第1章 嵌入式系統(tǒng)概述

1.1 嵌入式系統(tǒng)概論

1.1.1 嵌入式系統(tǒng)的定義

在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，從廚房的電飯煲、微波爐、電冰箱到客廳里的家庭媒體中心，各種智能化設(shè)備已經(jīng)遍布我們的周?chē)４藭r(shí)，我們聽(tīng)到最多的一個(gè)詞便是“嵌入式系統(tǒng)”。現(xiàn)在，嵌入式系統(tǒng)帶來(lái)的工業(yè)年產(chǎn)值已超過(guò)了1萬(wàn)億美元，它已經(jīng)成為信息技術(shù)（IT）產(chǎn)業(yè)爭(zhēng)奪的重點(diǎn)。目前，中國(guó)嵌入式系統(tǒng)的主要客戶(hù)分布在電信、醫(yī)療、汽車(chē)、安全和消費(fèi)類(lèi)等行業(yè)。其中消費(fèi)類(lèi)電子領(lǐng)域占據(jù)了嵌入式最大的市場(chǎng)份額，約占36%，緊隨其后的是安全占26%，其次是電信、醫(yī)療及其他各占20%、8%和10%。

那么，什么才是“嵌入式系統(tǒng)”呢？按照IEEE的定義：嵌入式系統(tǒng)是“用于監(jiān)視、控制或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。這個(gè)定義是從應(yīng)用角度考慮的，可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)電等附屬裝置。

而目前我們最常見(jiàn)、最通用的一個(gè)定義是：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，其軟/硬件可裁剪，對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格約束的一種專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

這個(gè)定義是從技術(shù)角度來(lái)進(jìn)行闡述的，因此更加全面。它不僅指出了嵌入式系統(tǒng)是一種專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（非PC的智能電子設(shè)備），而且說(shuō)明了嵌入式系統(tǒng)的幾個(gè)基本要素，即面向應(yīng)用、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟/硬件可裁剪及在功能、可靠性、成本、體積和功耗上有嚴(yán)格約束。而“嵌入式系統(tǒng)”中“嵌入”一詞，即指其軟/硬件可裁剪的特性，它表示該系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個(gè)完整部分。嵌入的系統(tǒng)中可以共存多個(gè)嵌入式系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)幾乎應(yīng)用于所有電氣設(shè)備：手機(jī)、機(jī)頂盒、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）、汽車(chē)控制系統(tǒng)、微波爐控制器、電梯控制器、安全系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、立體音響、自動(dòng)售貨機(jī)控制器、自動(dòng)取款機(jī)等。即使是一臺(tái)通用PC，也包括嵌入式系統(tǒng)。PC的外部設(shè)備包含了嵌入式微處理器的成分，如硬盤(pán)、軟驅(qū)、顯示器、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、聲卡、網(wǎng)卡、Modem和打印機(jī)、掃描儀等，都是由嵌入式處理器控制的。

嵌入式系統(tǒng)是面向用戶(hù)、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的。如果獨(dú)立于應(yīng)用而自行發(fā)展，則會(huì)失去市場(chǎng)。因此，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者不是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的人才，而是各個(gè)行業(yè)的技術(shù)人員。例如開(kāi)發(fā)數(shù)字醫(yī)療設(shè)備，往往是生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)人員和計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員一起來(lái)共同完成。

嵌入式系統(tǒng)是一種專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它和通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用的技術(shù)是一樣的，都包含了硬件和軟件部分，但對(duì)二者的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)是不同的。嵌入式系統(tǒng)往往只是一個(gè)大系統(tǒng)中的組成部分，控制大系統(tǒng)的工作，它的價(jià)值在于它所控制的大系統(tǒng)。例如，智能洗衣機(jī)的評(píng)價(jià)指標(biāo)往往是洗凈度、耗水、耗電、洗衣速度等，而不是控制它的處理器的速度、存儲(chǔ)容量等。而通用計(jì)算機(jī)則不同，其更關(guān)注計(jì)算能力、處理速度、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力等指標(biāo)。

1.1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成

由于嵌入式系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，它的組成也與計(jì)算機(jī)組成類(lèi)似，主要包括兩個(gè)部分：嵌入式硬件系統(tǒng)和嵌入式軟件系統(tǒng)。

嵌入式硬件系統(tǒng)主要包括：嵌入式處理器、存儲(chǔ)器、接口控制器與接插件、模擬電路及電源等幾個(gè)部分。目前針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的外圍硬件設(shè)備擴(kuò)展有很多，常用的有串行口、以太網(wǎng)接口（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）、USB接口（USB設(shè)備，如優(yōu)盤(pán)、數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)硬盤(pán)等外部存儲(chǔ)設(shè)備）、音頻接口（如MP3）、液晶顯示屏（如數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、MP4播放器、PDA等）、攝像頭（拍照手機(jī)）等。可以看到，不同的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可能會(huì)用到不同的外圍硬件設(shè)備。以數(shù)碼相機(jī)為例，它需要使用到攝像頭、液晶顯示屏、USB、SD或MS卡，如果該數(shù)碼相機(jī)還要有MP3功能，就還需要加上音頻解碼設(shè)備。沒(méi)有外圍設(shè)備的支持，嵌入式系統(tǒng)是不完整的。

嵌入式軟件系統(tǒng)主要包括：底層驅(qū)動(dòng)、操作系統(tǒng)軟件（嵌入式操作系統(tǒng)）和應(yīng)用程序（應(yīng)用軟件）幾個(gè)部分。底層驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)硬件和軟件之間的接口，操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度、任務(wù)處理，應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能的應(yīng)用。由于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，應(yīng)用程序（應(yīng)用軟件）的表現(xiàn)形式也千差萬(wàn)別。有時(shí)設(shè)計(jì)人員會(huì)把操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件兩部分組合在一起：應(yīng)用軟件控制系統(tǒng)的運(yùn)作和行為，操作系統(tǒng)控制應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。

在嵌入式系統(tǒng)的組成中，其核心是嵌入式處理器。因此嵌入式處理器的技術(shù)指標(biāo)如功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等均受到應(yīng)用要求的制約，這些也是各半導(dǎo)體廠商之間競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。嵌入式處理器的應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。一般來(lái)說(shuō)，軟件需要固化存儲(chǔ)，有時(shí)稱(chēng)為固件（Firmware），軟件代碼要求高質(zhì)量、高可靠性。

1.1.3 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

與常見(jiàn)的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)一般具有以下特點(diǎn)。

① 面向特定的應(yīng)用。與通用CPU相比，嵌入式CPU是為特定用戶(hù)群設(shè)計(jì)的。如ARM系列多用于手機(jī)中，Motorola的龍珠系統(tǒng)多用于中檔PDA中。應(yīng)用需求決定了嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。決定嵌入式CPU應(yīng)用環(huán)境的主要因素在于其提供的接口功能和處理速度。

② 專(zhuān)用性強(qiáng)，可根據(jù)需要靈活定制。嵌入式系統(tǒng)的個(gè)性化很強(qiáng)，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對(duì)硬件進(jìn)行系統(tǒng)的移植。

③ 系統(tǒng)內(nèi)核小。嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置的，系統(tǒng)資源相對(duì)有限，所以?xún)?nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。例如，mC/OS系統(tǒng)內(nèi)核只有5KB，而Windows的內(nèi)核則要大得多。

④ 體積小、功耗低、成本低、效率高。由于嵌入式系統(tǒng)集成度高、體積小，所以其系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件一般有一些特殊要求，如：軟件固化在ROM中、要求高質(zhì)量高可靠性的軟件代碼、具有實(shí)時(shí)處理能力等。同時(shí)，由于嵌入式系統(tǒng)往往沒(méi)有充足的電能（如電池供電），所以多為低功耗系統(tǒng)。而且系統(tǒng)功耗越低，溫度越低，其可靠性和穩(wěn)定性也就越高。

⑤ 具有較長(zhǎng)的生命周期。嵌入式系統(tǒng)與具體應(yīng)用有機(jī)結(jié)合在一起，它的升級(jí)和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行。

⑥ 通常有實(shí)時(shí)性要求，因此都要求要有高實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)（Real-Time Operating System，RTOS）。這是嵌入式軟件的基本要求，用以實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度、資源分配等功能。按照實(shí)時(shí)性的不同，嵌入式系統(tǒng)可以分為軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)和硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)要求不高，通常用于人機(jī)交互較多的領(lǐng)域；而硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要應(yīng)用于工控、航天、軍事等領(lǐng)域。

⑦ 需要專(zhuān)門(mén)的軟/硬件開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境。由于嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行平臺(tái)與開(kāi)發(fā)平臺(tái)是不同的，嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開(kāi)發(fā)能力，需要專(zhuān)門(mén)的軟/硬件開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境-交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)發(fā)較為困難。通常嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)采用交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境：開(kāi)發(fā)平臺(tái)稱(chēng)為宿主機(jī)，有豐富的軟/硬件資源；運(yùn)行嵌入式軟件的平臺(tái)稱(chēng)為目標(biāo)機(jī)，資源相對(duì)有限。在宿主機(jī)上進(jìn)行軟件的編輯、編譯；然后下載到目標(biāo)機(jī)上調(diào)試、運(yùn)行。