第1章 概述

1.1 什么是嵌入式系統(tǒng)

世界上最早的嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）被認(rèn)為是20世紀(jì)60年代中后期由麻省理工學(xué)院儀器實驗室的Charles Stark Draper領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)團(tuán)隊為美國阿波羅登月艙所設(shè)計的專用計算機系統(tǒng)AGC（Apollo Guidance Computer），該計算機被鑲嵌在飛船駕駛艙控制面板的中央，主要負(fù)責(zé)飛船的導(dǎo)航，如圖1-1所示。

該計算機系統(tǒng)是世界首臺采用數(shù)字集成電路實現(xiàn)的計算機，共使用了4100個分離的電阻-晶體管邏輯三輸入或非門集成電路。所構(gòu)成的CPU字長為16位，有2048B的RAM（磁芯），36KB的ROM，存儲器讀寫速度為11.72μs，系統(tǒng)功耗為50W，重32kg。

從早期的嵌入式系統(tǒng)可以看出，其計算機的性能指標(biāo)不僅比今天幾元錢人民幣一片的單片機相差甚遠(yuǎn)，而且體積和功耗都非常大，價格更是難以估量，這主要是受當(dāng)時集成電路工藝水平的限制。因此嵌入式系統(tǒng)在長時間里遠(yuǎn)離了大眾的視線，僅被少數(shù)國防工業(yè)及高精尖科研制造領(lǐng)域的人所熟識。人們只能感嘆：還有什么地方能用得起計算機？

隨著集成電路工藝水平的不斷進(jìn)步，計算機逐漸失去了它的貴族身價，進(jìn)入了百姓家庭。特別是隨著微處理器性能的不斷提高，體積、功耗、價格的不斷降低，在一個單片計算機價格僅幾元錢的時候，人們又感嘆：還有什么地方用不起計算機？

今天，盡管有許多人不能夠確切地指出哪些物件屬于嵌入式系統(tǒng)，但事實上他們每天的生活和工作無時無刻不被嵌入式系統(tǒng)包圍著：手機、MP3/MP4、數(shù)碼相機、數(shù)字電視、機頂盒、DVD、復(fù)印機、傳真機、商場POS機、銀行ATM機、公交刷卡機等。那么到底什么是嵌入式系統(tǒng)呢？

1.1.1 嵌入式系統(tǒng)的特點

關(guān)于嵌入式系統(tǒng)盡管曾經(jīng)有過一些定義，甚至是一些國際上的權(quán)威組織給出的。但隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在還要想用確切具體的技術(shù)術(shù)語為嵌入式系統(tǒng)下定義已經(jīng)非常困難了，因為嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍實在是太大了，任何一個門類的技術(shù)都無法將嵌入式系統(tǒng)收羅到自己門下。如果一定要為嵌入式系統(tǒng)下定義，只能是借鑒目前大部分業(yè)內(nèi)人士對嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生的共識。

目前廣泛認(rèn)可的一種關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的定義是：嵌入式系統(tǒng)是嵌入到應(yīng)用對象體系中的專用計算機系統(tǒng)。“嵌入性”、“專用性”及“軟/硬件緊密結(jié)合的計算機系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的三個基本要素。而嵌入式系統(tǒng)的特點則是由其應(yīng)用特征、處理器特征及軟件特征共同反映出來的。

1.嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用特征

嵌入式系統(tǒng)是針對各種具體應(yīng)用而開發(fā)的軟/硬件緊密結(jié)合的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。

根據(jù)所專屬的應(yīng)用系統(tǒng)性能要求的不同，嵌入式系統(tǒng)具有不同的規(guī)模。大的例如空中交通管制系統(tǒng)，盡管它們使用大型計算機，但這些計算機都專用于機場雷達(dá)及各型機場導(dǎo)航管控設(shè)備的監(jiān)控和管理，它們會將多個小的嵌入式系統(tǒng)整合成一個大系統(tǒng)，但它們并不具有通用性。小的嵌入式系統(tǒng)例如手機，它們也是“麻雀雖小，五臟俱全”，具備了計算機的主要功能部件和屬性。

對于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)技術(shù)的學(xué)習(xí)者來說，將面對的最為廣泛的嵌入式系統(tǒng)無疑是商業(yè)及民用類產(chǎn)品，而這類產(chǎn)品大多具有的移動便攜和節(jié)能環(huán)保的要求，更凸顯了主流嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用特征：功能強、可靠性高、體積小、功耗低、成本低。

2.嵌入式處理器的特征

嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式處理器，它是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用特征的最基本保障。嵌入式系統(tǒng)所采用的處理器與通用計算機內(nèi)的處理器（CPU）有著很大的不同。若以X86系列CPU作為通用處理器的代表，我們會發(fā)現(xiàn)這些處理器是“只會思考，不會做事”，即CPU只負(fù)責(zé)程序的執(zhí)行，而程序要實現(xiàn)的具體I/O操作都需要通過三總線交給其他外設(shè)電路去完成。而嵌入式處理器則是將CPU及眾多的I/O功能集成于一身。如果將CPU比喻為人的大腦，各種外設(shè)比喻為人的四肢，則通用計算機的大腦和四肢是從外部連接在一起，而嵌入式處理器則是在內(nèi)部連接在一起的。另外通用處理器主要追求的是性能，而嵌入式處理器對性能的要求是滿足需要即可，更強調(diào)可靠性、功耗、體積、甚至價格等因素。因此可看出，嵌入式處理器的特征是：集CPU及眾多外設(shè)接口電路于一身，且可靠性高、體積小、功耗低、價格低。

注意：Micro-computer、Micor-processor和Micro-controllor的區(qū)別。

3.嵌入式系統(tǒng)的軟件特征

嵌入式系統(tǒng)的軟件與通用計算機系統(tǒng)的軟件也有諸多不同的地方。由于嵌入式系統(tǒng)的專用性、嵌入性、軟/硬件緊密結(jié)合性及低功耗性的要求，使得嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)具有以下與通用計算機軟件系統(tǒng)不同的特點：

• 軟件只針對某種具體的硬件平臺和具體的應(yīng)用要求開發(fā)，不具有通用性；
• 由于沒有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的硬件平臺，就不存在諸如BIOS這類通用可共享的底層軟件；
• 軟件代碼量要盡可能小，代碼質(zhì)量要求高，通常用高效的C、C++語言或匯編開發(fā)；
• 操作系統(tǒng)必須可以視具體應(yīng)用的要求進(jìn)行取舍（配置、剪裁），且多數(shù)采用靜態(tài)編譯；
• 操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序聯(lián)系緊密，軟件與硬件的聯(lián)系緊密，往往需要進(jìn)行捆綁式開發(fā)；
• 沒有磁盤存儲器，通常將所有軟件都固化于ROM中；
• 大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)具有一定的實時性要求。

1.1.2 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域

嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用如同許多高新技術(shù)一樣緣于國防軍事領(lǐng)域，除了Apollo登月艙等項目外，最早量產(chǎn)化的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用產(chǎn)品是美國1966年應(yīng)用在Minuteman II導(dǎo)彈內(nèi)的Autonetics D-17制導(dǎo)計算機系統(tǒng)，其量產(chǎn)化過程得益于當(dāng)時將用于構(gòu)造計算機的分離元件芯片四輸入與門的單價由原先每片1000美元降低為3美元。

嵌入式系統(tǒng)首先得到廣泛應(yīng)用的是軍事領(lǐng)域，例如，飛機、艦艇、坦克等各類軍用載運裝置的導(dǎo)航、運動控制、火控系統(tǒng)控制，雷達(dá)、電子對抗、野戰(zhàn)指揮調(diào)度系統(tǒng)等軍事通信設(shè)備，導(dǎo)彈、火炮、集束炸彈等武器的發(fā)射引爆控制，甚至單兵作戰(zhàn)的電子裝備等年。

嵌入式系統(tǒng)真正開始在其他領(lǐng)域大面積使用還是從以Intel 4004為代表的微處理器誕生后開始的。微處理器的誕生及快速發(fā)展終于使嵌入式系統(tǒng)走下航天、軍工應(yīng)用的“神壇”，步入工業(yè)、商業(yè)、交通、醫(yī)療，乃至百姓日常生活中。

嵌入式系統(tǒng)從軍事領(lǐng)域步入的下一個領(lǐng)域是工業(yè)制造業(yè)。為了提高勞動生產(chǎn)率，提升產(chǎn)品的品質(zhì)和附加值，工業(yè)領(lǐng)域大量采用嵌入式系統(tǒng)改造生產(chǎn)裝置，增加產(chǎn)品的智能化。因此出現(xiàn)了自動化的生產(chǎn)流水線，各類工業(yè)機器人、數(shù)控設(shè)備、柔性中心、智能儀器儀表、基于測控網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng)等用于生產(chǎn)加工的設(shè)備和系統(tǒng)應(yīng)運而生。各種工業(yè)產(chǎn)品也紛紛將計算機嵌入其內(nèi)，使其具有更高的性能、更人性化的操作體驗、更高的安全性，以及更豐厚的回報。目前一部汽車內(nèi)嵌入的計算機數(shù)量從十幾個到近百個不等。

緊跟工業(yè)制造業(yè)后大面積運用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的是商業(yè)和辦公業(yè)。常用的商業(yè)設(shè)備包括銀行ATM機、商場POS機、點鈔機、條形碼閱讀機、手持刷卡繳費機、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、銀行自助服務(wù)設(shè)備等。常用的辦公類設(shè)備包括復(fù)印機、打印機、傳真機、掃描儀、個人數(shù)字助理（PDA）、變頻空調(diào)、數(shù)字視頻會議設(shè)備、數(shù)字音視頻錄播設(shè)備等。

通信設(shè)備是嵌入式系統(tǒng)的另一大應(yīng)用領(lǐng)域，包括有線通信的程控交換機、以太網(wǎng)交換機、路由器、網(wǎng)關(guān)及接入服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備、光通信與傳輸設(shè)備等，還有無線通信的無線路由器、移動通信基站、移動通信交換設(shè)備、各類移動通信終端、微波傳輸設(shè)備，以及使用數(shù)量最多的手機。

醫(yī)用電子設(shè)備是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展?jié)摿薮蟮念I(lǐng)域，目前常見的儀器有，X光機、超聲診斷儀、計算機斷層成像系統(tǒng)、心臟起博器、監(jiān)護(hù)儀、輔助診斷系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等。

嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用范圍最廣、數(shù)量最大的市場應(yīng)該算消費類電子產(chǎn)品。目前各種信息家電產(chǎn)品，如高清網(wǎng)絡(luò)電視、三網(wǎng)合一機頂盒、數(shù)碼相機、高清DVD、家庭影院、可視電話、家庭安防系統(tǒng)、智能化洗衣機、電冰箱、智能玩具等都在以前所未有的速度進(jìn)入到每一個家庭。

1.1.3 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

計算機后PC時代的一個主要特征就是計算機技術(shù)的觸角已經(jīng)深入到了人類社會及民眾生活的方方面面，計算機不再是傳統(tǒng)意義上那種價格高昂、具有統(tǒng)一的Win/Tel特征、正襟危放在辦公桌上的個人電腦的代名詞，而是活躍在可通電的幾乎所有應(yīng)用領(lǐng)域并極大提升各類產(chǎn)品性能的“萬變精靈”。

隨著現(xiàn)代社會信息化進(jìn)程的加快，作為計算機技術(shù)專屬應(yīng)用統(tǒng)稱的嵌入式技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于軍事、工業(yè)、通信、交通、商業(yè)、辦公、醫(yī)療、家電、娛樂等社會各個方面，表現(xiàn)出了極強的生命力和發(fā)展速度。

每年全球嵌入式系統(tǒng)相關(guān)工業(yè)產(chǎn)值已超過1萬億美元，而中國嵌入式軟件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展多年來更是保持了高速的發(fā)展勢頭。2000年至2005年我國嵌入式系統(tǒng)軟件市場年平均增速達(dá)38%以上，2005年中國嵌入式軟件產(chǎn)業(yè)規(guī)模已達(dá)到1061.4億元（2006年嵌入式系統(tǒng)年會數(shù)據(jù)）。另外據(jù)賽迪顧問網(wǎng)統(tǒng)計和預(yù)測的數(shù)據(jù)顯示，到2011年中國嵌入式軟件產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)4650億元人民幣。

2007～2011年中國嵌入式軟件產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模統(tǒng)計及預(yù)測（賽迪顧問網(wǎng)）

目前，我國已成為世界電子產(chǎn)品第一制造大國，手機、微型計算機、彩電、數(shù)碼相機、激光視盤機產(chǎn)量分別占全球的49.9%、60.9%、48.3%、80%、85%，電子信息產(chǎn)品貿(mào)易額占全球的15%以上。2009年，規(guī)模以上電子信息制造業(yè)實現(xiàn)收入51305億元（許多產(chǎn)品屬于嵌入式領(lǐng)域），同比增長0.1%。其中軟件業(yè)務(wù)收入9513億元，同比增長25.6%（據(jù)工業(yè)與信息化部2009年電子信息產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟運行公報）。軟件業(yè)務(wù)增長遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同行業(yè)其他產(chǎn)業(yè)。而軟件業(yè)排名前10位的企業(yè)中有8家的主營業(yè)務(wù)是嵌入式軟件，特別是位列前三的華為、中興和海信都是嵌入式產(chǎn)品的領(lǐng)軍企業(yè)。

隨著我國逐步從制造大國到創(chuàng)造大國的轉(zhuǎn)型，大量的企業(yè)都在積極探索實現(xiàn)轉(zhuǎn)型的策略。通過將一些勞動密集型產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為高附加值的智能型產(chǎn)品是目前許多轉(zhuǎn)型企業(yè)大力研究并加以實施的戰(zhàn)略決策，而嵌入式技術(shù)在此過程中將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。工業(yè)轉(zhuǎn)型升級和技術(shù)改造的內(nèi)在需求，正在成為國產(chǎn)工業(yè)軟件發(fā)展的巨大動力。2009年中國工業(yè)軟件的增長率是56.1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他軟件行業(yè)的增長。

在我國，無論是高精尖的航空航天、軍事、通信、交通、能源等領(lǐng)域還是大眾化普及類的辦公、商業(yè)、家電領(lǐng)域都能看到嵌入式技術(shù)的身影。特別是當(dāng)前3G通信、移動計算、物聯(lián)網(wǎng)等新興應(yīng)用需求的出現(xiàn)，更是給嵌入式技術(shù)帶來了空前的機會和挑戰(zhàn)。掌握了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)也就意味著進(jìn)入了一個更廣闊更有發(fā)展前途的未來空間。

與傳統(tǒng)的通用計算機行業(yè)不同，嵌入式系統(tǒng)是一個分散的工業(yè)，其中充滿競爭、創(chuàng)新與機遇，因此對廣大中小企業(yè)特別具有吸引力。嵌入式系統(tǒng)涉及廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，產(chǎn)品五花八門，因此不可能由少數(shù)大公司壟斷市場，即使在其體系結(jié)構(gòu)上存在著主流產(chǎn)品，其產(chǎn)品和技術(shù)也必然是高度分散的，這就為廣大的中小型高技術(shù)公司留下了巨大的發(fā)展與創(chuàng)新空間。但另一方面由于缺乏統(tǒng)一規(guī)范的開發(fā)平臺和工具，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)相比傳統(tǒng)PC應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)要困難得多。沒有成熟方便的開發(fā)環(huán)境支持，就需要開發(fā)人員具備更廣泛的知識面和更多的開發(fā)經(jīng)驗，從而給嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)帶來了門檻高的“惡名”，致使目前社會對嵌入式開發(fā)人員的需求與合格嵌入式技術(shù)人才短缺的矛盾日漸突出，急需大量有志之士能夠克服學(xué)習(xí)中的困難，邁過所遇到的門檻，盡快成長為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)技術(shù)的精英人才。