文档介绍：嵌入式系统的基本设计思路
摘要:嵌入式系统已成为制造业的核心技术,广泛应用于工业控制、系统仿真、医疗设备、家用电器、通信设备等众多领域。围绕嵌入式系统展开研究和开发,已经成为计算机软硬件技术发展最活跃的方向之一。本文就嵌入式系统的技术特点和嵌入式系统的基本设计思路进行了探讨。
关键词:嵌入式系统;微处理器;操作系统;开发工具
中图分类号:TP336 文献标识码:A
嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。其主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成。使用嵌入式系统技术,不仅可以实现硬件和软件的集成优化,而且具有多任务和网络化功能。
嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术、电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物,是一种技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。
1嵌入式系统的技术特点
嵌入式系统由构成软件基本运行环境的硬件和操作系统两部分组成。其运行环境和应用场合决定了嵌入式系统有别于其它系统。
嵌入式处理器可以分为三类:嵌入式微控制器MCU、嵌入式微处理器MPU、嵌入式数字信号处理器DSP 。
嵌入式微控制器又称为单片机,它将CPU、存储器、I/O接口封装于同一片集成电路,常用的是以8051为内核的各种单片机。嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的CPU,应用中一般将微处理器装配在专门设计的电路板上,在母板上保留与嵌入式有关的功能,以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。嵌入式DSP专门用来对离散时间信号进行高速处理,多用于数字滤波、FFT、图像处理等领域。
多数嵌入式操作系统采用了微内核结构,内核只提供基本的功能,如:任务的调度、任务之间的通信与同步、内存管理、时钟管理等。其它的应用组件,如:网络功能、文件系统、GUI系统等均工作在用户态,以系统进程或函数调用的方式工作。因而系统都是可裁减的,用户可以根据自己的需要选用相应的组件。
大多数的嵌入式操作系统支持多任务,依靠CPU在多个任务之间切换、调度,每个任务都有其优先级。任务的调度有三种方式:可抢占式调度、不可抢占式调度和时间片轮转调度。多数嵌入式操作系统对不同优先级的任务采用基于优先级的抢占式调度法,对相同优先级的任务则采用时间片轮转调度法。
对时间要求较高的嵌入式系统,称为实时系统。实时系统分为软实时系统和硬实时系统。软实时系统并不要求限定某一任务必须在一定的时间内完成,只要求各任务运行得越快越好;硬实时系统对系统响应时间有严格要求,一旦系统响应时间不能满足,就可能引起系统崩溃或致命的错误。工业控制多采用硬实时系统。
多数嵌入式系统针对没有内存管理单元MMU的处理器设计,故不能采用虚拟内存管理技术,而是实存储器管理策略。对内存的访问是直接的,对地址的访问不需要经过MMU,而是直接发送至地址线输出,所有程序中访问的地址都是实际的物理地址。多数嵌入式操作系统对内存空间没有保护,各个进程共享一个运行空间。一个进程在执行前系统必须为它分配足够的连续地址空间,然后全部载入主存储器的连续空间。
2嵌入式系统的基本设计思路
从图1可知,嵌入式系统的工程设计分成三个阶段:分析、设计和实现。
(1)分析阶段:确定要解决的问题及需要完成的目标;
(2)设计阶段:主要解决如何在给定的约束条件下完成用户的要求;
(3)实现阶段:主要解决如何在所选择的硬件和软件的基础上进行整个软、硬件系统的协调实现。
嵌入式系统的工程设计包括:处理器、硬件部件、操作系统、编程语言、软件开发工具、硬件调试工具、软件组件等内容。
嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。目前全世界嵌入式处理器的品种总量已超过一千种,流行系列有三十多个,仅32位的CPU就有100种以上嵌入式微处理器。鉴于嵌入式系统设计的差异性很大,故而选择是多样化的。Motorola、Intel、AMD、ARM、MIPS等公司均生产微处理器,其中ARM是近年来在嵌入式系统有影响力的微处理器制造商。
选择处理器时要考虑的主要因素有:
(1)处理性能
处理器的性能取决于时钟频率、内部寄存器、指令是否对等处理所有的寄存器等多个因素。要选取能够完成作业的处理器和I/O子系统,不在于挑选速度最快的处理器。
(2)技术指标
许多嵌入式处理器都集成了外围设备的功能,减少了芯片的数量,降低了整个系统的开发费用。首先考虑的是,系