第1章 緒論

1.1 嵌入式系統(tǒng)概述

嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展已經(jīng)極大地改變了我們的生活，從風(fēng)靡全球的iPhone，到生活中隨處可見(jiàn)的MP3、數(shù)碼相機(jī)、打印機(jī)、家用電器，生活中的衣食住行無(wú)處不存在嵌入式系統(tǒng)的身影，可以說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展改變了我們的生活方式，也讓我們的生活變得更智能。

雖然嵌入式系統(tǒng)無(wú)處不在，然而要真正理解它并不容易，正是由于嵌入式系統(tǒng)有著如此廣泛的應(yīng)用，因此電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生更應(yīng)該掌握它的相關(guān)知識(shí)，本章就介紹嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)。

1.1.1 嵌入式系統(tǒng)的概述

之前已經(jīng)有所介紹，嵌入式系統(tǒng)無(wú)處不在，小到一個(gè)簡(jiǎn)單的單片機(jī)控制系統(tǒng)，大到復(fù)雜的航天工程，無(wú)論是在民用還是軍用領(lǐng)域，無(wú)論是在日常生活還是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，隨處可以發(fā)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的身影。那么，什么是嵌入式系統(tǒng)呢？在計(jì)算機(jī)剛剛出現(xiàn)的時(shí)候，人們通常按照計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)算速度、結(jié)構(gòu)規(guī)模、應(yīng)用領(lǐng)域等將其分為大型計(jì)算機(jī)、中型計(jì)算機(jī)、小型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)，然而隨著半導(dǎo)體技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，這種分類(lèi)方式已經(jīng)失去了實(shí)際的意義。另外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及其產(chǎn)品對(duì)其他行業(yè)的廣泛滲透和大規(guī)模應(yīng)用，以應(yīng)用為中心的分類(lèi)方法更為合理，這種分類(lèi)方法把計(jì)算機(jī)按照嵌入式應(yīng)用和非嵌入式應(yīng)用分為嵌入式計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī)。

因此，常用的嵌入式系統(tǒng)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)，對(duì)系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求，軟件和硬件資源可以高度定制和裁剪的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這個(gè)定義主要包含兩個(gè)信息：一是嵌入式系統(tǒng)是專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，因此必須有處理器，具備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本特征。二是嵌入式系統(tǒng)的功能是有嚴(yán)格要求并按照指定的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。

和嵌入式系統(tǒng)形成對(duì)比的是通用計(jì)算機(jī)，這個(gè)對(duì)于同學(xué)們來(lái)說(shuō)更為直觀，對(duì)照嵌入式系統(tǒng)的定義，我們可以歸納出通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一些基本特點(diǎn)。首先，通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件和硬件資源是富余的，通用計(jì)算機(jī)具有計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)，相應(yīng)的軟件和硬件配置較為固定，可以通過(guò)配置不同的應(yīng)用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用。例如我們平時(shí)所使用的計(jì)算機(jī)，并不是所有的硬件資源我們都能夠使用到，同樣在我們使用的操作系統(tǒng)中，也并不是所有的軟件資源都是我們能夠用到的，然而正是這些通用的軟件和硬件配置才能夠保證通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通用性，從而滿足不同的應(yīng)用需求。

正是由于嵌入式系統(tǒng)在功能、成本、功耗等方面的嚴(yán)格要求，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品具有非常巨大的應(yīng)用市場(chǎng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)行業(yè)，嵌入式系統(tǒng)行業(yè)的需求更為豐富，在通用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，主要的軟件和硬件技術(shù)都已經(jīng)被世界上著名的企業(yè)壟斷，普通公司很難有所作為。如CPU基本上被Intel、AMD等公司壟斷；操作系統(tǒng)的辦公軟件方面，微軟早已占據(jù)了大部分的市場(chǎng)份額；在高端顯卡方面則是NVIDIA和ATI的天下，同時(shí)傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)廠商也面臨著巨大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。嵌入式領(lǐng)域則不同，嵌入式應(yīng)用廣泛，行業(yè)細(xì)分程度大，還沒(méi)有哪個(gè)系列的處理器和操作系統(tǒng)能夠形成壟斷。即使在體系結(jié)構(gòu)或者軟件平臺(tái)上能夠形成主流，在各不相同的應(yīng)用領(lǐng)域也很難有公司能夠壟斷全部市場(chǎng)。正是由于嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品和技術(shù)高度分散，行業(yè)應(yīng)用廣泛，同時(shí)技術(shù)更新?lián)Q代迅速，可供創(chuàng)新和發(fā)揮的余地很大，因此學(xué)習(xí)和從事嵌入式系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)必然能夠大有作為。

1.1.2 嵌入式系統(tǒng)的特征

通過(guò)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的基本介紹，可以總結(jié)嵌入式系統(tǒng)以下七個(gè)基本特征。

1.嵌入式系統(tǒng)具有特定功能，用于特定的任務(wù)

通過(guò)與通用計(jì)算機(jī)的對(duì)比就可以看出，這是嵌入式系統(tǒng)和通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最本質(zhì)的區(qū)別。在半導(dǎo)體技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，嵌入式系統(tǒng)的智能化程度越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)大，但是始終無(wú)法背離這一點(diǎn)。例如MP3的發(fā)展，早期的MP3只能用來(lái)聽(tīng)音樂(lè)，后來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展，MP3的存儲(chǔ)容量不斷增大，支持的音樂(lè)格式逐漸增多，同時(shí)使用更先進(jìn)的解碼技術(shù)使音質(zhì)更加出色，使用了彩色的屏幕使操作更加方便，并逐漸增加了電子書(shū)、日歷等功能，然而這些變化并沒(méi)有偏離聽(tīng)歌這一特定的任務(wù)。

由于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用主要是改變我們的生活，因此特定的功能往往也會(huì)隨著技術(shù)的發(fā)展而有所調(diào)整，但是其主要功能卻是一定的，否則就是完全不同的產(chǎn)品了。MP4的發(fā)展就非常具有代表性，MP4的誕生比較模糊，當(dāng)MP3播放器使用了彩色屏幕之后，視頻播放逐漸成為了一個(gè)附加功能，因此早期的MP4也可以理解為可以放視頻的MP3，只是功能的側(cè)重點(diǎn)不同而已。早期的MP4只能播放特定格式的視頻，需要使用特定的轉(zhuǎn)換軟件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，如著名的魅族M6。隨著視頻編解碼芯片的發(fā)展，在2008年年初出現(xiàn)了可以直接播放RMVB的播放器，如當(dāng)時(shí)的藍(lán)魔RM970等。2009年以后，MP4的發(fā)展進(jìn)入了快車(chē)道，也進(jìn)入了多元化的發(fā)展時(shí)代，一方面是對(duì)高質(zhì)量視頻的支持，480P、720P、1080P等高清格式在MP4上輕松地播放已經(jīng)不是問(wèn)題；另一方面，一些當(dāng)初的附加功能也使MP4朝著多元化的方向發(fā)展，一些MP4加入了PDF、OFFICE文檔的閱讀功能，從而演變成了側(cè)重閱讀的彩屏電子書(shū)。2010年以來(lái)，隨著Android系統(tǒng)的高速發(fā)展，一些MP4加入了Android系統(tǒng)，可以運(yùn)行Android豐富的應(yīng)用，加入了WiFi，使用大尺寸、高分辨率的屏幕之后，逐漸演變?yōu)榱薓ID（Mobile Internet Device，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備）。

這種功能上的專(zhuān)注和轉(zhuǎn)變最合適的例子就是蘋(píng)果的系列產(chǎn)品，如圖1-1所示。從當(dāng)初針對(duì)音樂(lè)的iPod，到逐漸融合視頻、照相功能，再到加入iOS系統(tǒng)，具備上網(wǎng)、照相、游戲等功能的iPod touch，最后到iPhone、iPad，雖然功能越來(lái)越豐富，很多產(chǎn)品也逐漸具備其他產(chǎn)品的功能，隨著技術(shù)的發(fā)展，這些平臺(tái)的通用性與擴(kuò)展性也越來(lái)越強(qiáng)，但是對(duì)于一款嵌入式產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，它的功能仍然是有側(cè)重的。

從上面的例子也可以看出，隨著集成電路制造技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，處理器的速度越來(lái)越快，存儲(chǔ)器的容量越來(lái)越大，芯片的穩(wěn)定性越來(lái)越好，主要元器件的價(jià)格越來(lái)越低，以前一些專(zhuān)用的嵌入式系統(tǒng)特別是在民用領(lǐng)域，其功能越來(lái)越多，硬件資源越來(lái)越豐富，軟件也具有很好的升級(jí)性和擴(kuò)展性，因此嵌入式系統(tǒng)的這一特征也逐漸模糊化，但是仍然是嵌入式系統(tǒng)的主要特征。

2.嵌入式系統(tǒng)更為關(guān)注成本

對(duì)于很多嵌入式系統(tǒng)而言，由于功能比較單一、固定，嵌入式系統(tǒng)資源比較有限，因此設(shè)計(jì)者對(duì)成本往往更為關(guān)注。因此，在規(guī)劃嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)軟件和硬件資源的設(shè)計(jì)通常是做到夠用即可，只要能夠滿足嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的特定應(yīng)用，就不會(huì)隨意增加資源，往往還要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和精簡(jiǎn)，從而達(dá)到控制成本的目的。相比之下，通用計(jì)算機(jī)就完全不同，雖然也需要進(jìn)行成本的控制，然而由于通用計(jì)算機(jī)的用途多變，不能假定僅用作某一用途，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須照顧到各方面的應(yīng)用情況，保證資源上的充裕。所以，相對(duì)于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的成本控制更為有效。

成本控制意味著一定需要做資源上的精簡(jiǎn)，對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行集成和整合也是非常好的一個(gè)方式，最好的例子莫過(guò)于MTK了。MTK是中國(guó)臺(tái)灣多媒體芯片提供商聯(lián)發(fā)科技（MediaTek）的簡(jiǎn)稱(chēng)。由于MTK等上游芯片廠商創(chuàng)新性的Turnkey Solution模式（將芯片與手機(jī)開(kāi)發(fā)所需的軟件平臺(tái)乃至第三方軟件捆綁銷(xiāo)售，見(jiàn)圖1-2）提供了較健全的多媒體平臺(tái)解決方案，使國(guó)產(chǎn)手機(jī)廠商在很大程度上規(guī)避了市場(chǎng)需求的快速變化，以及自身研發(fā)經(jīng)驗(yàn)不成熟等不

利因素所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。MTK公司的產(chǎn)品集成了較多的多媒體功能，并擁有較低的價(jià)格，因此在國(guó)產(chǎn)手機(jī)廠商和手機(jī)設(shè)計(jì)公司得到了廣泛的應(yīng)用。MTK的基帶芯片多數(shù)采用ARM內(nèi)核，將處理器內(nèi)核、DSP、音頻處理、UART、LCD接口、GPIO、SIM卡接口等基本的功能單元進(jìn)行高度的集成，并最大程度控制成本，因此直接導(dǎo)致了山寨手機(jī)在中國(guó)市場(chǎng)的爆發(fā)，具備拍照、音樂(lè)、視頻、上網(wǎng)、手寫(xiě)等功能的手機(jī)可以從之前的幾千元降到只有幾百元的價(jià)格，足以體現(xiàn)這種方案的優(yōu)勢(shì)。可以說(shuō)，MTK把這種軟件和硬件集成降低成本的模式發(fā)揮到了極致。然而這種模式仍在繼續(xù)，在MP4、GPS、電子書(shū)、MID等領(lǐng)域，這種模式仍然取得了很好的效果。

3.嵌入式系統(tǒng)一般都有功耗要求

嵌入式系統(tǒng)比通用計(jì)算機(jī)更為關(guān)注功耗的要求，這一點(diǎn)很容易理解，因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境往往比較特殊。例如在移動(dòng)設(shè)備中，在使用電池供電的情況下，功耗的控制直接關(guān)系到續(xù)航時(shí)間的長(zhǎng)短，而電池技術(shù)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展不對(duì)稱(chēng)，電池如今已經(jīng)成為了制約手機(jī)、平板電腦等通用移動(dòng)設(shè)備發(fā)展的主要因素之一。

4.嵌入式系統(tǒng)通常有實(shí)時(shí)性的要求

對(duì)于一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求非常嚴(yán)格的嵌入式系統(tǒng)而言，系統(tǒng)能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)對(duì)外部事件做出反應(yīng)非常關(guān)鍵。當(dāng)然所謂的實(shí)時(shí)性也是相對(duì)而言，針對(duì)不同的應(yīng)用自然有不同的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于人機(jī)交互系統(tǒng)，系統(tǒng)在1s內(nèi)能夠做出反應(yīng)就能夠被接受；銀聯(lián)刷卡系統(tǒng)，在5s內(nèi)能夠返回?cái)?shù)據(jù)就能夠滿足需求。如圖1-3所示，如果對(duì)于一個(gè)汽車(chē)剎車(chē)控制系統(tǒng)而言，就要求系統(tǒng)在毫秒級(jí)別內(nèi)做出反應(yīng)。因此，嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是設(shè)計(jì)者必須慎重考慮的問(wèn)題。

5.嵌入式系統(tǒng)的軟件通常使用固態(tài)化存儲(chǔ)

通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能取決于所安裝的軟件，用戶可以方便地使用和更改功能，例如PC，可以自由地安裝各種軟件和游戲。為了適應(yīng)這種更改性，通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件通常存儲(chǔ)在易更改載體中（如硬盤(pán)）。而對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，由于其主體功能是固定的，通常也不需要使用者更改內(nèi)部軟件，因此嵌入式系統(tǒng)的軟件通常使用固態(tài)化存儲(chǔ)，有的嵌入式產(chǎn)品還要對(duì)軟件進(jìn)行加密，防止他人進(jìn)行復(fù)制。例如，我們編寫(xiě)好了一個(gè)51單片機(jī)程序，通過(guò)編譯器生成相應(yīng)的HEX文件，使用下載線或者編程器將相應(yīng)的文件寫(xiě)入單片機(jī)的片內(nèi)Flash中，那么程序的功能就固定了，在正常的使用過(guò)程中軟件功能無(wú)法進(jìn)行更改。這樣存儲(chǔ)的方式可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。

6.嵌入式系統(tǒng)的軟件和硬件可靠性要求更高

由于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用在各行各業(yè)，應(yīng)用環(huán)境也復(fù)雜多變，在某些環(huán)境下一個(gè)很小的錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，因此無(wú)論是軟件和硬件都具有很高的可靠性要求。例如使用計(jì)算機(jī)的過(guò)程中如果死機(jī)，無(wú)非就是把計(jì)算機(jī)重啟一下，但是如果是乘坐飛機(jī)在飛行的過(guò)程中，飛機(jī)的控制系統(tǒng)死機(jī)了，那后果是不可想象的。因此在特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，可靠性是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的首要因素。

可靠性的提升往往是需要以成本的提升為代價(jià)的，比如硬件的可靠性，絕大多數(shù)的IC （Integrated Circuit，集成電路）都有商用、工業(yè)、航天等不同的級(jí)別。級(jí)別越高，IC的工作溫度范圍就越廣，穩(wěn)定性就越高，當(dāng)然價(jià)格也成倍增長(zhǎng)。軟件部分如果要提高可靠性，可能需要依賴更多的硬件資源和人力資源，成本也會(huì)相應(yīng)提高。因此，嵌入式系統(tǒng)的可靠性要求需要針對(duì)具體的應(yīng)用進(jìn)行統(tǒng)籌分析，在硬件的設(shè)計(jì)與軟件開(kāi)發(fā)上同步提升，缺一不可。

7.嵌入式系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品具有較長(zhǎng)的生命周期

如今我們多數(shù)用著雙核甚至是四核、六核的CPU，2GHz、3GHz甚至是更高的主頻，4GB甚至更高的內(nèi)存，很難想象十年前那十幾兆內(nèi)存、幾百兆主頻計(jì)算機(jī)的性能。十幾年前用著大哥大的時(shí)候，也很難想象如今四核處理器、1080P高清大屏幕，觸控體驗(yàn)如此優(yōu)越的手機(jī)。的確，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展如此神速，產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度遠(yuǎn)超我們的想象。

由于嵌入式系統(tǒng)面向具體的應(yīng)用，它的升級(jí)換代也和具體的應(yīng)用同步進(jìn)行，各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)和產(chǎn)品很少發(fā)生突然性的跳躍，嵌入式系統(tǒng)中的軟件也因此更強(qiáng)調(diào)可繼承性和技術(shù)銜接性，因此嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展也體現(xiàn)出相對(duì)的穩(wěn)定性，嵌入式系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品的生命周期因此也要長(zhǎng)得多。

1.1.3 嵌入式系統(tǒng)的組成

嵌入式系統(tǒng)的核心部分由硬件和軟件組成。一般包括嵌入式處理器、存儲(chǔ)器、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和輸入/輸出設(shè)備等。

嵌入式系統(tǒng)的組成并不是固定的，其形式可以多樣化，比如輸入/輸出設(shè)備，可以以簡(jiǎn)單的一個(gè)按鈕作為輸入，一個(gè)LED作為輸出，也可以是具備復(fù)雜通信協(xié)議的通信接口作為輸入，復(fù)雜的機(jī)器人手臂作為輸出。

嵌入式系統(tǒng)的主要硬件組成可以簡(jiǎn)單地分為嵌入式處理器和存儲(chǔ)器。由于超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，很多單片的嵌入式處理器中逐漸加入豐富的資源，常見(jiàn)的嵌入式處理器中都已經(jīng)包括了容量不等的Flash、RAM。而各種通信接口也逐漸加入嵌入式處理器中，現(xiàn)在一片嵌入式處理器上加上電源電路、時(shí)鐘電路就能構(gòu)成一個(gè)嵌入式最小系統(tǒng)。

嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的硬件核心，它大多數(shù)用于專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的場(chǎng)合，將許多通用處理器需要外接輔助設(shè)備的功能使用芯片內(nèi)部的資源完成，因此在使用上可以根據(jù)應(yīng)用的不同而進(jìn)行功能上的組合和裁剪，同時(shí)具有更高的效率和可靠性能。嵌入式處理器可以分為嵌入式微控制器、嵌入式微處理器、嵌入式DSP處理器和嵌入式片上系統(tǒng)等幾類(lèi)，具體內(nèi)容將在1.2節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.1.4 嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1.嵌入式系統(tǒng)的歷史及現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的微型計(jì)算機(jī)，由于體積小、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、使用方便、性價(jià)比高等一系列優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用和迅速普及。微型機(jī)表現(xiàn)出的智能化水平引起了控制專(zhuān)業(yè)人士的興趣，要求將微型機(jī)嵌入到一個(gè)對(duì)象體系中，實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系的智能化控制。例如，將微型計(jì)算機(jī)經(jīng)電氣加固和機(jī)械加固，并配置各種外圍接口電路，安裝到大型艦船中，構(gòu)成自動(dòng)駕駛儀或輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這樣一來(lái)，計(jì)算機(jī)便失去了原來(lái)的形態(tài)與通用的計(jì)算機(jī)功能。為了區(qū)別原有的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，把控制系統(tǒng)嵌入到對(duì)象體系中，實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系智能化控制的計(jì)算機(jī)，稱(chēng)為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，嵌入式系統(tǒng)的嵌入性本質(zhì)是將一個(gè)計(jì)算機(jī)嵌入到一個(gè)對(duì)象體系中去。

盡管嵌入式系統(tǒng)起源于微型機(jī)時(shí)代，但微型計(jì)算機(jī)的體積、價(jià)位和可靠性都無(wú)法滿足廣大對(duì)象系統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用要求，因此，嵌入式系統(tǒng)必須走獨(dú)立發(fā)展的道路。這條道路就是單芯片化道路，即將計(jì)算機(jī)做在一個(gè)芯片上，從而開(kāi)創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展的單片機(jī)時(shí)代。

嵌入式計(jì)算機(jī)的真正發(fā)展是在微處理器問(wèn)世之后。1971年11月，Intel公司成功地把算術(shù)運(yùn)算器和控制器電路集成在一起，推出了第一款微處理器Intel4004（如圖1-4所示），其后各廠家陸續(xù)推出了許多8位、16位的微處理器，包括Intel8080/8085、8086，Motorola的6800、68000，以及Zilog的Z80、Z8000等。以這些微處理器作為核心所構(gòu)成的系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、家用電器等領(lǐng)域。1980年，Intel公司對(duì)MCS-48單片機(jī)進(jìn)行了全面完善，推出了8位MCS-51單片機(jī)，并獲得巨大成功，奠定了嵌入式系統(tǒng)的單片機(jī)應(yīng)用模式。至今，MCS-51單片機(jī)仍在大量使用。1984年，Intel公司又推出了16位8096系列，并將其稱(chēng)之為嵌入式微控制器，這可能是“嵌入式”一詞第一次在微處理機(jī)領(lǐng)域出現(xiàn)。

此外，為了高速、實(shí)時(shí)地處理數(shù)字信號(hào)，1982年誕生了首枚數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP），DSP是模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以后進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理的專(zhuān)業(yè)處理器，其處理速度比當(dāng)時(shí)最快的CPU還快10～50倍。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，DSP芯片的性能不斷提高，目前已廣泛用于通信、控制、計(jì)算機(jī)等對(duì)數(shù)據(jù)處理、計(jì)算要求較高的領(lǐng)域。

在近30年的歷史中，各種改進(jìn)的、面向具體應(yīng)用的不同品牌單片機(jī)風(fēng)起云涌，得到了廣泛應(yīng)用，但這些應(yīng)用基本上是基于硬件底層的單線程程序。20世紀(jì)90年代后，伴隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的來(lái)臨，網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體技術(shù)得以發(fā)展，8/16位單片機(jī)在速度和內(nèi)存容量上已經(jīng)很難滿足這些領(lǐng)域的應(yīng)用需求。而由于集成電路技術(shù)的發(fā)展，32位微處理器價(jià)格不斷下降，綜合競(jìng)爭(zhēng)能力已可以和8/16位單片機(jī)媲美。32位微處理器面向嵌入式系統(tǒng)的高端應(yīng)用，由于速度快，資源豐富，加上應(yīng)用本身的復(fù)雜性、可靠性要求等，軟件的開(kāi)發(fā)一般會(huì)需要操作系統(tǒng)平臺(tái)支持。近幾年，嵌入式設(shè)備（內(nèi)部有嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品）大量涌現(xiàn)，如手機(jī)、PDA、MP3、微波爐、數(shù)碼相機(jī)、機(jī)頂盒、各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用需求越來(lái)越大，使嵌入式系統(tǒng)成為繼PC和Internet之后IT技術(shù)的最熱點(diǎn)，而構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)的主流趨勢(shì)是32位嵌入式微處理器加實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，目前的嵌入式系統(tǒng)往往指的是包含這種資源的系統(tǒng)。

2.嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

信息時(shí)代、數(shù)字時(shí)代使得嵌入式產(chǎn)品獲得了巨大的發(fā)展契機(jī)，為嵌入式市場(chǎng)展現(xiàn)了美好的前景，也對(duì)嵌入式生產(chǎn)廠商提出了新的挑戰(zhàn)，從中我們可以看出未來(lái)嵌入式系統(tǒng)的幾大發(fā)展趨勢(shì)。

（1）嵌入式開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，因此要求嵌入式系統(tǒng)廠商不僅要提供嵌入式軟件和硬件系統(tǒng)本身，同時(shí)需要提供強(qiáng)大的硬件開(kāi)發(fā)工具和軟件包支持。

目前，很多廠商已經(jīng)充分考慮到這一點(diǎn)，無(wú)論是對(duì)消費(fèi)類(lèi)嵌入式產(chǎn)品還是工業(yè)嵌入式產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)工具和軟件支持至關(guān)重要。當(dāng)前的智能手機(jī)平臺(tái)就能充分體現(xiàn)這一點(diǎn)，iPhone的成功很大程度上是蘋(píng)果應(yīng)用商店模式的成功，數(shù)十萬(wàn)的應(yīng)用支持成為了iPhone受歡迎的主要原因之一。在專(zhuān)用領(lǐng)域，強(qiáng)大的硬件開(kāi)發(fā)工具一方面有助于相關(guān)硬件和平臺(tái)的普及，也可以極大縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)難度。比如，三星在推廣ARM7、ARM9芯片的同時(shí)還提供官方開(kāi)發(fā)板及軟件開(kāi)發(fā)支持包（BSP），而Windows CE在主推系統(tǒng)時(shí)也提供Embedded VC++作為開(kāi)發(fā)工具，還有VxWorks的Tornado開(kāi)發(fā)環(huán)境、Delta OS的Linda編譯環(huán)境等都是這一趨勢(shì)的典型體現(xiàn)。當(dāng)然，這也是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。

（2）網(wǎng)絡(luò)化、信息化的要求隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成熟、帶寬增加而日益提高，使得以往單一功能的設(shè)備如電話、手機(jī)、冰箱、打印機(jī)等功能不再單一，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。

這就要求芯片設(shè)計(jì)廠商在芯片上集成更多的功能，為了滿足應(yīng)用功能的升級(jí)，設(shè)計(jì)師們一方面采用更強(qiáng)大的嵌入式處理器，如32位、64位RISC芯片或信號(hào)處理器DSP增強(qiáng)處理能力，同時(shí)增加功能接口，如USB，擴(kuò)展總線類(lèi)型，如CAN BUS，加強(qiáng)對(duì)多媒體、圖形等的處理，逐步實(shí)施片上系統(tǒng)（SoC）的概念。軟件方面采用實(shí)時(shí)多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開(kāi)發(fā)工具技術(shù)來(lái)控制功能復(fù)雜性，簡(jiǎn)化應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、保障軟件質(zhì)量和縮短開(kāi)發(fā)周期。

未來(lái)的嵌入式設(shè)備為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的要求，必然要求硬件上提供各種網(wǎng)絡(luò)通信接口。傳統(tǒng)的單片機(jī)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)支持不足，而新一代的嵌入式處理器已經(jīng)開(kāi)始內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)接口，除了支持TCP/IP協(xié)議，還有的支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口中的一種或幾種，同時(shí)需要提供相應(yīng)的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動(dòng)軟件。軟件方面系統(tǒng)內(nèi)核支持網(wǎng)絡(luò)模塊，甚至可以在設(shè)備上嵌入We b瀏覽器，真正實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地用各種設(shè)備上網(wǎng)。

（3）精簡(jiǎn)系統(tǒng)內(nèi)核、算法，降低功耗和軟件和硬件成本。

未來(lái)的嵌入式產(chǎn)品是軟件和硬件緊密結(jié)合的設(shè)備，為了降低功耗和成本，需要設(shè)計(jì)者盡量精簡(jiǎn)系統(tǒng)內(nèi)核，只保留和系統(tǒng)功能緊密相關(guān)的軟件和硬件，利用最低的資源實(shí)現(xiàn)最適當(dāng)?shù)墓δ埽@就要求設(shè)計(jì)者選用最佳的編程模型和不斷改進(jìn)算法，優(yōu)化編譯器性能。因此，既要軟件人員有豐富的硬件知識(shí)，又需要發(fā)展先進(jìn)嵌入式軟件技術(shù)，如Java、Web和WAP等。

（4）提供友好的多媒體人機(jī)界面。

良好的用戶體驗(yàn)是任何一款產(chǎn)品最為重要的要求，早期的嵌入式系統(tǒng)由于功能簡(jiǎn)單、性能較低，人機(jī)交互功能較為薄弱，一般用于專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)的工業(yè)控制領(lǐng)域。隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的人機(jī)交互功能越來(lái)越強(qiáng)大，多媒體人機(jī)界面逐漸成為嵌入式系統(tǒng)的主要人機(jī)交互方式，也正是人機(jī)交互方式的改進(jìn)使得嵌入式系統(tǒng)能夠應(yīng)用于更多的領(lǐng)域。如今，基本不需要任何培訓(xùn)就能夠很自然地使用手機(jī)、取款機(jī)、購(gòu)票機(jī)等，這些都得益于強(qiáng)大的多媒體人機(jī)界面。