嵌入式系统

@嵌入式系统

1嵌入式系统的定义

凡是带有微处理器的专用系统都可以称为嵌入式系统。如单片机系统和带OS的ARM 系统。各类单片机系统，在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点。但是由于他们没有操作系统，所以管理硬件和软件的能力有限，在实现复杂的多任务功能时往往困难重重，甚至无法实现。

嵌入式系统的更准确的定义：以应用为中心，以计算机技术为基础，且软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗的严格要求的专用计算机系统。这种专用计算机系统是由嵌入式微处理器构成的独立操作系统，完成特定功能，用于特定场合。

2嵌入式系统的特点

总体上嵌入式系统可以划分成硬件和软件两部分，硬件一般由高性能的微处理器和外围的接口电路组成，软件一般由实时操作系统和其上运行的应用软件构成。尽管嵌入式系统与PC类似，但在软硬件方面还有不同。

嵌入式系统与PC机在软件开发平台上对比：

（1）引导代码

嵌入式系统通过Bootloader引导，针对不同电路进行移植；PC机主板的BIOS引导，无须改动。

（2）操作系统

嵌入式系统包括Linux、WinCE、VxWorks等，需要移植；PC机操作系统包括Windows、Linux等，无需移植。

（3）驱动程序

嵌入式系统的每个设备驱动针对电路板进行开发或移植，一般不能直接下载使用；PC机操作系统含有大多数驱动程序,或下载直接使用。

（4）开发环境

嵌入式系统的编译环境为交叉编译；PC机操作系统的编译环境为本机编译。

（5）协议栈

开发嵌入式系统需要移植协议栈；PC机的协议栈由操作系统或第三方提供。

嵌入式系统与PC机在硬件开发平台上对比：

（1）CPU

嵌入式系统的CPU包括ARM，MIPS,Score+等；PC机的CPU包括Intel、AMD等。

（2）内存

嵌入式系统内存主要用SDRAM芯片；PC机操作系统大多用SDRAM或DDR内存条。（3）存储设备

嵌入式系统的存储设备主要为FLASH闪存芯片，容量主要为几十至几百MB；PC机的存储设备有硬盘及光盘等，其容量达几十至几百GB。

（4）输入与输出设备

嵌入式系统输入与输出设备主要是键盘、触摸屏、LCD等；PC机输入与输出设备比较丰富，有键盘、鼠标、麦克风、显示器等。

（5）其它设备

嵌入式系统主要包括音频芯片、USB芯片、网卡芯片等；PC机主要是主板集成或外接插卡。

通过以上的对比，嵌入式系统特点归纳如下：

(1)系统内核小

嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多

(2)专用性强

嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植

(3)系统精简

嵌入式系统一般不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于系统安全

(4)实时性操作系统

这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固化存储，以提高速度，软件代码要求高质量和高可靠性、实时性

(5)专用的开发工具和开发环境

通过专用的开发工具，同时在特定的开发环境下，我们才可是嵌入式系统能完成特定的功能，并用于特定的场合。

3嵌入式系统的结构

嵌入式系统组成结构主要分为硬件和软件两部分。硬件核心部分是微处理器，还包括其它一些外围设备如FLASH、USB、LCD、键盘、串口等。软件部分由操作系统和应用程序构成。操作系统如Linux，应用程序如音乐播放器、图形软件等。这些软硬件的关系如下图所示

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件，与通用处理器的最大差异在于其大多工作在为特定用户群设计的系统中。嵌入式处理器通常把通用计算机中许多由板块完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统趋于小型化，并具有高效率、高可靠性等特征。目前，市面上有1000多种嵌入式处理器芯片，包括ARM系列、MIPS系列、PowerPC系列等等。

外围设备是指在一个嵌入式系统当中，嵌入式处理器以外的完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其它部件，根据外围设备的功能可分为以下3类：

存储器：SRAM、DRAM、NAND FLASH、NOR FLASH等。

接口：并口、RS232串口、SPI串行接口、USB通用串行总线、以太网接口等。

人机接口：LCD、触摸屏、键盘等。

操作系统是嵌入式软件的最重要组成部分，操作系统将CPU时间、中断、I/O、定时器等资源都包装起来，留给用户一个标准的API，并根据各个任务的优先级，合理地在不同任务之间分配CPU时间，用户的其它应用程序都建立在操作系统之上。操作系统主要功能：处理器管理、存储器管理、设备管理、文件管理、用户接口管理。

@嵌入式系统硬件设计与实现

根据上一章的模块分析，本章对嵌入式系统的各硬件电路加以实现。并构建基于ARM9(SamsungS3C2440)为微处理器的核心模块和传感器输出信号调理模块，实现了嵌入式系统软硬件运行的基本环境、硬件基础、网络传输及调试的基本接口。这里主要包括:精密放大电路，低通滤波电路，高通滤波电路，整形电路，AD，气泵控制电路，LED控制电路，按键控制电路，LCD相关电路，PWM驱动接口，FLASH存储器电路，SDRAM存储器电路，串口通信电路，以太网接口电路等。该嵌入式系统采用专业稳定的复位芯片和CPU内核电源芯片使系统稳定性有可靠的保证。

1 ARM9微处理器概述

1.1ARM简介

ARM于1990年11月在英国伦敦成立，它是一个知识产权公司，本身不生产芯片，靠转让设计许可，由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。目前，全世界有几十家著名的半导体公司都使用ARM公司的授权，其中包括摩托罗拉、因特尔、索尼、三星等，从而保证了大量的开发工具和丰富的第三方资源，它们共同保证了基于ARM处理器核的设计可以很快投入市场。

ARM微处理器有以下特点：

(1)体积小、低功耗、低成本、高性能；

(2)支持Thumb（16 位）/ARM（32 位）双指令集，能很好的兼容8 位/16 位器件；

(3)大量使用寄存器，指令执行速度更快；

(4)大多数数据操作都在寄存器中完成；

(5)寻址方式灵活简单，执行效率高；

(6)指令长度固定。

同时，为了提高处理器的运行效率，ARM采用典型的多级流水线结构。下图为4个通用处理器系列的流水线结构。