现代嵌入式系统体系结构和开发方法分析

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1、现代嵌入式系统体系结构和开发方法分析摘要：嵌入式系统诞生于微型机时代，经历了漫长的独立发展的单片机道路。它是以应用为 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。当今信息时代，嵌入式系统的应用无处不在, 它 已经广泛地应用到当今各个领域，与我们的生活息息相关，小到掌上的数字产品，大到汽车、 航天飞机等。它是先进的计算机技术、半导体技术、电子技术以及各种具体应用相结合的产 物，是技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的新型集成知识系统。嵌入式系统开发就 是对于除了电脑之外的所有电子设备上操作系统的开发，开发对象有手机，掌

2、上电脑，机电 系统等。文中介绍了嵌入式系统的基本知识、嵌入式系统的技术特点、嵌入式开发以及广泛 的应用等，提出了在嵌入式系统开发过程中应遵循的原则，同时，写了自己的体会，展望嵌 入式系统的前景。关键词：嵌入式系统；特点；应用；开发引言： 由于网络和通讯的高速发展，带动了信息家电、信息工业的潮流，嵌入式技术已成为通 信和消费类产品的共同发展方向。嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，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。嵌入式系统

3、是先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合 的产物，这就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系 统。它是以应用为中心、软硬件可裁减的、能适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、 功耗等综合性要求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系统是集系统的应用软件与硬件于 一体，类似于PC中BIOS的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点， 因此特别适合于要求实时和多任务的系统。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。1 嵌入式系统的基本知识1.1 嵌入式系统嵌入式系统的英文叫做Embedded

4、System，是一种包括硬件和软件的完整的计算机系 统，但又跟通用计算机系统不同。它的定义是：“嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技 术为基础，并且软硬件可剪裁，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格 要求的专用计算机系统”。嵌入性、专用性与计算机系统是嵌入式系统的三个基本要素。对 象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。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。它一般指非PC系统， 包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图 形控制器等。软件部

5、分包括操作系统软件（OS）和应用程序编程。有时设计人员把这两种 软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬 件的交互作用。1.2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点与定义不同，它是由定义中的三个基本要素衍生出来的。不同的嵌入 式系统其特点会有所差异。首先，从广义上讲，除了通用的计算机系统应用外，其他所有的 智能电子设备都属于嵌入式系统。从狭义上讲，嵌入式系统主要有以下两个特征：（1）在硬件上嵌入式系统至少拥有一个高性能处理器作为硬件平台（目前已 32 位处理器为 主流），如ARM和MIPS系列处理器。（2）在软件上，嵌入式系统已一个多任务操作系统为软件开发平

6、台，如 Linux、Windows CE、Symbian、/1C/OS-II、VxWorks 等。其次，嵌入式系统通常是面向特定应用的，嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计 的系统中，它通常都具有低功耗、小体积、高集成度等特点，能够把通用 CPU 中许多由板卡 完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化。嵌入式系统的硬件和软件都必须高效地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片 面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。它的软件一 般都固化在存储器芯片或单片机之中，而不是存贮于磁盘等载体中，从而提高执行速度和系 统可靠性。最后，嵌入式系统本身不

7、具备自举开发能力，即使在设计完成后，用户也不能对其中的 程序进行修改，而是必须有一套开发工具和环境才能进行开发。1.3 嵌入式系统的种类与发展按照上述嵌入式系统的定义，只要满足定义中三要素的计算机系统，都可称为嵌入式系 统。嵌入式系统按形态可分为设备级（工控机）、板级（单板、模块）、芯片级（MCU、SoC）。有些人把嵌入式处理器当作嵌入式系统，但由于嵌入式系统是一个嵌入式计算机系统， 因此，只有将嵌入式处理器构成一个计算机系统，并作为嵌入式应用时，这样的计算机系统 才可称作嵌入式系统。嵌入式系统与对象系统密切相关，其主要技术发展方向是满足嵌入式应用要求，不断扩 展对象系统要求的外围电路（如AD

8、C、DAC、PWM、日历时钟、电源监测、程序运行监测 电路等），形成满足对象系统要求的应用系统。因此，嵌入式系统作为一个专用计算机系统， 要不断向计算机应用系统发展。2嵌入式系统体系结构2.1 硬件平台嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式开发硬件平台的选择主要是 嵌入式处理器的选择。在一个系统中使用什么样的嵌入式处理器内核主要取决于应用的领 域、用户的需求、成本、开发的难易程度等因素。确定了嵌入式处理器内核以后，就要考虑 系统外围设备的需求情况以选择一款合适的处理器。外围设备应考虑到：总线的需求、有没 有通用串行接口、是否需要USB总线、有没有以太网接口、系统内部是否需要I2C

9、总线和 SPI总线、音频D/A连接的IIS总线、外设接口、系统是否需要A/D或D/A转换器、系统 是否需要I/O控制接口等。另外，还要考虑处理器的寻址空间，有没有片上的Flash存储器， 处理器是否容易调试和仿真以及调试工具的成本和易用性等相关的信息。在实际过程中，挑 选最好的硬件是一项很复杂的工作，充满着各种顾忌和干扰，包括其它工程的影响以及缺乏 完整或准确的信息等。2.2 嵌入式操作系统实时嵌入式系统的种类繁多，大体上可分为两种：商用型和免费型。商用型的实时操作 系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。免费型的实时操作 系统在价格方面具有优势，目前主要有Linux和

10、“c/OS但是不管选用什么样的系统，我们 都要考虑操作系统的硬件支持、开发工具的支持程度和能否满足应用需求。由此可见，选择一款既能满足应用需求，性价比又可达到最佳的实时操作系统，对开发 工作的顺利开展意义重大。3嵌入式系统开发的相关技术 嵌入式系统的架构可以分为四个部分：处理器、存储器、输入输出和软件。在开发中， 需要慎重考虑所需的设备。首先，嵌入式系统最核心的部分是处理器，当前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已 经超过了 1000 多种， 30 多个系列。不同的处理器有其不同的功能和优势。但是低成本、低 功耗、高性能是嵌入式系统应用特殊要求。其次，存储器也是构建嵌入式系统的重要部分。虽然存储

11、器的选择依赖于处理器的选择， 但是，就功能需求来说，需要考虑容量大的，性能稳定的存储器。最后，要结合实际情况和处理器的功能确定系统的外围设备。3.1 嵌入式开发过程 在嵌入式开发过程中有宿主机和目标机的角色之分：宿主机是执行编译、链接、定址过程的计算机；目标机指运行嵌入式软件的硬件平台。首先须把应用程序转换成可以在目标机 上运行的二进制代码。这一过程包含三个步骤：编译、链接、定址。另一个重要的步骤是调 试目标机上的应用程序。3.2 向嵌入式平台移植软件大部分嵌入式开发人员选用的软件开发模式是先在PC机上编写软件，再进行软件的移 植工作。在PC机上编写软件时，要注意软件的可移植性，选用具有较高移

12、植性的编程语言， 尽量少调用操作系统函数，注意屏蔽不同硬件平台带来的字节顺序、字节对齐等问题。以下 是我们在移植协议栈过程中的一些体会。3.2.1 字节顺序 字节顺序是指占内存多于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序，通常有小端、大端 两种字节顺序。小端字节序指低字节数据存放在内存低地址处，高字节数据存放在内存高地 址处；大端字节序是高字节数据存放在低地址处，低字节数据存放在高地址处。3.2.2 字节对齐有的嵌入式处理器的寻址方式决定了在内存中占2 字节的 int16、uint16 等类型数据只 能存放在偶数内存地址处，占 4 字节的 int32 、uint32 等类型数据只能存放在 4 的整

13、数倍的 内存地址处；占8字节的类型数据只能存放在8的整数倍的内存地址处；而在内存中只占1 字节的类型数据可以存放在任意地址处。解决字节对齐有许多方法，为了增强软件的可移植性以及和同类其它平台产品的互通 性，我们在收数据包处增加了拆包的函数，发数据包处增加了组包的函数。这两个函数解决 了字节序的问题，也解决了字节对齐的问题。即组包时根据参数中的格式字符串将内存中的 不同数据类型的某段数据放在指定地址处，组成包发给下层；拆包时，根据参数中的格式字 符串将收到的内存中的数据存放在不同类型的变量或结构成员中。3.2.3 代码优化 嵌入式系统对应用软件的质量要求更高，因而在嵌入式开发中尤其须注意对代码进

14、行优 化，尽可能地提高代码的效率，减少代码的大小。（1）提高代码的效率为了提高速度，可以把具体的情况按照它们发生的相对频率排序或使用全局变量。但是， 使用全局变量会对程序有一些负作用。（2）减小代码的大小嵌入式系统编程应避免使用标准库例程，因为很多大的库例程设法处理所有可能的情 况，所以占用了庞大的内存空间，因而应尽可能地减少使用标准库例程。4 嵌入式系统的广泛应用嵌入式系统的应用很广泛，可以说除了通用的计算机系统之外，其他所有的只能电子设 备都属于嵌入式系统。嵌入式芯片被广泛应用到汽车电子、微控制、无线通信、数码产品、 网络设备、安全系统等领域。随着越来越多的公司、研究单位、大专院校以及个人

15、开始进行 嵌入式系统的研究，嵌入式系统设计将成为未来相当长一段时间内电子领域研究的热点。人 们将会无时无处不接触到嵌入式产品，从家里的洗衣机、电冰箱，到作为交通工具的自行车、 小汽车，到办公室里的远程会议系统等等。下面介绍几种具体的应用。（1）嵌入式移动数据库所谓的移动数据库是支持移动计算的数据库，有两层含义：用户在移动的过程中可 以联机访问数据库资源。用户可以带着数据库移动。典型的应用场合有在开着的救护车 上查询最近的医院。该系统由前台移动终端、后台同步服务器组成，移动终端上有嵌入式实 时操作系统和嵌入式数据库。（2）嵌入式系统在智能家居网络中的应用智能家居网络（E-Home）指在一个家居中

16、建立一个通信网络，为家庭信息提供必要的通路；在家庭网络操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家庭网络上 家电和设备的控制和监测。其网络结构的组成必然有家庭网关。家庭网关主要实现控制网络 和信息网络的信号综合并与外界接口，以便作远程控制和信息交换。不论是网关还是各家电 上的控制模块，都需有嵌入式操作系统。（ 3 ）嵌入式语音芯片嵌入式语音芯片基于嵌入式操作系统，采用语音识别和语音合成、语音学层次结构体系 和文本处理模型等技术；可以应用在手持设备、智能家电等多个领域，赋予这些设备人性化 的交互方式和便利的使用方法；也可应用于玩具中，实现声控玩具、仿真宠物、与人对话的 玩具；也能应用于车载通信设备实现人机交流。（4）基于小范围无线通信协议的嵌入式产品 近来，基于小范围无线接入协议的嵌入式产品层出不穷，包括各种电话系统、无线公文 包、各类数字电子设备以及在电子商务中