1.1　嵌入式系統

1.1.1　嵌入式系統概述

1. 嵌入式系統簡介

嵌入式系統（Embedded System）也稱為嵌入式計算機系統，是一種完全嵌入受控器件內部，為特定應用而設計的專用計算機系統。根據英國電氣工程師學會（Institution of Electrical Engineers）的定義，嵌入式系統是指用于控制、監視或輔助操作機器和設備的裝置。當前國內普遍認可的嵌入式系統的定義為“以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，滿足應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統”。

與個人計算機系統這樣的通用計算機系統不同，嵌入式系統通常執行帶有特定要求的預先定義好的任務。因此，用戶可以對它進行優化，盡量減小其尺寸，以降低成本。嵌入式系統通常能夠進行大量生產，大幅度地節約了單個嵌入式系統的生產成本。

嵌入式系統的核心由一個或幾個預先編程好的用來執行少數幾項任務的微控制器或單片機組成。與通用計算機中運行的軟件不同，嵌入式系統中的軟件通常是暫時不變的，所以這些軟件被稱為固件。嵌入式系統的架構主要由處理器、存儲器、輸入/輸出（I/O）端口和軟件四部分組成，但是對于不同的應用系統，其嵌入式系統也不盡相同。一般而言，處理器是由ARM微控制器、DSP、FPGA或傳統的51單片機等可編程器件組成的，通過軟件實現相應的控制或數據處理功能。

根據體系結構不同，嵌入式系統主要可以分為馮·諾依曼結構（也稱普林斯頓結構）和哈佛結構，如圖1.1所示。馮·諾依曼結構的主要特點為單一存儲、統一編址和分時復用；哈佛結構的主要特點為程序與數據分開存儲、獨立編址、采用兩倍帶寬。哈佛結構比馮·諾依曼結構具有更高的數據處理速度。

2. 嵌入式系統的特點

嵌入式系統主要有以下幾個重要的特點。

（1）系統內核小。由于嵌入式系統一般應用于相對小型的電子裝置，系統資源有限，所以其內核比傳統的操作系統內核要小得多。

（2）系統精簡。嵌入式系統一般未對系統軟件和應用軟件進行明顯的區分，不要求其功能設計和實現過于復雜，這樣不僅有利于控制系統成本，還有利于實現系統安全。

（3）專用性強。嵌入式系統的個性化很強，其中的軟件系統和硬件的結合非常緊密，通常需要針對硬件進行系統的移植，即使在同一品牌、同一系列的產品中也需要根據系統硬件的變化和增減進行相應的調整。

（4）實時性高。高實時性的系統軟件（OS）是嵌入式系統的基本要求，并且軟件要求進行固態存儲，以提高速度，軟件代碼也要求有較高的質量和可靠性。

（5）實時多任務操作系統。隨著計算機技術的不斷發展，采用實時多任務操作系統（Real Time multitasking Operating System，RTOS）逐漸成為嵌入式系統開發的主流。選擇合適的RTOS開發平臺能夠更加合理地調度多任務，利用系統資源、系統函數和專家庫函數接口，保證程序執行的實時性、可靠性，并減少開發時間，保障系統質量。

（6）需要專門的開發工具和環境。嵌入式系統的開發需要專門的開發工具和環境，由于其本身不具備自主開發能力，因此即使設計完成以后也不能對其中的程序功能進行修改，必須有專門的開發工具和環境才能進行開發。

1.1.2　嵌入式系統的發展與應用領域

1. 嵌入式系統的發展

嵌入式系統的發展大致經歷了以下三個階段。

（1）以嵌入式微控制器為基礎的初級嵌入式系統。

（2）以嵌入式操作系統為基礎的中級嵌入式系統。

（3）以Internet和RTOS為基礎的高級嵌入式系統。

嵌入式技術與Internet技術的結合正在推動著嵌入式系統的飛速發展，為嵌入式系統市場展現出了美好的前景，也對嵌入式系統的生產廠商提出了新的挑戰。未來嵌入式系統的發展趨勢如下。

（1）嵌入式系統的開發成為一項系統工程，開發廠商不僅需要提供嵌入式系統的軟硬件，還需要提供強大的硬件開發工具和軟件支持包。

（2）網絡化、信息化的要求隨著Internet技術的成熟和帶寬的提高而變得日益突出，電話、手機、冰箱、微波爐等設備的功能和結構會變得更加復雜，網絡互聯將成為必然趨勢。

（3）系統內核更加精簡，關鍵算法得到優化，系統功耗和軟硬件成本進一步降低。

（4）為了適應網絡發展的要求，未來的嵌入式系統必然要求其硬件提供各種網絡通信接口，同時系統要提供相應的通信組網協議軟件和物理層驅動軟件；系統內核支持網絡模塊，甚至可以在設備上嵌入Web瀏覽器，真正實現隨時隨地使用各種設備上網。

（5）提供更加友好的多媒體人機交互界面。

2. 嵌入式系統的應用領域

（1）工業控制領域?；谇度胧较到y的工業自動化設備正在飛速發展，目前已經有大量的8位、16位、32位嵌入式微控制器投入使用。傳統的低端型嵌入式微控制器往往采用8位單片機，隨著Internet技術的不斷發展，對于當前的工業控制產品而言，16位、32位和64位嵌入式微控制器逐漸成為工業控制設備的核心，在未來幾年內必將獲得長足的發展。

（2）交通管理領域。在車輛導航、流量控制、信息監測和汽車服務等領域，嵌入式系統已經得到了廣泛應用，內嵌GPS模塊、GSM模塊的移動定位終端已經在各種運輸行業獲得了成功。目前GPS設備已經進入了普通百姓的生活。

（3）信息家電領域。信息家電是嵌入式系統重要的應用領域，冰箱、空調等的網絡化、智能化將引領人們的生活步入一個嶄新的空間。即使家里沒有人，也可以通過電話和網絡等對家電進行遠程控制。

（4）智能管理與服務領域。在水、電、煤氣表的遠程自動抄表，安全防火、防盜等系統中引入嵌入式系統，用它代替傳統的人工檢查，使系統具有更高、更準確和更安全的性能。目前嵌入式系統在服務領域（如遠程點菜器等）中已經展現出了優勢。

（5）POS網絡與電子商務領域。隨著嵌入式系統的不斷發展，公共交通無接觸智能卡發行系統、自動售貨機、各種智能ATM終端將會全面進入人們的生活，未來手持一卡就可以行遍天下。

（6）環境工程與自然領域。在環境惡劣、地況復雜的地區采用嵌入式系統，能夠實現自然環境的無人監測，如水文資料的實時監測、防洪體系和水土質量監測、堤壩安全監測、地震監測、實時氣象信息監測、水源和空氣污染監測等。

（7）國防與航天領域。嵌入式系統的發展使機器人在微型化、高智能等方面的優勢更加明顯，同時大幅降低了機器人的成本，使其在國防與航天等特殊領域的應用更加廣泛。