嵌入式系统基础知识

第1章 嵌入式系统基础知识

1.1嵌入式系统的定义和组成

1.1.1嵌入式系统的定义

嵌入式系统是一种应用范围非常广泛的系统。可以说除了桌而计算机和服务器外所有 计算设备都属于嵌入式系统，例如从便携式音乐播放器到航天飞机上的实时系统控制都属 于嵌入式系统。

大多数商用的嵌入式系统都设计成专用任务的低成本的产品。大多数的嵌入式系统都 具有实时性的要求。有些功能需要非常快的主频，但其他大多数功能并不需要高速的处理 能力。这些系统通过特定的器件和软件来满足实时性的要求。

简单地通过速度和成本来定义嵌入式系统是困难的，但对于大批量的产品而言，成本 常常对系统设计起决定作用。通常，一-个嵌入式系统的很多部分相对系统主要功能来说需 要较低的性能，因此嵌入式系统和通用PC相比，能够使用一个满足辅助功能的合适的 CPU,从而简化了系统设计，降低了成本。例如，数字电视的机顶盒需要处理每秒以百万 兆位计的连续数据，但这些数据处理大部分是由定制的硬件来实现的，如解析、管理和编 解码多个频道的数字影像。

对于大批量生产的嵌入式系统，如便携式音乐播放嘴或手机等，降低成本就成为最主 要的问题。这些系统通常只具有儿个芯片：一个高度集成的CPU, 一个定制的芯片用于控 制其他所有的功能，还有一•个存储芯片。在这种设计中，每部分都设计成使用最小的系统 功耗。

对于小批量的嵌入式应用，为了降低开发成本，常常使用PC体系结构，通过限制程 序的执行时I'可或用一-个实时操作系统来替换原先的操作系统。在这种情况下，可以使用一 个或多个高性能的CPU来替换特殊用途的硬件。

嵌入式系统的软件通常运行在有限的硬件资源上：没有硬盘、操作系统、键盘或屏幕。

软件一般都没有文件系统，如果有的话，也会采用Flash驱动器。如果有人机交互接口的 话，也是一个小键盘或液品显示器。硬件是计算机的物理部分，和存储在硬件中的计算机 软件程序和数据区分开来。 嵌入到机械中的嵌入式系统需要长期无故障连续运行，因此它的软件需要比PC中的 软件更加仔细地开发和更加严格地测试。

嵌入式系统设计的基础知识

嵌入式系统是指嵌入到其他设备中，完成特定功能的计算机系统。常见的嵌入式系统包括智能手机、数字电视机顶盒、汽车电子、工业自动化等领域。因为嵌入式系统通常空间、能耗、成本要求都非常严苛，所以它们和通用计算机相比有很多不同之处。本文将从嵌入式系统设计的角度，介绍嵌入式系统设计的基础知识。

一、嵌入式系统的硬件设计基础知识

嵌入式系统的硬件设计是指对嵌入式系统的各个硬件组成部分进行设计、选型、集成、排布的过程。嵌入式系统的硬件设计必须考虑以下几个方面。

1.芯片选型

单片机（MCU）是嵌入式系统常用的芯片，由于嵌入式系统对芯片的集成度要求很高，常用的MCU都集成了很多模拟和数字外设如模数转换器（ADC）、通用异步收发器（UART）、同步串行收发器（SPI）、I2C接口等，可以很方便地与外部设备进行通讯。当然，其他器件如FPGA、DSP等也可以作为嵌入式系统的芯片。

2.电源选择

嵌入式系统的电源选择不仅要考虑芯片的输入电压特性，还要考虑嵌入式系统的整体功耗和稳定性，特别是对于多电压需求的系统更要注意电源的设计。

3.尺寸和布局

嵌入式系统的尺寸和布局既要考虑外部尺寸限制，又要考虑内部线路的布局和信号的传输特性。因为一旦系统原型被制作出来，改动就会变得十分困难，这就要求硬件设计人员对布局的精确把握和对参数的准确计算。

4.时钟电路

嵌入式系统内的各个部件需要同步，通常需要一个精确的时钟电路驱动。在时钟电路的设计中，要考虑功耗、抗干扰性等因素。

二、嵌入式系统的软件设计基础知识

嵌入式系统的软件设计是指嵌入式系统的固件设计、操作系统选择和软件架构的设计等多个方面。在开发嵌入式系统时，软件设计是非常重要的一个环节。

1.固件设计

在开发嵌入式系统时，需要编写固件程序，这是嵌入式系统的基础软件。固件程序通常被编写在C语言或某些汇编语言中。编写固件程序时，需要考虑程序的规模、执行速度、可维护性、代码安全性等多重因素。

嵌入式系统特点

与通用的计算机系统相比，嵌入式系统具有以下特点：

1）专用紧凑：由于嵌入式设备的用途固定、成本敏感，其软硬件够用即可。因此，它在体积、功耗和配置等方面有明显的约束；

2）实时响应：嵌入式系统是某种技术过程信号处理和控制的核心处理环节，必须满足技术过程的时限要求，一定要具有实时处理的特性；

3）并发处理：在嵌入式系统的应用环境中，系统处理的事件往往是多个，而且可能同时发生，所以嵌入式系统一般具有并发特点；

4）稳定可靠：嵌入式系统产品使用环境不定，使用条件往往恶劣，故其稳定性和可靠性是系统的必须具备的条件；

5）技术密集：嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和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、不断创新的知识集成系统；

6）开发困难：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,它的开发依赖于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。

7）形式多样：嵌入式系统应用于国民经济各个领域，造成其品种繁多，形式多样。

（一）VxWorks

VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），是Tornado嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌人式实时操作系统领域逐渐占据一席之地。

VxWorks具有可裁剪微内核结构；高效的任务管理；灵活的任务间通讯；微秒级的中断处理；支持POSIX 1003．1b实时扩展标准；支持多种物理介质及标准的、完整的TCP/IP网络协议等。

然而其价格昂贵。由于操作系统本身以及开发环境都是专有的，价格一般都比较高，通常需花费10万元人民币以上才能建起一个可用的开发环境，对每一个应用一般还要另外收取版税。一般不通供源代码，只提供二进制代码。由于它们都是专用操作系统，需要专门的技术人员掌握开发技术和维护，所以软件的开发和维护成本都非常高。支持的硬件数量有限。

（二）Windows CE

Windows CE与Windows系列有较好的兼容性，无疑是Windows CE推广的一大优势。其中WinCE3.0是一种针对小容量、移动式、智能化、32位、了解设备的模块化实时嵌人式操作系统。为建立针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，它能在多种处理器体系结构上运行，并且通常适用于那些对内存占用空间具有一定限制的设备。它是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。操作系统的基本内核需要至少200KB的ROM。由于嵌入式产品的体积、成本等方面有较严格的要求，所以处理器部分占用空间应尽可能的小。系统的可用内存和外存数量也要受限制，而嵌入式操作系统就运行在有限的内存（一般在ROM或快闪存储器）中，因此就对操作系统的规模、效率等提出了较高的要求。从技术角度上讲，Windows CE作为嵌入式操作系统有很多的缺陷：没有开放源代码，使应用开发人员很难实现产品的定制；在效率、功耗方面的表现并不出色，而且和Windows一样占用过的系统内存，运用程序庞大；版权许可费也是厂商不得不考虑的因素。