1.1 嵌入式系统的概述

1.1.1 嵌入式系统的定义与组成

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适用于应用系统，对功能、可靠性、成本、体积和功耗等方面有特殊要求的专用的计算机系统。嵌入式系统与通用计算机系统的本质区别在于系统应用不同，嵌入式系统是将一个计算机系统嵌入到对象系统中。这个对象可能是庞大的机器，也可能是小巧的手持设备，用户并不关心这个计算机系统的存在。嵌入式系统涉及计算机技术、微电子技术、电子技术、通信和软件等各行各业，它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

嵌入式系统一般包含嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和应用程序 4 个部分。任何嵌入式系统都包括硬件和软件两个方面。硬件包括微处理器、存储器、I/O 端口和图形控制器。软件包括操作系统软件和应用软件，应用软件控制着嵌入式系统的运作和行为，而操作系统则为应用程序提供必要的底层支持。图 1.1给出了典型嵌入式硬件平台的组成^[3]。

图 1.1 嵌入式硬件平台组成

1.1.2 嵌入式系统的硬件

嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。据不完全统计，全世界嵌入式微处理器的品种数量已经超过 1000 多种，流行体系结构有 30 多个。近年来嵌入式微处理器的主要发展方向是小体积、高性能、低功耗。专业分工也越来越明显，出现了专业的 IP （Intellectual Property Core，知识产权核）供应商，如 ARM、MIPS 等，他们通过提供优质、高性能的嵌入式微处理器内核，由各个半导体厂商生产面向各个应用领域的芯片。一般可以将嵌入式微处理器分成4类，即嵌入式微处理器（MicroProcessor Unit，MPU）、嵌入式微控制器 （MicroController Unit，MCU）、嵌入式 DSP 处理器（Digital Signal Processor，DSP）和嵌入式片上系统（System on Chip，SOC）。

嵌入式处理器一般具有以下4个特点：

(1) 对实时多任务操作系统具有很强的支持能力。能够实现多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。

(2) 具有功能很强的存储区保护功能。由于嵌入式系统的软件结构一般为模块化，为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件故障诊断。

(3) 处理器结构可扩展。能够快速开发出满足各种应用和高性能的嵌入式微处理器。

(4) 低功耗。尤其是用于便携式的无线及移动计算和通信设备的嵌入式系统，功耗可以达到mW级甚至μW级。

1.1.3 嵌入式系统的软件

嵌入式系统的软件一般由嵌入式操作系统和应用软件组成。操作系统是连接计算机硬件与应用程序的系统程序。操作系统有两个基本功能：使计算机硬件便于使用；高效组织和正确地使用计算机的资源。 操作系统有 4 个主要任务：进程管理、进程间通信与同步、内存管理和 I/O 资源管理。

嵌入式操作系统可以分为实时操作系统和分时操作系统两类。实时操作系统是指具有实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统。实时操作系统的首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务；其次才着眼于提高计算机的使用效率，其重要特点是通过任务调度来满足对于重要事件在规定时间内做出正确的响应。对于分时操作系统，软件的执行在时间上的要求并不严格，时间上的延误或者时序上的错误，一般不会造成灾难性的后果。而对于实时操作系统，主要任务是对事件进行实时的处理，虽然事件可能在无法预知的时刻到达，但是软件必须在事件随机发生时，在严格的时限内做出响应（系统的响应时间）。即使是系统处在尖峰负荷下，也应如此，系统时间响应的超过就意味着致命的失败。另外，实时操作系统的重要特点是具有系统的可确定性，即系统能对运行的最好和最坏情况做出精确的估计。

据调查，目前全世界的嵌入式系统已经有200多种。从20世纪80年代开始，出现了一些商用的嵌入式操作系统， 它们大部分都是为专有系统而开发的。随着嵌入式领域的发展，各种各样嵌入式操作系统相继问世。有许多商业的嵌入式操作系统，也有大量开放源码的嵌入式操作系统。常见的嵌入式操作系统有： Vxworks、Neculeus、WinCE、Embedded Linux、μC/OS 和μC/OS-II、PalmOS、QNX、Delta OS、Hopen OS、pSOS 等。 嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域，基于相应的嵌入式硬件平台，并能完成用户预期任务的计算机软件。用户的任务可能有时间和精度的要求。有些应用软件需要嵌入式操作系统的支持，但在简单的应用场合下则不需要专门的操作系统。

1.1.4 嵌入式系统的特点

嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有优势。嵌入式系统具有很强的专用性，必须根据应用需求对软硬件进行裁减，满足应用系统功能、可靠性、成本、体积等要求。在嵌入式系统中，具体的应用将决定对硬件和软件的需求，如芯片、存储器、I/O 扩展和操作系统、应用程序编制等^[3]。

嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点：

(1) 嵌入式系统是面向特定系统应用的。嵌入式处理器大多数是专门为特定应用设计的，具有低功耗、体积小、集成度高等特点，一般是包含各种外围设备接口的片上系统。

(2) 嵌入式系统涉及计算机技术、微电子技术、电子技术、通信和软件等各行各业，它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

(3) 嵌入式系统的硬件和软件都必须具备高度可定制性。只有这样才能适用嵌入式系统应用的需要，在产品价格性能等方面具备竞争力。

(4) 嵌入式系统的生命周期相当长。当嵌入式系统应用到产品以后，还可以进行软件升级，它的生命周期与产品的生命周期几乎一样长。

(5) 嵌入式系统本身不具备本地系统开发能力，通常需要有一套专门的开发工具和环境。

1.1.5 嵌入式系统的应用领域

嵌入式系统概念的提出已有相当长的时间，主要被应用于军事领域和工业控制领域。随着数字技术的发展和新的体积更小的控制芯片和功能更强的操作系统的出现，嵌入式系统在很多领域得到了广泛的应用，如国防、工业控制、通信、办公自动化和消费电子领域。现今嵌入式系统带来的工业年产值已超过1 万亿美元。

(1) 工业过程控制：目前已经有大量的 8、16、32 位嵌入式微控制器应用在工业过程控制、数控机床、电力系统、电网安全、电网设备监控、石油化工系统等领域。随着技术的发展，32、64 位的微处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来的几年内必将获得更大的发展。

(2) 交通管理：在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌 GPS 模块、GSM 模块的移动定位终端已经在各种运输行业成功使用。

(3) 信息家电：这将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控制。在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。

(4) 家庭智能管理系统：水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌入的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高、更准确和更安全的性能。

(5) POS 网络及电子商务：公共交 通无接触智能卡（Contactless Smatrcard，CSC）发行系统、公共电话卡发行系统、自动售货机、各种智能 ATM终端将全面走入人们的生活。

(6) 环境监测：包括水文资料实时监测、防洪体系及水土质量监测、堤坝安全、地震监测网、实时气象信息网、水源和空气污染监测等。在很多环境恶劣、地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。

随着信息技术的发展， 人类进入一个全新的数字时代， 可以毫不夸张地说，嵌入式系统已经进入到现代社会中人们生活的方方面面，可以说是“无处不在”，尤其是在控制方面的应用。在以后相当长的一段时间内，嵌入式技术将在消费电子领域飞速发展，嵌入式产品将与人们的生活结合得更为紧密。