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1、嵌入式系统基础知识讲座徐荣峰一、嵌入式系统的定义及体系结构(一) 嵌入式系统概述计算机的基本概念嵌入式系统(Embeddedsystem)也称嵌入式计算机系统.顾名思义,嵌入式系统是计算机的一种特殊形式,所以在理解嵌入式系统概念前,必须先明确计算机的基本概念.计算机是能按照指令对各种数据进行自动加工处理的电子设备,一套完整的计算机系统包括硬件和软件两个部分.软件是指令与数据的集合,而硬件则是执行指令和处理数据的环境平台,是那些看得见,摸得着的部件.计算机的硬件系统主要由中央处理器(CPU),存储器,外部设备以及连接各个部分的计算机总线组成.(二) 嵌入式系统定义嵌入式系统是以应用为中心,计算机
2、技术为基础,软,硬件可剪裁,适应应用系统对功能,可靠性,成本,体积,功耗严格要求的专用计算机系统.上述定义较好地描述了嵌入式系统各方面的特征,不同的应用对计算机的有不同的需求,嵌入式计算机在满足应用对功能和性能需求的前提下,还要适应应用对计算机的可靠性,机械结构,功耗,环境适应性等方面的要求,在一般情况下,还要尽量降低系统的成本.简单地说,嵌入式系统是为具体应用定制的专用计算机系统,定制过程既体现在软件方面,也体现在硬件方面.硬件上,针对应用,选择适当的芯片,体系结构,设计满足应用需求的接口,设计方便安装的机械结构;软件上则明确是否需要操作系统,配置适当的向是提高嵌入性能,提高控制能力和控制的
3、可靠性;而通用计算机则不同,其硬件功能全面,而且具有较强的扩充能力,软件上配置标准操作系统及其它常用系统软件与应用软件,发展方向是计算速度的无限提升,总线带宽的无限扩展,存储容量的无限扩大.都是计算机,嵌入式系统与通用计算机系统基本原理上没有什么根本的不同,但因为应用目标不一样,嵌入式系统有着自身的特点:1、嵌入式系统具有应用针对性.这是嵌入式系统的一个基本特征,体现这种应用针对性的首先是软件,软件实现特定应用所需要的功能,所以嵌入式系统应用中必定配置了专用的应用程序;其次是硬件,大多数嵌入式系统的硬件是针对应用专门设计的,但也有一些标准化的嵌入式硬件模块,采用标准模块降低开发的技术难度和风险
4、,缩短开发时间,但灵活性不足.2、嵌入式系统硬件一般对扩展能力要求不高.硬件上,作为一种专用的计算机系统,功能,机械结构,安装要求比较固定,所以嵌入式系统一般没有或仅有较少的扩展能力;软件上,嵌入式系统往往是一个设备固定组成部分,其软件功能由设备的需求决定,在相对较长的生命周期里,一般不需要对软件进行改动.但也有一些特例,比如现在的手机,尤其是安装有嵌入式操作系统的智能手机,软件安装,升级比较灵活,但相对桌面计算机其软件扩展能力还是相当弱.3、嵌入式系统一般采用专门针对嵌入式应用设计的中央处理器.这与嵌入式系统应用针对性有关,相对通用计算机处理器,嵌入式处理器种类繁多,不同的嵌入式处理器功能/
5、性能差异非常大,主频从几兆赫兹到千兆赫兹,引脚数量从几个到几百个,只有这种多样化才能适应千差万别的嵌入式系统应用.4、嵌入式系统中操作系统可能有也可能没有,且嵌入式操作系统与桌面计算机操作系统有较大差别.在现代的通用计算机中,没有操作系统是无法想象的,而在嵌入式计算机中情况则大不相同.在一个功能简单的嵌入式系统中,可能根本不需要操作系统,直接在硬件平台上运行应用程序;而一些功能复杂的嵌入式系统,可能需要支持有线/无线网络,文件系统,实现灵活的多媒体功能,支持实时多任务处理,此时,在硬件平台和应用软件之间增加一个操作系统层,可使应用软件的设计变得简单,而且便于实现更高的可靠性,缩短系统开发时间,
6、使系统的研发工作变得可控.目前存在很多种嵌入式操作系统，如VxWorks,pSOS,嵌入式Linux,WinCE等，这些操作系统功能日益完善,以前只在桌面通用操作系统具备的功能，如网络浏览器，HTTP服务器,Word文档阅读与编辑等,也可以在嵌入式系统中实现.但为适应嵌入式系统的需要,嵌入式操作系统相对通用操作系统,具有模块化,结构精练,定制能力强,可靠性高,实时性好,便于写入非易失性存储器（固化）等特点.5）嵌入式系统一般有实时性要求.设备中的嵌入式系统常用于实现数据采集,信息处理,实时控制等功能,而采集,处理,控制往往是一个连续的过程.一个过程要求必须在一定长的时间内完成,这就系统实时性的
7、要求.（三）嵌入式系统的分类1、按处理器位宽分类按处理器位宽可将嵌入式系统分为4位,8位,16位,32位系统,一般情况下,位宽越大,性能越强.对于通用计算机处理器,因为要追求尽可能高的性能,在发展历程中总是高位宽处理器取代,淘汰低位宽处理器.而嵌入式处理器不同,千差万别的应用对处理器要求也大不相同,因此不同性能处理器都有各自的用武之地.2、按有无操作系统分类现代通用计算机中,操作系统是必不可少的系统软件.在嵌入式系统中则有两种情况:有操作系统的嵌入式系统和无操作系统（裸机）的嵌入式系统.在有操作系统支持的情况下,嵌入式系统的任务管理,内存管理,设备管理,文件管理等都由操作系统完成,并且操作系统
8、为应用软件提供丰富的编程接口,用户应用软件开发可以把精力都放在具体的应用设计上,这与在PC上开发软件相似.在一些功能单一的嵌入式系统中,如基于8051单片机嵌入式系统,硬件平台很简单,系统不需要支持复杂的显示,通信协议,文件系统,多任务的管理等,这种情况下可以不用操作系统.3、按实时性分类根据实时性要求,可将嵌入式系统分为软实时系统和硬实时系统两类.在硬实时系统中,系统要确保在最坏情况下的服务时间,即对事件响应时间的截止期限必须得到满足.在这样的系统里,如果一个事件在规定期限内不能得到及时处理则会导致致命的系统错误.在软实时系统中,从统计的角度看,一个任务能够得到确保的处理时间,到达系统的时间
9、也能够在截止期限前得到处理,但截止期限条件没得到满足时并不会带来致命的系统错误.4、按应用分类嵌入式系统应用在各行各业,按照应用领域的不同可对嵌入式系统进行分类.1)消费类电子产品消费类电子产品是嵌入式系统需求最大的应用领域,日常生活中的各种电子产品都有嵌入式系统的身影,从传统的电视,冰箱,洗衣机,微波炉，到数字时代的影碟机,MP3,MP4,手机，数码相机,数码摄像机等,在可预见的将来,可穿戴计算机也将走入我们的生活.现代社会里,人们被各种嵌入式系统的应用产品包围着,嵌入式系统已经在很大程度上改变了我们的生活方式.2)过程控制类产品这一类的应用有很多,如生产过程控制,数控机床,汽车电子,电梯控
10、制等等.过程控制引入嵌入式系统可显著提高效率和精确性.3)信息,通信类产品通信是信息社会的基础,其中最重要的是各种有线,无线网络,在这个领域大量应用嵌入式系统,如路由器,交换机,调制解调器,多媒体网关,计费器等.很多与通信相关的信息终端也大量采用嵌入式技术，如POS机,ATM自动取款机等.使用嵌入式技术的信息类产品还包括键盘,显示器,打印机,扫描仪等计算机外部设备.4)智能仪器,仪表产品嵌入式系统在智能仪器,仪表大量应用,采用计算机技术不仅提高仪器,仪表性能,还可以设计出传统模拟设备所不具备的功能.如传统的模拟示波器能显示波形,通过刻度人为计算频率,幅度等参数,而基于嵌入式计算机技术设计的数字
11、示波器,除更稳定显示波形外,还能自动测量频率,幅度,甚至可以将一段时间里的波形存储起来,供事后详细分析.5)航空,航天设备与武器系统航空,航天设备与武器系统一向是高精尖技术集中应用的领域,如飞机,宇宙飞船,卫星,军舰,坦克,火箭,雷达,导弹,智能炮弹等等,嵌入式计算机系统是这些设备的关键组成部分6)公共管理与安全产品这类应用包括智能交通,视频监控,安全检查,防火防盗设备等.饿现在常见的可视安全监控系统已基本实现数字化,在这种系统中,嵌入式系统常用于实现数字视频的压缩编码,硬盘存储,网络传输等,在更智能的视频监控系统中。二、嵌入式系统的应用领域嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以
12、包括：1、工业控制。基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展，各种智能测量仪表、数控装置、可编程控制器、控制机、分布式控制系统、现场总线仪表及控制系统、工业机器人、机电一体化机械设备、汽车电子设备等，广泛采用微处理器/控制器芯片级、标准总线的模板级及系统嵌入式计算机。减少人力资源，如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。就传统的工业控制产品而言，低端型采用的往往是8位单片机。但是随着技术的发展，32位、64位的处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来几年内必将获得长足的发展。2、家庭智能管理系统。水、电、煤气表的远程自动抄表安全防火、防盗系统，其中嵌有的
13、专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高，更准确和更安全的性能。目前在服务领域，如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势。3、网络及电子商务应用。POS系统、电子秤、条形码阅读机、商用终端、银行点钞机、IC卡输入设备、取款机、自动柜员机、自动服务终端、防盗系统、各种银行专业外围设备以及各种医疗电子仪器，无一不用到嵌入式系统。4、智能家电。这将称为嵌入式系统最大的应用领域、如数字电视机、机顶盒、数码相机、VCD、DVD、音响设备、可视电话、家庭网络设备、洗衣机、电冰箱、智能玩具等，广泛采用微处理器/微控制器及嵌入式软件。随着市场的需求和技术的发展，传统手机逐渐发展成为融合了PDA、电子商务和
14、娱乐等特性的智能手机。5、环境工程与自然。水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。在很多环境恶劣，地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。6、军事国防。各种武器控制（火炮控制、导弹控制、精确制导武器）、坦克、舰艇、轰炸机等陆海空各种军用电子装备，雷达、电子对抗军事通信装备，GPS定位装置、机器人等等。嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化，高智能方面优势更加明显，同时会大幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。三、ARM处理器介绍说到嵌入式系统，我们不得不提到ARM公司及ARM架构处理器。（一）ARM公司简介AR
15、M（AdvancedRISCMachines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。20世纪90年代，ARM公司的业绩平平，处理器的出货量徘徊不前。由于资金短缺，ARM做出了一个意义深远的决定：自己不制造芯片，只将芯片的设计方案授权（licensing）给其他公司，由它们来生产。正是这个模式，最终使得ARM芯片遍地开花.目前，采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器
16、，即我们通常所说的ARM微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75%以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。（二）ARM处理器系列ARM公司设计了许多处理器，它们可以根据使用的不同内核划分到各个系列中。系列划分是基于ARM7、ARM9、ARM10、ARM11和Cortex内核。后缀数字7、9、10和11表示不同的内核设计。数字的升序说明性能和复杂度的提高。ARM8开发出来以后很快就被取代了。ARM处理器不同功能特性：1、ARM7系列ARM7内核是冯诺伊曼体系结构，数据和指令使用同一条总线。内核有一条3级流水线，执行ARMv4指令集。是ARM公司于1995年推出的新系列中的第一个处理器内核。是目前一个非常流行的内核，已被用在许多32位嵌入式处理器上。它提供了非常好的性能功耗比。2、ARM9系列ARM9系列于1
