资源极限微控制器，适合低资源环境。由RichardBarry开发，RealTimeEngineersLtd维护，特别适合嵌入式系统，降低嵌入式产品成本。相比收费RTOS如μC/OS-II，FreeRTOS免费开源，优势明显，广泛应用于嵌入式实时操作系统领域。1.3.1FreeRTOSFreeRTOS是可裁剪的小型嵌入式实时操作系统，除开源、免费以外，还具有以下特点。（1）FreeRTOS的内核支持抢占式、合作式和时间片3种调度方式。（2）支持的芯片种类多，已经在超过30种架构的芯片上进行了移植。（3）系统简单、小巧、易用，通常情况下其内核仅占用4～9KB的Flash空间。（4）代码主要用C语言编写，可移植性高。（5）支持ARMCortex-M系列中的MPU（内存保护单元，MemoryProtectionUnit），如STM32F407、STM32F429等有MPU的芯片。（6）任务数量不限。（7）任务优先级不限。（8）任务与任务、任务与中断之间可以使用任务通知、队列、二值信号量、计数信号量、互斥信号量和递归互斥信号量进行通信和同步。（9）有高效的软件定时器。（10）有强大的跟踪执行功能。（11）有堆栈溢出检测功能。（12）适用于低功耗应用。FreeRTOS提供了一个低功耗tickless模式。（13）在创建任务通知、队列、信号量、软件定时器等系统组件时，可以选择动态或静态RAM。（14）SafeRTOS作为FreeRTOS的衍生品，具有比FreeRTOS更高的代码完整性。RT-Thread的全称是RealTime-Thread，是由上海睿赛德电子科技有限公司推出的一个开源嵌入式实时多线程操作系统。（1）RT-Thread遵循ApacheLicense2.0协议，主要由内核层、组件与服务层、软件包三部分组成，结构清晰。（2）内核层含多线程调度、信号量、消息队列等系统对象，Libcpu/BSP负责外设驱动和CPU移植。（3）组件与服务层模块化设计，包含虚拟文件系统、命令行界面、网络和设备框架，耦合度低。（4）软件包面向多应用领域，涵盖物联网、多媒体、脚本语言、工具和外设驱动等通用组件。（5）支持主流MCU架构，实时性高、资源占用少，适用于资源受限环境，拥有活跃开源社区和广泛应用。1.3.2睿赛德RT-ThreadμC/OS-II（Micro-ControllerOperatingSystemII）是一种基于优先级的可抢占式的硬实时内核。它属于一个完整、可移植、可固化、可裁剪的抢占式多任务内核，包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间的通信和同步等基本功能。μC/OS-II嵌入式系统可用于各类8位单片机、16位和32位微控制器和数字信号处理器。μC/OS-II由JeanJ.Labrosse于1992年开发，1999年改写命名，2000年获美国航空管理局认证，安全稳定。系统90％用C语言编写，少量汇编便于移植，支持ANSI标准工具，执行效率高，占用空间小，实时性能优良。1.3.3μC/OS-IIμC/OS-II系统的主要特点如下：（1）μC/OS-II源代码公开，支持多微处理器移植，开发透明且效率高。（2）源码主要用ANSIC写，汇编部分最小，方便在多微处理器间移植。（3）需支持堆栈指针和内嵌汇编，保证程序中断控制与移植性。（4）适配软硬件工具，可固化到产品中，成为嵌入式系统一部分。（5）用户可按需裁剪功能，通过条件编译定义系统服务使用。（6）完全抢占式内核，总运行优先级最高任务，保证实时性。（7）支持多任务，最大可管理248个应用任务，无时间片轮转调度。（8）函数调用执行时间确定，不依赖任务数量，保证系统可预测。（9）各任务独立栈空间，支持栈空间校验，减少RAM需求。（10）提供邮箱、消息队列、信号量等多种系统服务，方便任务通信。（11）支持中断嵌套，中断优先级高者先执行，嵌套层数达255层。Linux诞生于1991年10月5日（这是第一次正式向外公布时间），是一套开源、免费使用和自由传播的类UNIX的操作系统。（1）Linux基于POSIX和UNIX，支持多用户、多任务、多线程及多CPU，兼容32位