计算机新技术讲座

1. 计算机新技术讲座 嵌入式系列知识 段 盛 2009.3

2. 一、什么是嵌入式系统？ • (Embedded System)

3. 嵌入式系统是以应用为中心，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。嵌入式系统是以应用为中心，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。 • （它是先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各行业的具体应用相结合后的产物，这一点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。）

4. 请举出一些生活中的嵌入式系统应用例子。

5. 二、嵌入式系统的应用 • 嵌入式系统在实际应用中是非常广泛的。例如：计算机的硬盘、Modem、打印机、扫描仪，网络设备中的路由器、交换机，家电中的数码相机、手机、掌上电脑等均是由嵌入式处理器控制的。不仅如此，嵌入式系统也应用于智能仪表、工控设备、军事装备等重要领域

6. 三、嵌入式系统的构成 • 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(RTOS)、控制与应用程序和开发调试平台等5部分构成

7. 嵌入式系统的特点 • 第一，面向特定应用 • 第二，系统构成多种多样 • 第三，体系结构千差万别 • 第四，设计方法不尽一致 • 第五，人机界面要求不一 • 第六，综合性能是主导 • 第七，可靠性要求较高

8. 第八。体积小，重量轻 • 第九，低功耗是重要指标 • 第十。实时性要求较高 • 第十一，环境因素很重要 • 第十二，全面考虑产品生命周期的每一个阶段 • 第十三，商业因素要考虑 • 第十四，用户要求应重视

9. 总之，嵌入式系统与桌面计算机系统不同，其侧重点完全不一样。桌面计算机系统追求的是强大的计算能力，而嵌入式系统的功能要求则变化较大。有些系统强调输入输出，而在另外一些场合，价格、功耗可能变成了敏感因素。虽然一些先进的设计方法，如软硬件综合设计，一些功能强大的工具软件在设计过程中都可以发挥重要作用，但具体行业的文化因素也不可忽视。因此，全面考虑、正确处理各种因总之，嵌入式系统与桌面计算机系统不同，其侧重点完全不一样。桌面计算机系统追求的是强大的计算能力，而嵌入式系统的功能要求则变化较大。有些系统强调输入输出，而在另外一些场合，价格、功耗可能变成了敏感因素。虽然一些先进的设计方法，如软硬件综合设计，一些功能强大的工具软件在设计过程中都可以发挥重要作用，但具体行业的文化因素也不可忽视。因此，全面考虑、正确处理各种因 • 素的影响，是嵌入式系统设计者应该重视的问题。

10. 四、嵌入式系统的发展 • 嵌入式系统至今已经有30多年的历史了，其技术的发展大致分为以下四个时期： • 最初是以单芯片可编程控制器为核心的系统，同时配置监测、伺服、指示设备等功能。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，通过汇编语言程序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。

11. 第二个时期的嵌入式系统是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心。这一阶段系统的主要特点是：CPU种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；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。

12. 目前嵌入式系统正经历一个以Internet为标志的迅速发展的阶段。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。目前嵌入式系统正经历一个以Internet为标志的迅速发展的阶段。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。

13. 第三个时期是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。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。

14. 五、嵌入式系统硬件平台 • 嵌入式软件的运行离不开硬件支持。与普通计算机一样，硬件环境可分成3个部分：嵌入式处理器(CPU)、外围电路和外部接口支持(拓展外设)。其基本体系结构如图

15. 嵌入式处理器 • 嵌入式处理器是嵌入式硬件系统的核心，所提供功能的强弱直接决定了嵌入式应用的适应范围和开发复杂性。目前，嵌入式处理器可以分成下面几类： • 嵌入式微处理器(Embedded MicroProcess0r Unit．EMPU) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的 • CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。

16. 周边电路 • 周边电路包括了片内周边电路和片外基本外围电路两部分。作为一个嵌入式芯片，除基本的核心处理器外，必然还有一些片内周边电路。虽然这些电路随不同的MCU型号有所变化，但一些基本功能必然存在，如定时器、I／O端口、串I=1和DMA等，它们保证了CPU的正常运转，并实现应用中一些基本功能。

17. 外部接口支持 • 对一个实际的目标板(嵌入式设备)，除了处理器、片内电路和外围电路之外，往往会提供一些特殊的支持功能，包括对外部设备的板级支持、语音处理、图形处理、串口和USB等。 • 与通用计算机相比，嵌入式接口明显有两个特 • 点，一是接口品种多，二是对接口要求高。通用计算机一般仅有键盘、鼠标、VGA显示、硬盘、软盘以及并行打印机接口和串行接口。

18. 六、嵌入式系统软件平台 • 嵌入式软件包括嵌入式操作系统及用户的应用程序。是嵌入式系统一个重要的部分。 • 由于嵌入式系统应用广泛，嵌入式软件在整个软件产业中占据了重要地位，并受到世界各国的广泛关注；如今已成为信息产业中最为耀眼的“明星”之一。

19. 1、嵌入式操作系统 • 简单的嵌入式系统应用可以不使用操作系统，但在应用程序功能需求比较复杂时，系统应用软件的设计相当复杂。嵌入式操作系统的引入，在应用系统目标软件和硬件之间架起了一座桥梁，它可以大大减少系统设计的复杂性。 • 嵌入式操作系统与其它操作系统相比，一般只有微内核，没有shell及图形接口，甚至其它一些功能也可以去掉。由于其嵌入性的要求，一般来说，操作系统和应用程序紧密结合使它们共同运行于同一空间，操作系统和应用程序的分别不是很明确，甚至可以说操作系统是应用程序的一部分。

20. 由于嵌入式系统的内存容量一般都比较小，一般都使用实际的物理地址，因而存储管理模块常常很简单。这样内核的体积也将大大减小，使内核成为真正意义上的微内核。

21. 2、嵌入式应用程序 • 嵌入式处理器的应用程序是实现嵌入式系统功 • 能的关键，对嵌入式计算机系统应用程序的要求也和通用计算机有所不同 • 1) 嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器 • 芯片或嵌入式微控制器本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。而往往存储空间是非常有限的，为此要求程序编写和编译工具的质量要高，以减小程序二进制代码长度，提高执行速度。

22. (2)嵌入式系统开发需要开发工具，嵌入式系统本身不具备开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑(2)嵌入式系统开发需要开发工具，嵌入式系统本身不具备开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑 • 分析仪、混合信号示波器等。

23. (3)嵌入式系统软件需要实时多任务操作系统开发平台(RTOS)，通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口，是计算机基本组成不可分离的一部分，应用程序的开发以及完成后的软件都在0s平台上面运行，但一般不是实时的。嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源，用户必须自行选配RTOS开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保证程序质量。(3)嵌入式系统软件需要实时多任务操作系统开发平台(RTOS)，通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口，是计算机基本组成不可分离的一部分，应用程序的开发以及完成后的软件都在0s平台上面运行，但一般不是实时的。嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源，用户必须自行选配RTOS开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保证程序质量。

24. 七、嵌入式软件发展的十个观点 • 观点一： • 嵌入式软件产业发展迅猛，已成为软件体系的重要组成部分。嵌入式系统产品正不断渗透各个行业，嵌入软件作为包含在这些硬件产品中的特殊软件形态，其产业增幅不断加大，而且在整个软件产业的比重日趋提高。（现在，嵌入式软件市场规模已达到700亿）

25. 观点二： • 新一轮汽车、通信、信息电器、医疗、军事等行业的巨大智能化装备需求拉动了嵌入式软件及系统的发展。与传统的通用计算机系统不同，嵌入式系统面向特定应用领域，根据应用需求定制开发，并随着智能化产品的普遍需求渗透到各行各业。

26. 观点三： • SOC技术是微电子技术发展的一个新的里程碑，并已成为当今超大规模集成电路的发展趋势，为集成电路产业提供前所未有 • 的广阔市场和难得的发展机遇。迅猛发展的SOC工业再次推进了嵌入式软件与硬件系统进一步的融合，嵌入式软件是其灵魂与核心。

27. 观点四： • 目前的因特网技术只联接了2％～5％的计算装置，大量的嵌入式设备急需网络连接来提升其服务能力和应用价值。

28. 观点五： • 近十年来，嵌入式操作系统得到飞速的发展：从微处理器8位到16位、32位甚至64位，从支持单一品种的CPU芯片到支持多品种的，从只有内核到除了内核外还提供其他功能模块，如文件系统、TCP／IP网络系统、窗口图形系统等，形成包括嵌入式操作系统、中间平台软件在内的嵌入式软件体系。硬件技术的进步，推动了嵌入式系统软件向运行速度更快、支持功能更强、应用开发更便捷的方向不断发展。

29. 观点六： • 随着嵌入式系统应用的不断深入和产业化程度的不断提升，新的应用环境和产业化需求对嵌入式系统软件提出了更加严格的要求。在新需求的推动下，嵌入式操作系统内核不仅需要具有微型化、高实时性等基本特征，还将向高可信性、自适应性、构件组件化方向发展；支撑开发环境将更加集成化、自动化、人性化；系统软件对无线通信和能源管理的功能支持将日益重要。

30. 观点七： • 行业性开放系统正日趋流行。统一的行业标准具有开放、设计技术共享、软硬件重用、构件兼容、维护方便与合作生产的特