1.1 嵌入式系統定義、由來及特點

1.1.1 嵌入式系統的定義

嵌入式系統（Embedded System）有多種多樣的定義，但本質是相同的。本書關于嵌入式系統的定義取自美國CMP Books出版的Jack Ganssle和Michael Barr著作《Embedded System Dictionary》。

嵌入式系統的定義：一種計算機硬件和軟件的組合，也許還有機械裝置，用于實現一個特定功能。在某些特定情況下，嵌入式系統是一個大系統或產品的一部分。世界上第一個嵌入式系統是1971年Busicom公司用Intel單芯片4004微處理器完成的商用計算器系列。該詞典還給出了嵌入式系統的一些示例，如微波爐、手持電話、計算器、數字手表、錄像機、巡航導彈、GPS 接收機、數碼相機、傳真機、跑步機、遙控器和谷物分析儀等，難以盡數。通過與通用計算機的對比可以更形象地理解嵌入式系統的定義。該詞典給出的通用計算機定義是：計算機硬件和軟件的組合，用做通用計算平臺。PC、MAC和Unix工作站是最流行的現代計算機。

我國國家標準GB/T 5271《信息技術詞匯-嵌入式系統與單片機》部分，給出的嵌入式系統定義是：置入應用對象內部起操作控制作用的專用計算機系統。

國內對嵌入式系統定義曾進行過廣泛討論，有許多不同說法。其中嵌入式系統定義涵蓋面問題是主要爭論焦點之一。例如，有的學者認為不能把手持電話叫做嵌入式系統，而只能把其中起控制作用的部分叫做嵌入式系統，而手持電話可以稱為嵌入式系統的應用產品。其實，這些并不妨礙人們對嵌入式系統的理解，所以不必對定義感到困惑。有些國內學者特別指出，在理解嵌入式系統定義時，不要把嵌入式系統與嵌入式系統產品相混淆。實際上，從口語或書面語言角度，不區分“嵌入式系統”與“嵌入式系統產品”，只要不妨礙對嵌入式系統的理解就沒有關系。

為了更清楚地闡述嵌入式系統特點，首先介紹大多數嵌入式系統的核心部件——單片機（微控制器）的基本概念。

1.1.2 嵌入式系統的由來及其與微控制器的關系

1.單片機（微控制器）的基本含義

單片機是單片微型計算機的簡稱，早期的英文名是Single-chip Microcomputer，后來大多數稱為微控制器或嵌入式計算機（Embedded Computer）。現在Microcontroller已經是計算機中一個常用術語，但在1990年之前，大部分英文詞典并沒有這個詞。我國學者一般使用中文“單片機”一詞，而縮寫使用“MCU”。所以本書后面的簡寫一律以 MCU為準。MCU 的基本含義是：在一塊芯片上集成了中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM/ROM 等）、定時器/計數器及多種輸入/輸出（I/O）接口的比較完整的數字處理系統。圖1-1給出了典型的MCU組成框圖。

MCU是在計算機制造技術發展到一定階段的背景下出現的，它使計算機技術從科學計算領域進入到智能化控制領域。從此，計算機技術在兩個重要領域——通用計算機領域和嵌入式（Embedded）計算機領域都獲得了極其重要的發展，為計算機的應用開辟了更廣闊的空間。

就MCU組成而言，雖然它只是一塊芯片，但包含了計算機的基本組成單元，仍由運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備五部分組成，只不過這些都集成在一塊芯片上，這種結構使得MCU成為具有獨特功能的計算機。

2.嵌入式系統的由來

通俗地說，計算機是因科學家需要一個高速的計算工具而產生的。直到 20 世紀 70年代，電子計算機在數字計算、邏輯推理及信息處理等方面表現出非凡的能力。在通信、測控與數據傳輸等領域，人們對計算機技術給予了更大的期待。這些領域的應用與單純的高速計算要求不同，主要表現在：直接面向控制對象；嵌入到具體的應用體中，而非計算機的面貌出現；能在現場連續、可靠地運行；體積小，應用靈活；突出控制功能，特別是對外部信息的捕捉與豐富的輸入/輸出功能等。由此可以看出，滿足這些要求的計算機與滿足高速數值計算的計算機是不同的。因此，一種稱為單片機或微控制器的技術得以產生并發展。為了區分這兩種計算機類型，通常把滿足海量高速數值計算的計算機稱為通用計算機系統，而把嵌入到實際應用系統中，實現嵌入式應用的計算機稱為嵌入式計算機系統，簡稱為嵌入式系統。

3.嵌入式系統與MCU的關系

何立民先生說：“有些人搞了十多年的單片機應用，不知道單片機就是一個最典型的嵌入式系統”。實際上，MCU是在通用CPU基礎上發展起來的，MCU具有體積小、價格低、穩定可靠等優點，它的出現和迅猛發展，是控制系統領域的一場技術革命。MCU以其較高的性能價格比、靈活性等特點，在現代控制系統中具有十分重要的地位。大部分嵌入式系統以MCU為核心進行設計。MCU從體系結構到指令系統都是按照嵌入式系統的應用特點專門設計的，它能很好地滿足應用系統的嵌入、面向測控對象、現場可靠運行等方面的要求。因此以 MCU 為核心的系統是應用最廣的嵌入式系統。在實際應用時，開發者是根據具體要求選用最佳型號的MCU嵌入到實際應用系統中的。

在MCU出現之前，人們必須用模擬電路、數字電路實現大部分計算與控制功能，這樣使得控制系統體積龐大，易出故障。MCU出現以后，情況發生了變化，系統中的大部分計算與控制功能由MCU的軟件實現。其他電子線路成為MCU的外圍接口電路，承擔著輸入、輸出與執行動作等功能，而計算、比較與判斷等原來必須用電路實現的功能，可以用軟件取代，大大地提高了系統的性能與穩定性，這種控制技術稱為嵌入式控制技術。在嵌入式控制技術中，核心是MCU，其他部分依此而展開。

1.1.3 嵌入式系統的特點

要談嵌入式系統特點，不同學者也許有不同說法。本書從與通用計算機對比的角度談嵌入式系統的特點。

1.嵌入式系統是計算機系統，但不單獨以通用計算機面目出現

嵌入式系統的本名叫做嵌入式計算機系統（Embedded Computer System），它不僅具有通用計算機的主要特點，又具有自身特點。嵌入式系統也必須要有軟件才能運行，但其隱含在種類眾多的具體產品中。同時，通用計算機種類屈指可數，而嵌入式系統不僅芯片種類繁多，而且由于應用對象大小各異，嵌入式系統作為控制核心，已經融入到了各個行業的產品之中。

2.嵌入式系統開發需要專用工具和特殊方法

嵌入式系統不像通用計算機那樣有了計算機系統就可以進行應用開發。一般情況下，其MCU芯片本身不具備開發功能，必須要有一套與相應芯片配套的開發工具和開發環境。這些工具和環境一般基于通用計算機上的軟硬件設備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。開發時往往有主機和目標機的概念，主機用于程序的開發，目標機作為最后的執行機，開發時需要交替結合進行。

3.使用MCU設計嵌入式系統，數據與程序空間采用不同存儲介質

在通用計算機系統中，程序存儲在硬盤上。實際運行時，通過操作系統將要運行的程序從硬盤調入內存（RAM），運行中的程序、常數、變量均在RAM中。而以MCU為核心的嵌入式系統，其程序被固化到非易失性存儲器中。變量及堆棧使用RAM存儲器。

4.開發嵌入式系統涉及軟件、硬件及應用領域的知識

嵌入式系統與硬件緊密相關，嵌入式系統的開發需要硬件、軟件協同設計、協同測試。同時，由于嵌入式系統專用性很強，通常是用在特定應用領域，如嵌入在手機、電冰箱、空調器、各種機械設備、智能儀器儀表中起核心控制作用，功能專用。因此，進行嵌入式系統的開發，還需要對其他領域知識有一定的理解。當然，一個團隊協作開發一個嵌入式產品，其中各個成員可以扮演不同角色，但對系統的整體理解與把握并相互協作，有助于一個穩定可靠嵌入式產品的誕生。

5.嵌入式系統的其他特點

除了以上特點之外，嵌入式系統還具有其他方面的特點。

? 在資源方面：嵌入式系統通常專用于某一特定應用領域，其硬件資源不會像通用計算機那樣豐富；

? 在可靠性方面：嵌入式系統一般要求更高可靠性和穩定性；

? 在實時性方面：相當多嵌入式系統有實時性要求；

? 在成本方面：嵌入式系統通常極其關注成本；

? 在功耗要求方面：一些嵌入式系統要求低功耗；

? 在生命周期方面：嵌入式系統通常比通用計算機系統生命周期長，升級換代比通用計算機慢。

? 在知識綜合方面：嵌入式系統是將先進的計算機技術、半導體技術及電子技術與各個行業的具體應用相結合的產物，是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統，它的構成既有硬件又有軟件，不僅包括應用軟件，也可能包括系統軟件；它既有數字電路又有模擬電路；其產品技術含量高，涉及多種學科，不容易開發，因此也不容易形成技術壟斷。

這些特點決定了嵌入式系統的開發方法、開發難度、開發手段等，均不同于通用計算機，也不同于常規的電子產品。