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§
嵌入式计算技术是集微电子技术和计算机软/硬件技术相结合的一门新兴的计
算机科学技术,它的产生大大提高了电子产品的智能化水平及科技含量,因此,一
直处于国际高科技发展的前沿。嵌入式计算技术在网络通信、智能化仪表、花销电
子、自动化控制致使国防军事等领域应用特别宽泛。利用嵌入式计算技术设计、制
造出的电子装置为嵌入式系统,它平时是指面向特定应用的、技术密集的知识集成
系统,但是嵌入式系统自己不但与一般PC上的应用系统不同样,而且针对不同样的详尽
应用环境设计的嵌入式系统之间的差别也很大。因此,建立嵌入式系统的看法对从
事嵌入式系统设计开发的软硬件技术人员是十分必要的。
§什么是嵌入式系统
嵌入式系统是以嵌入式CPU为核心嵌入到对象系统中的电子装置,嵌入式CPU
是指安装在不是计算机的路由器、手机、电视机、汽车等设备上的CPU芯片,而装
在PC机、笔录本电脑、工作站上的CPU一般称为通用CPU,由于它能执行各样各样
的程序,嵌入式CPU一般只要求运行某种确定程序。
1、从应用对象的角度
依照IEEE(国际电气和电子工程师协会)的定义:
嵌入式系统是“用于控制、监察也许辅助操作机器和设备的装置”(原文为
devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,
machineryorplants)。
2、从计算机技术应用的角度
嵌入式系统是指以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可减裁,适应应用
系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用计算机系统。
这是目前国内宽泛认同的定义,它表现了“嵌入、专用性、计算机”的基本要
素和特点。
§嵌入式系统的组成
嵌入式系统与通用计算机系统既有相似之处(运算器,控制器,储藏器,输入
输出设备),也有明显差别。平时,嵌入式系统中的系统程序(包括操作系统)和应
用程序是不分彼此的。嵌入式系统自己是一个外延性极广的名词,目前指的是能够
运行操作系统的软硬件综合体。
整体上,嵌入式系统能够划分成硬件部分和软件部分。硬件部分一般由高性能
的嵌入式办理器、储藏器和外面的接口电路组成,软件部分由嵌入式实时操作系统
(RTOS:Real-TimeOperatingSystem)和运行的应用程序组成,软件和硬件之间由所
谓的中间层(BSP层,BoardSupportPackage即板级支持包)连接。嵌入式系统的

应用程序
应用层
OS层
文件系统
图形用户
接口
实时操作系统(RTOS)
软件
驱动层
BSP/HAL硬件抽象层/板级支持包
硬件D/A
通用接口
A/D
嵌入式
微办理器
ROM
硬件层
I/OSDRAM
人机交互接口
嵌入式系统

嵌入式系统的基本结构
1、硬件部分:
嵌入式办理器是嵌入式系统的硬件核心部件,与通用办理器不同样之处是它的专
用性。市场主流嵌入式办理器上有ARM系列,Powerpc系列等。
ARM系列办理器是英国先进RISC机器公司(AdvancedRISCMachinesARM)的
产品。ARM公司是业界当先的知识产权供应商,是IP核(IntellectualPropertycore)
设计公司,采用IP授权的方式赞同半导体公司生产基于ARM的办理器产品,供应基
于ARM办理器内核的系统芯片解决方案核技术授权,不供应详尽的芯片。ARM公司
供应各生产厂家的IP核有:ARM7TDMI、ARM720T、ARM9TDMI、ARM9E、
ARM10TDMI等。三星公司生产基于ARM7核的产品有S3C44B0X,S3C4510,基
于ARM9核的产品有S3C2410;Atmel公司基于ARM9E核的产品AT91SAM9261
等。其他,ARM芯片还获得了好多实时操作系统供应商的支持,如Win_CE、Linux、
Vxworks、μC/OS等。
Power-PC系列(架构)的嵌入式办理器是基于RISC系统结构的,其特点是可
伸缩性好,方便灵便。Power-PC架构办理器的主频25~700MHZ不等,在能量消
耗,整合程度,价格差别悬殊,主要用于通信产品。IBM_PowerPC:PowerPC:405GP,
主频最高为266MHz,内部集成了10/100MbpsEther网络控制器,串口,并口,内
存控制器等,用于通信领域。Motorola_PowerPCMPC823e是高度综合的片上
(SOC),在电信、金融拥有宽泛的应用。
X86系列嵌入式办理器基于Intel架构(CISC系统结构)的8080,286,386办理
器等
Motorola68000采用CISC系统结构。68K/Coldfire是基于RISC系统结构,高
性能的嵌入式办理器。
2C总线,准时器/计数器,看门狗,串行,LCD/触摸屏接口等。
外面接口电路包括I
储藏器包括ROM/EPROM,SDRAM,Flash等
2、软件部分
嵌入式应用软件是建立在系统的主任务(MainTask)基础之上,针对特定的实
际专业领域,基于相关嵌入式硬件应用平台的并能完成用户预期任务的计算机软件。
嵌入式操作系统(EOS)是拥有储藏器管理、分配,中断办理,任务调换与任
务通信,准时器响应,并供应多任务办理等功能的牢固的、安全的软件模块会集。
操作系统中供应的API(ApplicationProgrammingInterface)是一系列的复杂函数、
信息和结构的会集,软件软件开发人员经过使用API函数,能够加快应用程序的开发,
一致应用程序的开发标准。目前常有的嵌入式操作系统有Vxworks,PSOS,
Windows-CE,uC/OS,Linux等。
驱动层程序是为上层软件供应设备的操作接口,上层软件不用搭理外面设备的
详尽操作,只要调用驱动程序供应的接口即可。驱动层程序包括硬件抽象层HAL、
板级支持包BSP、和设备驱动程序。
硬件抽象层HAL(HardwareAbstracctionLayer)是位于操作系统内核与硬件
电路之间的接口层,其目的在于将硬件抽象化,使得嵌入式系统的设备驱动程序与
硬件设备没关,从而提高系统的可移植性。
板级支持包BSP(BoardSupportPackage)是介于嵌入式系统主板硬件和操作
系统内部驱动程序之间的一层,是实现对操作系统的支持,为驱动程序供应接见硬
件设备寄存器的函数包,使其能够更好地运行于硬件主板。主要功能是系统启动时,
完成对硬件的初始化,为驱动程序供应接见硬件的手段。
设备驱动程序是为上层软件供应设备的操作接口,系统中安装设备后,只有在
安装相应的设备驱动程序此后才能使用。上层软件只要调用驱动程序供应的接口,
而不去搭理设备详尽内部操作,就能实现对设备的操作。
BootLoader引导程序是完成嵌入式系统启动后的办理器配置、硬件检测与初始
化程序,它是嵌入式系统加电后,EOS或用户程序运行前第一必定执行的一段代码。
BootLoader的功能和作用近似于PC机的BIOS。
§嵌入式系统的特点
嵌入式系统是应用于特定环境下执行面向专业领域的应用系统,因此不同样于通
用型计算机系统应用的多样化和合用性。它与通用计算机对照拥有以下特点。
(1)系统内核小。嵌入式操作系统必定能够依照应用需求对软件进行裁剪。目
前的嵌入式系统的核心经常是一个只有几KB到几十KB的微内核。
(2)专用性强。嵌入式系统面向特定任务而设计的电子装置,嵌入式系统中的
办理器大多是为特定用户集体设计的专用办理器,软件系统和硬件的结合特别亲密,
一般要针对硬件进行软件的系统移植。
(3)系统精简。(功耗低,体积小,成本低)嵌入式系统的软件硬件都必定高
效率设计。控制系统成本,也利于实现系统安全。软/硬件裁汰到最正确。
(4)软件代码固化储藏。以提高执行速度和系统可靠性。嵌入式系统软件代码
平时固化于储藏器芯片,或办理器内部储藏器件中,而不储藏于外面磁盘等载体中。
嵌入式系统的应用程序能够在没有操作系统而直接在芯片上运行;但是要合理地调
度多任务,充分利用系统资源、系统函数以及专家库接口,使嵌入式软件开发走向
标准化,就必定使用多任务的操作系统。
(5)嵌入式系统开发需要特地的开发工具和环境。由于嵌入式系统自己不具备
自主开发能力,即使设计完成后,用户平时也不能够对其中的程序功能进行更正。必
须有一套开发工具和环境才能进行开发。如ARM应用软件的开发需要编写工具、编
译工具、链接软件、调试软件等。Windows平台下的一整套集成开发环境(IDE),
ARMSDT、ARMADS、TRACE32等。在Linux平台下,一般使用GNU供应的自由
工具软件包gcc和binutils。
§嵌入式系统的分类
由于嵌入式系统是由硬件和软件两大部分组成,因此可按硬件和软件进行划分。
1、嵌入式系统的硬件
嵌入式系统的核心部件是嵌入式办理器。嵌入式办理器拥有特定的专用性,目
前,全世界嵌入式办理器芯片的品种数量已经高出1000多种,流行系统结构有30多
个。专业的IP(IntellectualPropertyCore)核供应商如ARM、MIPS、POWERPC、
INTELX86、MOTOROLA68000等供应优异高性能的嵌入式微办理器内核,由半导
体厂商生产面向各个应用领域的芯片。
(1)基于ASIC的嵌入式系统,使用由半导体厂商生产面向各个应用领域的嵌入式
办理器芯片ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)设计的嵌入式系统。目前
ASIC嵌入式办理器有:
嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)
嵌入式微控制器的典型代表是单片机。单片机芯片内部集成了ROM/EPROM,
RAM,总线,准时器/计数器,看门狗,I/O,串行口,脉宽调制输出,A/D,
D/A,FLASH,E
2
PROM等。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片
上外设资源丰富,适合于控制,因此称为微控制器。
由于MCU廉价的价格,优异的功能,因此拥有的的品种和数量最多。
MCU办理能力特别有限
MCU微控制器,总线宽度一般为4位、8位或16位,办理速度有限,一般在几个
MIPS(MillionsofInstructionsPerSecond),进行一些复杂的应用很困难,运行操作系
统就更难。
嵌入式DSP办理器(DigitalSignalProcessor,DSP)
DSP办理器是特地用于信号办理方面的办理器,其在系统结构和指令算法方面
进行了特别设计,拥有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、FFT、频谱
解析等仪器上,DSP获得了大规模的应用。
TI(TexasInstruments,TI)公司82年成功推出第一代DSP芯片。DSP可在一个指令
周期内完成一次乘法和一次加法MAC,MAC运算速度已从80年代的400ns(如
TMS32010)降低到10ns以下(TMS320C54X、TMS320C62X/67X),片内RAM数量
增加一个数量级以上。成为语音办理,图像硬件办理技术的基础。
DSP是运算密集办理器,一般用在快速执行算法,做控制比较困难。为了追求高
执行效率,不适合运行操作系统,核心代码使用汇编。
嵌入式微办理器(MicroProcessorUnit,MPU)
嵌入式微办理器是由通用计算机中的CPU演变而来。拥有32位以上的办理能
力,与计算机办理器不同样的是,在实质嵌入式应用中,它只保留与嵌入式应用亲密
相关的功能硬件以实现嵌入式应用的特别要求。目前主要的嵌入式办理器种类有
ARM、MIPS,POWERPC等。
ARM(AdvancedRISCMachines)公司是IP核设计公司,供应各生产厂家
的IP核。如ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10。三星公司生产基于ARM7核的产品
有S3C44B0X,S3C4510,基于ARM9核的产品有S3C2410等。MIPS(无内部互锁流
水级的微办理器,Microprocessorwithoutinterlockedpipedstages)是流行的一种
RISC办理器。POWERPC由IBM(国际商用机器公司)、Apple(苹果公司)和Motorola(摩
托罗拉)公司结合开发的高性能32位和64位RISC微办理器系列。
嵌入式双核和嵌入式多查办理器(DualcoreMicroProcessor)
双查办理器Blackfin-BF561是双核的拥有对称的多办理器架构的DSP办理器。
(2)基于FPGA嵌入式系统,使用现场可编程门阵列FPGA(FieldProgrammable
GateArray)设计专用集成电路(ASIC),用户不需要投片生产,就能获得适
合的芯片。
将通用办理器的IP核和功能模块的IP核按用户要求、配置组成一个系统,仿真
后,下载到FPGA芯片,就能组成一个富强的嵌入式办理器系统(SOPCSystemOn
ProgrammbaleChip)。
片上系统SOC(SystemOnChip)是IC设计的发展趋势。采用SOC设计技术,可
以大幅度地提高系统的可靠性,减少系统的面积和功耗,降低系统成本,极大地提
高系统的性能价格比。SOC芯片已经成为提高搬动通信、网络、信息家电、高速计算、
多媒体应用及军用电子系统性能的核心器件。
可编程片上系统SOPC(System-on-a-Programmable-Chip)用可编程逻辑技
术把整个系统放到一块硅片上,称作SOPC。可编程片上系统(SOPC)是一种特其他
嵌入式系统。第一它是片上系统(SOC),即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功
能;其次,它是可编程系统,拥有灵便的设计方式,可裁汰、可扩大、可升级,并
具备软硬件在系统可编程的功能。如Altera公司的32位RISC嵌入式办理器Nios,
Xilinx公司也基于FPGA的嵌入式办理器MicroBlaze(MB)和PowerPC(PPC)。
2、嵌入式系统软件
嵌入式系统软件一般由嵌入式操作系统(EOS)和应用软件(APS)组成。操作
系统是连接计算机硬件与应用程序的系统程序。
无操作系统控制的嵌入式系统
有操作系统控制的嵌入式系统
计算机操作系统有两个基本功能:使计算机便于使用;高效组织和正确使用计
算机的资源。操作系统有4个主要任务,进度管理、进度间通信与同步、内存管理和
I/O资源管理。
嵌入式操作系统能够分为实时操作系统(RTOS)和分时操作系统(DTOS)两
类。
基于RTOS软实时系统(花销类产品)
基于RTOS硬实时系统(工业实时控制系统)
基于DTOS非实时系统(PDA)
分时操作系统(TimeSharing)的工作方式:一台主机连接了若干终端,每个
终端有一个用户在使用。用户交互式的向系统提出命令,系统接受每个用户的命令,
采用时间片轮转方式办理服务央求。并经过交互方式在终端上向用户显示结果。以
上述方式工作的操作系统称为分时操作系统。
分时操作系统特点:多路性
交互性
“独占”性
实时性

实时操作系统(RealTimeOperatingSystemRTOS):是指派计算机能实时响
应外面事件的央求,在规定的严格时间内完成对该事件的办理,并控制所有实时设
备和实时任务协调一致的工作的操作系统。
实时操作系统基本功能:
任务管理(多任务和基于优先级的任务调换);
任务间同步和通信;
储藏器优化管理(含ROM的管理);
实时时钟服务;
中断管理服务。
C/OS是一个实时操作系统。
硬实时系统和软实时系统实现的差别在于选择调换算法。
软实时系统,选择基于优先级调换算法(足以满足软实时系统的要求,而且可
以供应高速的响应和大的系统吞吐量)。
硬实时系统,在硬件上需要增加特地用于时间和优先级管理的控制芯片。
RTOS与分时操作系统有着明显的差别。详尽的说对于分时操作系统,软件的
执行在时间上的要求其实不严格,时间上的延缓也许时序上的错误,一般不会造成灾
难性的结果。而对于实时操作系统,主要任务是对事件进行实时的办理,诚然事件
可能在无法预知的时辰到达,但是软件必定在事件随机发生时,在严格的时限内作
出响应(系统的响应事件)。即使系统处在尖峰负荷下,也应该这样,系统事件响应
的超时就意味致命错误。其他,实时操作系统的重要特点是拥有系统的可确定性,
即系统能对运行的最好情况和最坏情况作出精确的估计。
典型的嵌入式操作系统:
Windowsce
VxWorks
嵌入式linux
uC/OS
DeltaOS
§嵌入式系统的应用领域
社会经济的发展产生了一些新的需求,同时促进了嵌入式技术的宽泛应用,中
国正在成为世界制造大国,在花销电子、工业应用、军事国防、网络设备等领域都
有嵌入式系统的应用。
智能玩具与机器人
汽车电子
目前,嵌入式系统中的核心芯片大多采用的是ARM微办理器。ARM(Advanced
RISCMachines)是一个公司的名字,也能够认为是对一类微办理器的统称,还可
以认为是一种技术的名字。ARM技术主要应用在以下领域:汽车、花销娱乐、数字
影像、工业、网络、安全、储藏、无线通信等。
(1)工业控制领域:作为32位的RISC架构,基于ARM核的微控制器芯片不仅