1.1 嵌入式系統(tǒng)的概念與發(fā)展

1.1.1 嵌入式系統(tǒng)的概念

嵌入式系統(tǒng)有很長(zhǎng)一段時(shí)間是以單片機(jī)的形式獨(dú)立發(fā)展的，大多是基于8位單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)底層的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，帶有明顯的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式的特點(diǎn)。大多數(shù)從事單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)的人員，都是應(yīng)用對(duì)象系統(tǒng)領(lǐng)域中的電子系統(tǒng)工程師，隨著單片機(jī)的出現(xiàn)，他們立即脫離了計(jì)算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域，以“智能化”器件開發(fā)者的身份進(jìn)入了電子系統(tǒng)領(lǐng)域，沒有帶入嵌入式系統(tǒng)的概念。因此，不少從事單片機(jī)應(yīng)用的人，不了解單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的關(guān)系，在談到嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域時(shí)，往往理解成計(jì)算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域的，基于32位嵌入式處理器的，從事網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體等的應(yīng)用。這樣，“單片機(jī)”與“嵌入式系統(tǒng)”形成了嵌入式系統(tǒng)中常見的兩個(gè)獨(dú)立的名詞。但由于“單片機(jī)”是典型的、獨(dú)立發(fā)展起來的嵌入式系統(tǒng)，所以應(yīng)該把它統(tǒng)一成“嵌入式系統(tǒng)”?？紤]到原來單片機(jī)電子系統(tǒng)底層應(yīng)用的特點(diǎn)，可以把嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用分成頂層與底層，把原來的單片機(jī)應(yīng)用理解成嵌入式系統(tǒng)的底層應(yīng)用，含義為它與對(duì)象硬件的緊密結(jié)合。

以開發(fā)語言為例，單片機(jī)一般以匯編語言、C語言等與硬件關(guān)系較密切的語言開發(fā)。而嵌入式系統(tǒng)由無操作系統(tǒng)階段、簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)階段再到實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段，也經(jīng)歷了由匯編語言、C語言的底層、中間層開發(fā)到VS2005的頂層應(yīng)用開發(fā)。我們可以認(rèn)為單片機(jī)階段是嵌入式系統(tǒng)的初級(jí)階段，只是這個(gè)初級(jí)階段非常強(qiáng)盛，非常有生命力，而且直到現(xiàn)在，單片機(jī)仍在各領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。但歸根到底，單片機(jī)還是嵌入式系統(tǒng)的一部分，而嵌入式系統(tǒng)是單片機(jī)的發(fā)展與補(bǔ)充。

聽起來，嵌入式系統(tǒng)很深?yuàn)W，但其實(shí)很簡(jiǎn)單，凡是專用的、小型或者微型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都是嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的英文為Embedded System，它實(shí)際上就是功能比通用計(jì)算機(jī)專門化，具有通用計(jì)算機(jī)所不具備的、針對(duì)某個(gè)方面特別設(shè)計(jì)的、有合適的運(yùn)算速度、高可靠性和較低成本的專門的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

有些人把嵌入式處理器當(dāng)做嵌入式系統(tǒng)，但其實(shí)嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。因此，只有將嵌入式處理器構(gòu)成一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并進(jìn)行嵌入式應(yīng)用時(shí)，才可稱做嵌入式系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)誕生于微型機(jī)時(shí)代，我們要充分認(rèn)識(shí)到嵌入式系統(tǒng)的嵌入性本質(zhì)，即要將一個(gè)計(jì)算機(jī)嵌入到一個(gè)對(duì)象體系中去，這些是理解嵌入式系統(tǒng)的基本出發(fā)點(diǎn)。

嵌入式系統(tǒng)起源于微型計(jì)算機(jī)時(shí)代，然而微型計(jì)算機(jī)的體積、價(jià)位、可靠性都無法滿足廣大對(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，這條道路就是芯片化道路（將計(jì)算機(jī)做在一個(gè)芯片上），因此就開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展的單片機(jī)時(shí)代。

在單片機(jī)時(shí)代中，嵌入式系統(tǒng)以器件形態(tài)迅速進(jìn)入到傳統(tǒng)電子技術(shù)領(lǐng)域中。此時(shí)的設(shè)計(jì)人員以電子技術(shù)應(yīng)用工程師為主體，來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的智能化，而計(jì)算機(jī)專業(yè)隊(duì)伍還沒有真正進(jìn)入單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域。因此，電子技術(shù)應(yīng)用工程師以自己習(xí)慣的電子技術(shù)應(yīng)用模式，從事單片機(jī)的應(yīng)用開發(fā)。這種應(yīng)用模式最重要的特點(diǎn)是軟、硬件的底層性和隨意性，對(duì)象系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)的密切相關(guān)性，以及缺乏計(jì)算機(jī)工程設(shè)計(jì)方法等。

雖然在單片機(jī)時(shí)代，計(jì)算機(jī)專業(yè)淡出了嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域。但隨著PC時(shí)代的到來，網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)得以發(fā)展；同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)軟、硬件技術(shù)也有了很大的提升，為計(jì)算機(jī)專業(yè)人士介入嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開辟了廣闊的天地。計(jì)算機(jī)專業(yè)人士的介入，使計(jì)算機(jī)應(yīng)用模式帶有明顯的計(jì)算機(jī)工程應(yīng)用特點(diǎn)，即基于嵌入式系統(tǒng)軟、硬件平臺(tái)，以網(wǎng)絡(luò)、通信為主的非嵌入式底層應(yīng)用。

嵌入式系統(tǒng)最大、最廣的底層應(yīng)用是傳統(tǒng)電子技術(shù)領(lǐng)域的智能化改造。因此，以通曉專業(yè)對(duì)象的電子技術(shù)隊(duì)伍為主，用最少的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件資源，以8位機(jī)為主，帶有濃重的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)色彩的電子系統(tǒng)應(yīng)用模式將會(huì)長(zhǎng)期存在下去。另外，計(jì)算機(jī)專業(yè)人士會(huì)越來越多地介入嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，但由于對(duì)象專業(yè)知識(shí)的隔閡，其應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)局限在網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體、商務(wù)電子等方面，不可能替代原來電子工程師在控制、儀器儀表、機(jī)械電子等方面的嵌入式應(yīng)用。因此，客觀存在的兩種應(yīng)用模式會(huì)長(zhǎng)期并存下去，在不同的領(lǐng)域中相互補(bǔ)充。電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式應(yīng)從計(jì)算機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)模式中，學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)工程方法和嵌入式系統(tǒng)軟件技術(shù)；計(jì)算機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)模式應(yīng)從電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式中，了解嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的電路系統(tǒng)特性、基本的外圍電路設(shè)計(jì)方法及對(duì)象系統(tǒng)的基本要求等。

嵌入式系統(tǒng)與對(duì)象系統(tǒng)密切相關(guān)，其主要技術(shù)發(fā)展方向是滿足嵌入式應(yīng)用要求，不斷擴(kuò)展對(duì)象系統(tǒng)要求的外圍電路（如ADC、DAC、PWM、日歷時(shí)鐘、電源監(jiān)測(cè)、程序運(yùn)行監(jiān)測(cè)電路等），形成滿足對(duì)象系統(tǒng)要求的應(yīng)用系統(tǒng)。因此，作為一個(gè)專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)要不斷向計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展。

1.1.2 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史

嵌入式系統(tǒng)誕生于微型機(jī)時(shí)代，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的以單片機(jī)形式獨(dú)立發(fā)展的道路。要給嵌入式系統(tǒng)尋求科學(xué)的定義，必須了解嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史，按照歷史性、本質(zhì)性、普遍通用性來定義嵌入式系統(tǒng)，并把定義與特點(diǎn)區(qū)分開來。在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中，對(duì)象系統(tǒng)的廣泛性與單片機(jī)的獨(dú)立發(fā)展道路使嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用在客觀上存在兩種模式，即從學(xué)科建設(shè)角度統(tǒng)一成的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的高低端。

1.無操作系統(tǒng)階段

嵌入式系統(tǒng)最初的應(yīng)用是基于單片機(jī)的，大多以可編程控制器的形式出現(xiàn)，具有監(jiān)測(cè)、伺服、設(shè)備指示等功能，一般沒有操作系統(tǒng)的支持，只能通過匯編語言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直接控制，運(yùn)行結(jié)束后再清除內(nèi)存。通常應(yīng)用于各類工業(yè)控制和飛機(jī)、導(dǎo)彈等武器裝備中。這些裝置雖然已經(jīng)初步具備了嵌入式的應(yīng)用特點(diǎn)，但僅僅是使用8位的CPU芯片來執(zhí)行一些單線程的程序，因此嚴(yán)格地說還談不上“系統(tǒng)”的概念。

這一階段嵌入式系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)單一，處理效率較低，存儲(chǔ)容量較小，幾乎沒有用戶接口。由于這種嵌入式系統(tǒng)使用簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉，因而曾經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了非常廣泛的應(yīng)用，但無法滿足現(xiàn)今對(duì)執(zhí)行效率和存儲(chǔ)容量都有較高要求的信息家電等場(chǎng)合的需要。

2.簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)階段

20世紀(jì)80年代，隨著微電子工藝水平的提高，IC制造商開始把嵌入式應(yīng)用中所需要的微處理器、I/O接口、串行接口，以及RAM、ROM等部件統(tǒng)統(tǒng)集成到一片VLSI中，制造出面向I/O設(shè)計(jì)的微控制器，并一舉成為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中異軍突起的新秀。與此同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)的程序員也開始基于一些簡(jiǎn)單的“操作系統(tǒng)”開發(fā)嵌入式應(yīng)用軟件，大大縮短了開發(fā)周期、提高了開發(fā)效率。

這一階段嵌入式系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是，出現(xiàn)了大量具有高可靠性、低功耗的嵌入式CPU（如PowerPC等），各種簡(jiǎn)單的嵌入式操作系統(tǒng)開始出現(xiàn)并迅速發(fā)展。此時(shí)的嵌入式操作系統(tǒng)雖然還比較簡(jiǎn)單，但已經(jīng)具有了一定的兼容性和擴(kuò)展性，內(nèi)核精巧且效率高，主要用來控制系統(tǒng)負(fù)載，以及監(jiān)控應(yīng)用程序的運(yùn)行。

3.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段

20世紀(jì)90年代，在分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信、信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統(tǒng)進(jìn)一步飛速發(fā)展，而面向?qū)崟r(shí)信號(hào)處理算法的DSP產(chǎn)品則向著高速度、高精度、低功耗的方向發(fā)展。隨著硬件實(shí)時(shí)性要求的提高，嵌入式系統(tǒng)的軟件規(guī)模也不斷擴(kuò)大，逐漸形成了實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS），并開始成為嵌入式系統(tǒng)的主流。

這一階段嵌入式系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是，操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到了很大的改善，已經(jīng)能夠在各種不同類型的微處理器上運(yùn)行，具有高度的模塊化和擴(kuò)展性。此時(shí)的嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)具備了文件和目錄管理、設(shè)備管理、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)、圖形用戶界面（GUI）等功能，并提供了大量的應(yīng)用程序接口（API），從而使得應(yīng)用軟件的開發(fā)變得更加簡(jiǎn)單。

4.面向Internet階段

21世紀(jì)無疑是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代，將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中去的呼聲自然也越來越高。目前，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于Internet，隨著Internet的進(jìn)一步發(fā)展，以及Internet技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等日益緊密的結(jié)合，嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合才是嵌入式技術(shù)真正的未來。

信息時(shí)代和數(shù)字時(shí)代的到來，為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展帶來了巨大的機(jī)遇，同時(shí)也為嵌入式系統(tǒng)廠商帶來了新的挑戰(zhàn)。目前，嵌入式技術(shù)與Internet技術(shù)的結(jié)合正在推動(dòng)著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的研究和應(yīng)用產(chǎn)生了如下的新的顯著變化。

新的微處理器層出不窮，嵌入式操作系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加便于移植，能夠在短時(shí)間內(nèi)支持更多的微處理器。

嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)成了一項(xiàng)系統(tǒng)工程，開發(fā)廠商不僅要提供嵌入式軟、硬件系統(tǒng)本身，同時(shí)還要提供強(qiáng)大的硬件開發(fā)工具和軟件支持包。

通用計(jì)算機(jī)上使用的新技術(shù)、新觀念開始逐步移植到嵌入式系統(tǒng)中（如嵌入式數(shù)據(jù)庫、移動(dòng)代理、實(shí)時(shí)CORBA等），嵌入式軟件平臺(tái)得到了進(jìn)一步的完善。

各類嵌入式Linux操作系統(tǒng)迅速發(fā)展。由于此類系統(tǒng)具有源代碼開放、系統(tǒng)內(nèi)核小、執(zhí)行效率高、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整等特點(diǎn)，很適合信息家電等嵌入式系統(tǒng)的需要，因此它目前已經(jīng)成為了能與Windows CE、Palm OS等嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行有力競(jìng)爭(zhēng)的操作系統(tǒng)。

網(wǎng)絡(luò)化、信息化的要求隨著Internet技術(shù)的成熟和帶寬的提高而日益突出，以往功能單一的設(shè)備（如電話、手機(jī)、冰箱、微波爐等）功能不再單一，結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)成為必然趨勢(shì)。

1.1.3 嵌入式處理器

嵌入式系統(tǒng)的硬件以嵌入式處理器為核心，配以其他外圍器件，這是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)。在此，先講述嵌入式處理器的分類及其基本特性。

1.嵌入式微處理器

嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)的微處理器（CPU）。在應(yīng)用中，一般將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，使之具有與嵌入式應(yīng)用相關(guān)的接口與功能，從而達(dá)到降低系統(tǒng)功耗、提高系統(tǒng)可移植性和可靠性的目的。嵌入式微處理器雖然在功能上和通用計(jì)算機(jī)的微處理器基本是一樣的，但由于其工作環(huán)境通常比較惡劣，在可靠性、抗電磁干擾性、環(huán)境溫濕度等方面要有專門的增強(qiáng)。

目前的嵌入式微處理器主要包括PowerPC、Motorola 68000、MIPS、ARM等。

本教材使用的Intel PXA270處理器就是一種基于ARM內(nèi)核的嵌入式微處理器。

2.嵌入式微控制器

嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，顧名思義，就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片中。該集成芯片一般以某種處理器架構(gòu)為核心，可以包括Flash、RAM、ROM、EEPROM、總線、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門狗、I/O、PWM、A/D、D/A等功能和外設(shè)。

與嵌入式微處理器相比，嵌入式微控制器最大的特點(diǎn)就是單片化、體積小、功耗低、可靠性高。嵌入式微控制器的數(shù)據(jù)處理能力一般不如嵌入式微處理器，但片上外設(shè)資源比較豐富，因此強(qiáng)調(diào)的是控制功能。目前各芯片設(shè)計(jì)制造廠商針對(duì)各種需要自動(dòng)化控制的場(chǎng)合，生產(chǎn)出了一系列符合實(shí)際需求的、性價(jià)比較高的嵌入式微控制器，并廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制場(chǎng)合，約占整個(gè)嵌入式市場(chǎng)70％的份額。比較有代表性的包括8051、MCS-51、MCS-96等。

3.嵌入式DSP

由于重復(fù)或者類似的運(yùn)算在數(shù)字信號(hào)處理過程中大量存在，使得為此設(shè)計(jì)的器件必須提供專門的支持，這就促成了DSP器件與通用處理器的分流。

DSP（Digital Signal Processor）是一種獨(dú)特的數(shù)字信號(hào)處理器，其以數(shù)字形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮和識(shí)別等處理，以得到符合人們需要的信號(hào)形式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒運(yùn)行數(shù)千萬條復(fù)雜的指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一般的微處理器。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。嵌入式DSP目前主要用于具有智能邏輯的消費(fèi)類產(chǎn)品、生物信息識(shí)別終端、帶有加解密算法的鍵盤、ADSL接入，以及實(shí)時(shí)語音壓解系統(tǒng)等。這些智能化算法的運(yùn)算量一般都比較大，特別是矢量運(yùn)算、指針線性尋址等較多，而這正是DSP處理器的長(zhǎng)處所在。

4.FPGA處理器

FPGA（Field Programmable Gate Array）是元件可編程邏輯門陣列。FPGA幾乎能完成所有數(shù)字器件的功能，上至高性能微控制器，下至74系列門電路，都可以用FPGA來編程實(shí)現(xiàn)。工程師可以根據(jù)需要，通過可編輯的連接把FPGA內(nèi)部的邏輯塊連接起來，就好像一個(gè)電路試驗(yàn)板被放在了一個(gè)芯片里一樣。一個(gè)出廠后的成品FPGA的邏輯塊和連接可以按照設(shè)計(jì)者的要求而改變，所以FPGA可以完成所需要的邏輯功能。

一般來說，F(xiàn)PGA比ASIC（專用集成芯片）的速度要慢，消耗的電能要多，而且無法完成復(fù)雜的設(shè)計(jì)。但是它也有很多的優(yōu)點(diǎn)，如可以快速成品、可以通過修改程序來實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件電路的修改、縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、減少PCB面積、提高系統(tǒng)可靠性等。