第一章嵌入式系统目录1.1嵌入式系统的发展 21.2嵌入式系统概述 31.2.1嵌入式系统的定义 31.2.2嵌入式系统的组成 41.2.3嵌入式系统的分类 41.2.4嵌入式操作系统简介 71.2.5嵌入式系统总结 71.3嵌入式系统的特征 81.1嵌入式系统的发展1946年，世界上出现了第一台计算机，从此开创了计算机时代，由此深刻 改变了人类的生活按照应用来分类，计算机又分为嵌入式和通用式两种其中 通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现 并应用在社会的各个方面；而嵌入式计算机则以嵌入式系统的形式隐藏在各种装 置、产品和系统中在当前数字技术和网络技术高速发展的后PC时代，嵌入式系统的发展已远 超出了计算机的范畴，广泛渗透到了科学研究、工程设计、军事技术、各类产业 和商业文化娱乐及人们的日常生活等方方面面，已经与人类生产生活紧密结合 了嵌入式系统至今已有30多年的历史，经历了 4个比较明显的阶段：第一阶段是无操作系统的嵌入算法阶段，是以单芯片为核心的可编程控制器 形式的系统，同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能这种系统大部分 应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编 语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。
这一阶段系统的主要特点 是：系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户 接口由于这种嵌入式系统使用简便、价格很低，以前在国内工业领域应用较为 普遍，但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和 新兴的信息家电等领域的需求第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统这 一阶段系统的主要特点是：CPU种类繁多，通用性比较差；系统开销小，效率 高；一般配备系统仿真器，操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专 业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行第三阶段是通用的嵌入式实时操作系统阶段，是以嵌入式操作系统为核心的 嵌入式系统这一阶段系统的主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类 型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块 化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以 及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口 (API)，开发应用程序简单；嵌入 式应用软件丰富第四阶段是以基于Internet为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展 的阶段目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发 展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备 与Internet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。
1.2嵌入式系统概述1.2.1嵌入式系统的定义说了这么多关于嵌入式系统的话题，那么到底什么是嵌入式系统呢？这个问题到现在为止，都没有一个明确的答案从广义上来讲，凡是带有微 处理器的专用硬件系统都可以称为嵌入式系统而从狭义上讲，嵌入式系统主要 指能够支持操作系统的微系统总而言之，嵌入式系统是嵌入于宿主设备来智能 化提升宿主设备的功能，以辅助宿主设备高质量完成其功能为目的的小巧而廉价 的计算机系统以IEEE为例，它对于嵌入式系统的定义是：An Embedded system is the devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants即嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和 设备的装置”而在中国嵌入式系统领域中，比较认同的嵌入式系统概念是：嵌入式系统是 以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功 能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统这一概念完全是 从应用角度出发来定义的对嵌入式系统较全面的理解应当从以下三方面来认识：（1） 硬件应由嵌入式处理器作基础平台；（2） 软件应以嵌入式软件为运行平台；（3） 形式应是嵌入在设备中，各种设备有不同的外形及相应的附属配件，它只 不过是其中的一个控制核心部件。
1.2.2嵌入式系统的组成嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用 户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能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) 对实时多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 心级据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000种，流 行的体系结构有30多个系列其中8051体系占多半，生产这种单片机的半导 体厂家有20多个，共350多种衍生产品，仅Philips就有近100种现在 几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设 计部门。
嵌入式处理器的寻址空间一般从64kB到16MB，处理速度为 0.1~2000MIPS，常用封装8~144个引脚1.2.3嵌入式系统的分类根据现状，嵌入式计算机可分成下面几类1) 嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)嵌入式微处理器采用“增强型”通用微处理器由于嵌入式系统通常应用于 环境比较恶劣的环境中，因而嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼容性以及可靠 性方面的要求较通用的标准微处理器高但是，嵌入式微处理器在功能方面与标 准的微处理器基本上是一样的根据实际嵌入式应用要求，将嵌入式微处理器装 配在专门设计的主板上，只保留和嵌入式应用有关的主板功能，这样可以大幅度 减小系统的体积和功耗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、68000、MIPS、ARM 系列等。
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 能部件和外设为适应不同的应用需求，对功能的设置和外设的配置进行必要的 修改和裁减定制，使得一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处 理器内核都相同，不同的是存储器和外设的配置及功能的设置这样可以使单片 机最大限度地和应用需求相匹配，从而减少整个系统的功耗和成本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、可靠性提高由于嵌入式微控制器目前在产品的品 种和数量上是所有种类嵌入式处理器中最多的，而且上述诸多优点决定了微控制 器是嵌入式系统应用的主流微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控 制，因此称为微控制器通常，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 和兼容系列目前MCU约占嵌入式系统市场份额的70%3) 嵌入式 DSP 处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP )在数字信号处理应用中，各种数字信号处理算法相当复杂，这些算法的复杂 度可能是O(nm)的，甚至是NP的，一般结构的处理器无法实时的完成这些运 算由于DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于实时地进 行数字信号处理在数字滤波、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 。
另外，在有关智能方面的应用中，也需要嵌入式DPS处理器，例如各种带 有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，ADSL接 入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等这类智能化算法一般都是运算量较大， 特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP处理器的优势所在 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 器另外，Philips公司最近也推出了基于可重置嵌入式DSP结构，采用低成 本、低功耗技术制造的R. E. A. L DSP处理器，其特点是具备双Harvard结 构和双乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品4) 嵌入式片上系统(System On Chip, SOC)随着EDI的推广和VLSI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。
各种通用处 理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和其他许多嵌入式系统外设一样，成 为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL、Verlog等硬件语言描述， 存储在器件库中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Phlips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，可用于互联网安全方面1.2.4嵌入式操作系统简介。