嵌入式系统概述

嵌入式系统概述

随着科技的不断进步和发展，嵌入式系统越来越不可或缺，已经广泛应用于生产制造、智能家居、医疗健康、车联网、工业自动化、农业智能、安防监控等众多领域。那么，什么是嵌入式系统呢？嵌入式系统一般指嵌入到机器或电子设备中的微型计算机系统，通常由处理器、存储器、输入输出设备、各种外设接口和运行嵌入式操作系统组成，具有较强的实时性、稳定性、可靠性、易集成等特点。

嵌入式系统的应用

嵌入式系统由于其硬件配置的固定性和软件的高度个性化，被广泛应用于各种场合，如智能手机、平板电脑、安防监控、车联网、医疗设备等，其应用范围越来越广泛，应用场景越来越多元化。例如，在智能家居领域，嵌入式系统可以实现智能家电的智能控制、智能安防、智能家居影音、智能家居照明等功能。在车联网领域，嵌入式系统可以实现车辆定位、车载娱乐、车辆诊断、智能驾驶等功能。在医疗健康领域，嵌入式系统可以实现医疗器械的监测、病人的远程监控和诊断等方面。

嵌入式系统的组成

嵌入式系统通常由处理器、存储器、输入输出设备和各种外设接口组成。其中，处理器是系统的核心部分，它负责对数据的处理和计算。存储器用于存储程序和数据，包括程序存储器和数据存储器。输入输出设备则是连接系统与外界的接口，包括显示器、键盘、鼠标、摄像头、麦克风等。外设接口则是系统与各种外设进行通讯的接口，包括串口、并口、USB、网口等。

嵌入式系统的开发

嵌入式系统的开发包括硬件开发和软件开发两个方面。硬件开发主要包括电路原理设计、PCB设计、射频设计等，软件开发则分为低层驱动程序开发和应用程序开发两个部分。低层驱动程序主要包括系统启动代码、操作系统内核、设备驱动程序等。应用程序则是根据需求编写的具体程序，它能实现系统的各种功能，如数据采集、数据处理、通讯控制、用户界面等。

嵌入式系统的发展趋势

随着科技的不断发展，嵌入式系统的应用范围越来越广泛，发展趋势也越来越明显。其主要体现在以下几个方面：

一、嵌入式系统的概念

着重理解“嵌入”的概念

主要从三个方面上来理解。

1、从硬件上，将基于CPU的处围器件，整合到CPU芯片内部，比如早期基于X86体系结构下的计算机，CPU只是有运算器和累加器的功能，一切芯片要造外部桥路来扩展实现，象串口之类的都是靠外部的16C550/2的串口控制器芯片实现，而目前的这种串口控制器芯片早已集成到CPU内部，还有PC机有显卡，而多数嵌入式处理器都带有LCD控制器，但其种意义上就相当于显卡。比较高端的ARM类Intel Xscale架构下的IXP网络处理器CPU内部集成PCI控制器（可配成支持4个PCI从设备或配成自身为CPI从设备）；还集成3个NPE网络处理器引擎，其中两个对应于两个MAC地址，可用于网关交换用，而另外一个NPE网络处理器引擎支持DSL，只要外面再加个PHY芯片即可以实现DSL上网功能。IXP系列最高主频可以达到 1.8G，支持2G内存，1G×10或10G×1的以太网口或Febre channel的光通道。IXP系列应该是目标基于ARM体系统结构下由 intel进行整合后成Xscale内核的最高的处理器了。

2、从软件上前，就是在定制操作系统内核里将应用一并选入，编译后将内核下载到ROM中。而在定制操作系统内核时所选择的应用程序组件就是完成了软件的“嵌入”，比如WinCE在内核定制时，会有相应选择，其中就是wordpad,PDF,MediaPlay等等选择，如果我们选择了，在CE启动后，就可以在界面中找到这些东西，如果是以前PC上将的windows操作系统，多半的东西都需要我们得新再装。

3、把软件内核或应用文件系统等东西烧到嵌入式系统硬件平台中的ROM中就实现了一个真正的“嵌入”。

以上的定义是我在6、7年前给嵌入式系统下自话侧重于理解型的定义，书上的定义也有很多，但在这个领域范围内，谁都不敢说自己的定义是十分确切的，包括那些专家学者们，历为毕竟嵌入式系统是计算机范畴下的一门综合性学科

第一章 嵌入式系统概述

1.嵌入式系统的概念

从技术的角度概念：以应用为中心、以运算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、靠得住性、本钱、体积、功耗严格要求的专用运算机系统。

从系统的角度概念：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一路的运算机系统。术语嵌入式反映了这些系统一般是更大系统中的一个完整的部份，称为嵌入的系统。嵌入的系统中能够共存多个嵌入式系统。

2.嵌入式处置器的分类

①嵌入式微处置器；

②嵌入式微控制器；

③嵌入式DSP处置器；

④嵌入式片上系统（SOC）

3.嵌入式操作系统的大体概念及特点

一般实时操作系统应用于实时处置系统的上位机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统，而且提供了开发、调试、运用一致的环境。

嵌入式实时操作系统应用于实时性要求高的实时控制系统，而且应用程序的开发进程是通过交叉开发来完成的，即开发环境与运行环境是不一致。嵌入式实时操作系统具有规模小(一般在几K～几十K 内)、可固化利用实时性强(在毫秒或微秒数量级上)的特点

4.实时操作系统的大体概念及特点

总的来讲实时操作系统是事件驱动的，能对来自外界的作用和信号在限定的时刻范围内作出响应。它强调的是实时性、靠得住性和灵活性, 与实时应用软件相结合成为有机的整体起着核心作用, 由它来管理和协调各项工作,为应用软件提供良好的运行软件环境及开发环境。从实时系统的应用特点来看实时操作系统能够分为两种：一般实时操作系统和嵌入式实时操作系统

IEEE 的实时UNIX分委会以为实时操作系统应具有以下的几点:

异步的事件响应；切换时刻和中断延迟时刻肯定；优先级中断和调度；抢占式调度；内存锁定；持续文件；同步；

5.操作系统的内核有哪两种，各自的特点

①非占先式内核：非占先式内核要求每一个任务自我舍弃CPU 的所有权。非占先式调度法也称作合作型多任务，各个任务彼此合作共享一个CPU。异步事件仍是由中断服务来处置。中断服务能够使一个高优先级的任务由挂起状态变成就绪状态。但中断服务以后控制权仍是回到原来被中断了的那个任务，直到该任务主动舍弃CPU的利用权时，那个高优先级的任务才能取得CPU的利用权。

嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点：

1）对实时任务有很强的支持能力，能完成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心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。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而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，同时也有利于软件诊断。

3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。

4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW级。

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.嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。

2.嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、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高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。

4.嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。

5.为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。

6.嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。