第1部分 嵌入式系統硬件開發

第1章 嵌入式系統概述

1.1 嵌入式系統概念

到目前為止，對嵌入式系統概念并沒有一個統一的定義，這里引用幾個別人的定義：

《嵌入式Linux應用開發詳解》中說：嵌入式系統就是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁減，適合應用系統對功能、可靠性、成本、體積和功耗要求的專用的計算機系統。

《Linux與嵌入式系統》中引用IEE（電氣工程師協會）的定義說：嵌入式系統是用來控制或監視機器、裝置或工廠等大規模系統的設備。

而翻譯過來的《嵌入式Linux》與《構建嵌入式Linux系統》中卻都沒有對“嵌入式系統”下一個明確的定義。

一般來講，可以把由微處理器加上必要的外圍電路，再根據需求對微處理器進行編程，這樣組成的一個能夠實現一定功能的完整系統叫做嵌入式系統。嵌入式系統是硬件與軟件的統一，嵌入式系統中使用的微處理器叫做嵌入式處理器，嵌入式處理器是針對x86架構處理器而言的，廣義上講，可以把所有x86架構之外的其他處理器都叫做嵌入式處理器。但隨著處理器設計技術的發展和各種新應用的產生，一些x86架構處理器也開始應用到嵌入式系統中，而嵌入式處理器也可以設計成諸如PC、筆記本電腦、服務器等產品，所以要給嵌入式系統和嵌入式處理器下嚴格的定義也就變得越來越困難。基于這些原因，我們主要講講嵌入式系統與嵌入式處理器的特點，了解了這些特點，至于叫什么名字就不必太在意了，名字只是一個代號而已，當然對于理論工作者來說，這或許是個值得花些時間去思考歸納的問題。

x86架構處理器主要用于設計成家用PC、筆記本電腦、服務器以及一些大型的計算機系統，x86架構處理器主要由邏輯算術運算單元、MMU以及片內cache組成，片內外設資源非常有限，其外設功能都需通過外接擴展芯片來實現，x86架構處理器使用的是復雜指令集CISC，每條指令所占字節數不完全一樣，指令周期也不盡一致，而且內存空間與I/O空間是相互獨立、分別尋址的。在電腦中，除BIOS之外的操作系統以及應用程序都被存放在硬盤上，只有需要的時候才被調入內存運行。電腦上的軟件面對各種不同需求的廣大用戶，其程序代碼相當冗長而復雜，涉及范圍也最全面。

而嵌入式處理器常常是針對一定的應用進行設計，處理器內部除了邏輯算術運算單元、MMU和cache外，還集成了特定應用所需要的外設控制單元，比如以太網MAC、USB host、USB client、iic、UART、PCI、IDE、SPI等控制器，嵌入式處理器常常使用精簡指令集RISC，每條指令的長度和執行時間都是固定的，而且嵌入式處理器的內存空間與I/O空間通常都是統一尋址的。另外嵌入式系統中一般都是把所有程序都燒寫到非易失存儲設備（如flash、EPROM等）上，系統加電后又把全部程序搬到內存中運行。嵌入式系統中的軟件是根據特定需求編寫的，相對較小且精簡。

從系統功能上講，用x86架構處理器設計出的臺式機或者筆記本電腦，主要通過人機交互實現其功能，而用嵌入式處理器設計出的產品則一般都被嵌入在某種設備中自動完成功能。在嵌入式系統開發過程中，用x86架構處理器設計的電腦常常用作嵌入式系統開發主機，用來編輯和交叉編譯嵌入式處理器的程序代碼，外部連接一定的調試仿真設備還可以對嵌入式系統進行調試仿真。

1.2 嵌入式處理器

目前市場上的嵌入式處理器林林總總，令人眼花繚亂，總結起來大致可以分為以下幾類：

■ 各種單片機

這是最簡單的嵌入式處理器，其內部架構可以看成是x86處理器的微縮版，片內外設資源也相當有限，外設功能都要靠外接擴線芯片來實現，如MCS-51系列、PIC系列等。

■ MC68K系列

具有代表性的主要有Motorola公司出的MC68332、MC68VZ328、MC68EZ328、MC68360（MC68K到PowerPC的過渡產品）等。

■ PowerPC系列

具有代表性的主要有Motorola公司出的850、860、8260，以及IBM公司出的405、440等。

■ ARM系列

生產ARM架構處理器芯片的廠家非常多，ARM處理器的應用也最為廣泛，國內最常用的是Atmel公司以及三星公司出的各種ARM處理器，如AT40800、S3C4510、S3C2410等。

■ MIPS系列

如BroadCom公司出的BCM1250、BCM1125等，目前MIPS處理器已經發展到高速率、多級cache、內部多CPU、硬件多線程，再加上MIPS處理器與生俱來的簡單化設計思想，使得MIPS處理器的性能得到極大提高，國產“龍芯”就是多核高性能MIPS架構處理器。

■ DSP（Digital Signal Process）

數字信號處理器，具有較強的運算能力以及數字信號處理能力，主要用于消費電子領域，如Philip的PNX1500/1700以及TI的DM642等。

1.3 嵌入式系統應用

嵌入式系統已經融合到各行各業、各個領域；嵌入式系統在電子產品中無處不在，小到手機、PDA、游戲機、冰箱、電視、洗衣機、飲水機等常用電器，大到汽車、輪船、火車、飛機、導彈、宇宙飛船、航天飛機、空間站、火星探測器，處處都有它的身影，所以嵌入式系統的應用領域是相當廣泛的，嵌入式系統的前景是無比美好的，嵌入式系統開發人員的前途是無限光明的，使命是無上光榮的！

1.4 嵌入式系統發展

隨著科技的發展進步、生產工藝的提高、新興先進材料的誕生以及應用領域的不斷拓展，我相信嵌入式系統將來一定會朝著以下幾個方向發展：

1）處理器芯片種類多樣化；

2）處理器架構和指令集中化，并逐漸走向融合；

3）處理器芯片體積小型化、微型化；

4）處理器性能強大化；

5）處理器集成功能多樣化和專業化兩個方向同時發展；

6）處理器外圍電路設計簡單化；

7）嵌入式應用軟件多樣化；

8）嵌入式操作系統多樣化；

9）嵌入式操作系統實時性提高；

10）嵌入式操作系統裁減和移植更加方便；

11）嵌入式系統調試仿真工具多樣化；

12）嵌入式系統調試仿真工具功能強大化；

13）嵌入式系統調試仿真工具通用化。

1.5 一些嵌入式處理器的硬件特性比較

表1-1~表1-4是我從以前工作中開發過的一些嵌入式處理器總結出來的硬件特性比較表，希望能對讀者有一點啟發和幫助。