一文讲明白什么是嵌入式系统

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1、 嵌入式系统介绍Development of Embedded System 蓝色向荣一,什么是嵌入式系统 嵌入式系统一般指非 PC 系统,有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心,软硬件可裁减的,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。 简单地说,嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体,具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点,特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成,它是可独立工作的“器件”。 一,什么是嵌入式系统 嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备,

2、如掌上 PDA 、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。 一,什么是嵌入式系统 嵌入式系统的硬件部分,包括处理器 / 微处理器、存储器及外设器件和 I/O 端口、图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统,它不具备像硬盘那样大容量的存储介质,而大多使用 EPROM 、 EEPROM 或闪存 (Flash Memory) 作为存储介质。 软件部分包括操作系统软件 ( 要求实时和多任务操作 ) 和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为;而操作

3、系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。二,嵌入式处理芯片(1) 嵌入式微处理器 (Embedded Microprocessor Unit, EMPU) 嵌入式微处理器采用“增强型”通用微处理器。和工业控制计算机相比,嵌入式微处理器组成的系统具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点,但在其电路板上必须包括 ROM 、 RAM 、总线接口、各种外设等器件,从而降低了系统的可靠性,技术保密性也较差。由嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路主板上构成一个通常所说的单板机系统。 嵌入式处理器目前主要有 Am186/88 、 386EX 、 SC-400 、 Power PC 、 68

4、000 、 MIPS 、 ARM 系列等。 二,嵌入式处理芯片 (2) 嵌入式微控制器 (Microcontroller Unit, MCU) 嵌入式微控制器又称单片机,它将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心,根据某些典型的应用,在芯片内部集成了 ROM/EPROM 、 RAM 、总线、总线逻辑、定时 / 计数器、看门狗、 I/O 、串行口、脉宽调制输出、 A/D 、 D/A 、 Flash RAM 、 EEPROM 等各种必要功能部件和外设。和嵌入式微处理器相比,微控制器的单片化使应用系统的体积大大减小,从而使功耗和成本大幅度下降、可靠性提高。 通常,

5、嵌入式微处理器可分为通用和半通用两类,比较有代表性的通用系列包括 8051 、 P51XA 、 MCS-251 、 MCS-96/196/296 、 C166/167 、 68300 等。而比较有代表性的半通用系列,如支持 USB 接口的 MCU 8XC930/931 、 C540 、 C541 ;支持 I2C 、 CAN 总线、 LCD 等的众多专用 MCU 和兼容系列。二,嵌入式处理芯片(3) 嵌入式 DSP 处理器 在数字信号处理应用中,各种数字信号处理算法相当复杂,在数字滤波、 FFT 、谱分析等方面, DSP 算法正大量进入嵌入式领域, DSP 应用正从在通用单片机中以普通指令实现

6、DSP 功能,过渡到采用嵌入式 DSP 处理器。嵌入式 DSP 处理器有两类: (1)DSP 处理器经过单片化、 EMC 改造、增加片上外设成为嵌入式 DSP 处理器, TI 的 TMS320C2000/C5000 等属于此范畴; (2) 在通用单片机或 SOC 中增加 DSP 协处理器,例如 Intel 的 MCS-296 和 Infineon(Siemens) 的 TriCore 。 嵌入式 DSP 处理器比较有代表性的产品是 TI 的 TMS320 系列和 Motorola 的 DSP56000 系列。 TMS320 系列处理器包括用于控制的 C2000 系列、移动通信的 C5000 系

7、列,以及性能更高的 C6000 和 C8000 系列。 DSP56000 目前已经发展成为 DSP56000 、 DSP56100 、 DSP56200 和 DSP56300 等几个不同系列的处理器。二,嵌入式处理芯片(4) 嵌入式片上系统 (System On Chip, SOC) 随着 EDA(电子设计自动化)的推广和 VLSI (超大规模集成电路)设计的普及化,以及半导体工艺的迅速发展,可以在一块硅片上实现一个更为复杂的系统,这就产生了 SOC 技术。用户只需定义出其整个应用系统,仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除某些无法集成的器件以外,整个嵌入式系统大部分均可集成到

8、一块或几块芯片中去,应用系统电路板将变得很简单,对于减小整个应用系统体积和功耗、提高可靠性非常有利。 SOC 可分为通用和专用两类,通用 SOC 如 Infineon(Siemens) 的 TriCore 、 Motorola 的 M-Core ,以及某些 ARM 系列器件,如 Echelon 和 Motorola 联合研制的 Neuron 芯片等;专用 SOC 一般专用于某个或某类系统中,如 Philips 的 Smart XA ,它将 XA 单片机内核和支持超过 2048 位复杂 RSA 算法的 CCU 单元制作在一块硅片上,形成一个可加载 Java 或 C 语言的专用 SOC ,可用于互

9、联网安全方面。二,嵌入式处理芯片 ARM 微处理器目前包括下面几个系列,除了具有ARM 体系结构的共同特点以外,每一个系列的 ARM 微处理器都有各自的特点和应用领域。其目前有Classic系列、Cortex-M系列、Cortex-R系列、Cortex-A系列和Cortex-A50系列5个大类。 通常来说,作为工业控制处理器,可以选择Cortex-M系列处理器,其中M0比较简单便宜,适合用于替代51单片机,Cortex-R处理器可以取代ARM9作为具有带操作系统的控制系统;Cortex-A系列处理器更加常用的场合是消费电子。 1,Classic系列 该系列处理器由三个子系列组成: ARM7系列

10、:基于ARMv3或ARMv4架构 ARM9系列:基于ARMv5架构 ARM11系列:基于ARMv6架构二,嵌入式处理芯片2,Cortex-M系列 该系列处理器包括Cortex-M0、Cortex-M0+、Cortex-M1、Cortex-M3、Cortex-M4共5个子系列。该系列主要针对成本和功耗敏感的应用,如智能测量、人机接口设备、汽车和工业控制系统、家用电器、消费性产品和医疗器械等。3,Cortex-R系列 该系列处理器包括Cortex-R4、Cortex-R5、Cortex-R7共3个子系列。面向如汽车制动系统、动力传动解决方案、大容量存储控制器等深层嵌入式实时应用。二,嵌入式处理芯片

11、4,Cortex-A系列 该系列处理器包括Cortex-A5、Cortex-A7、Cortex-A8、Cortex-A9、Cortex-A12和Cortex-A15共6个子系列,用于具有高计算要求、运行丰富操作系统及提供交互媒体和图形体验的应用领域,如智能手机、平板电脑、汽车娱乐系统、数字电视等。三,嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件,它是嵌入式系统 ( 包括硬、软件系统 ) 极为重要的组成部分,通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等 。 嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点,如能够有效管理越来越复杂的

12、系统资源;能够把硬件虚拟化,使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来;能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序 。与通用操作系统相比较,嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。三,嵌入式操作系统三,嵌入式操作系统嵌入式系统与普通PC机的对比:软件上的对比:三,嵌入式操作系统硬件上的对比:三,嵌入式操作系统 一般情况下,嵌入式操作系统可以分为两类,一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统,如 WindRiver 公司的 VxWorks 、 ISI 的 pSOS 、 QNX 系统软件公司的 QNX 、 ATI 的 Nucle

13、us 等; 另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统,这类产品包括个人数字助理 (PDA) 、移动电话、机顶盒、电子书、 WebPhone 等。 目前在嵌入式领域广泛使用的操作系统有:嵌入式实时操作系统C/OS-II、嵌入式Linux、Windows Embedded、VxWorks等,以及应用在智能手机和平板电脑的Android、iOS等。三,嵌入式操作系统 Linux是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统,是一个基于POSIX(可移植操作系统接口)和UNIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。它能运行主要的UNIX工具软件、应用程序和网络协议。它支持32位和64位硬件。

14、Linux继承了Unix以网络为核心的设计思想,是一个性能稳定的多用户网络操作系统。三,嵌入式操作系统linux操作系统的几个特点:1,基本思想 Linux的基本思想有两点:第一,一切都是文件;第二,每个软件都有确定的用途。其中第一条详细 来讲就是系统中的所有都归结为 一个文件,包括命令、硬件和软件设备 、操作系统、进程等等对于操作系统内核而言,都被视为拥 有各自特性或类型的文件。2,完全免费 Linux是一款免费的操作系统,用户可以通过网络或其他途径免费获 得,并可以任意修改其源代码。3,完全兼容POSIX1.0标准 这使得可以在Linux下通过相应的模拟器运行常见的DOS、Windows的

15、程序。这为 用户从Windows转到Linux奠定了基础。三,嵌入式操作系统4,多用户、多任务 Linux支持多用户,各个用户对 于自己的文件设备 有自己特殊的权利,保证了各用户之间互不影响。多任务则 是现在电脑 最主要的一个特点,Linux可以使多个程序同时并独立地运行。 5,良好的界面 Linux同时具有字符界面和图形界面。在字符界面用户可以通过键盘输 入相应的指令来进行操作。它同时也提供了类似Windows图形界面的X-Window系统,用户可以使用鼠标对其进行操作。在X-Window环境中就和在Windows中相似,可以说是一个Linux版的Windows。6,支持多种平台 Linux

16、可以运行在多种硬件平台上,如具有x86、680 x0、SPARC、Alpha等处理器的平台。此外Linux还是一种嵌入式操作系统,可以运行在掌上电脑 、机顶盒或游戏机上。三,嵌入式操作系统 Ubuntu(友帮拓、优般图、乌班图)是一个以桌面应用为主的开源GNU/Linux操作系统,Ubuntu 是基于Debian GNU/Linux,支持x86、amd64(即x64)和ppc架构,由全球化的专业 开发团队 (Canonical Ltd)打造的。三,嵌入式操作系统什么样的芯片可以运行操作系统: 对于嵌入式芯片的要求就是,他的ram和rom区要足够大,能够存得下系统运行的所有数据,运行嵌入式linux的芯片要求要高于us/os,如果裁剪得当的话,51单片机也可以运行us/os。 它对于外设要求不高,主要是对cpu及RAM有要求,拿arm体系结构来说吧: S3C44B0是arm7核,它没有mmu,所以不能跑完整linux系统,但是可以跑uclinux(针对没有mmu芯片)、ucOS;如果要跑完整的linux,S3C2440就可以,它是arm9核,主频500左右,外设配置60M RAM。 li

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