的定義與組成

嵌入式系統(tǒng)(Embedded )是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)的軟硬件可剪裁，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)主要分為兩個部分:嵌入式硬件部分和嵌入式軟件部分。嵌入式硬件部分主要由嵌入式處理器，嵌入式外圍設(shè)備等構(gòu)成;嵌入式軟件部分主要由嵌入式操作系統(tǒng)，嵌入式開發(fā)調(diào)試環(huán)境和嵌入式應(yīng)用軟件構(gòu)成。

嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

隨著信息產(chǎn)業(yè)和集成電路的發(fā)展，嵌入式應(yīng)用的發(fā)展也得到了蓬勃和快速的發(fā)展。其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在兩個方面:

(1) 多樣化，廣泛化；嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域已應(yīng)用到社會的各個領(lǐng)域如信息家電、工業(yè)控制、通信和智能終端等

(2) 專用化，個性化；嵌入式應(yīng)用很多是面向特定的應(yīng)用，如實(shí)時控制、低功耗管理、可靠安全控制等，這些應(yīng)用領(lǐng)域使得嵌入式應(yīng)用具有專用性和個性特點(diǎn)。

嵌入式應(yīng)用的多樣化主要體現(xiàn)在嵌入式設(shè)備主控芯片和外圍設(shè)備的多樣化，目前，嵌入式設(shè)備的主控芯片類型包括四類:微控制器、嵌入式處理器、DSP處理器和片上系統(tǒng)SOC。嵌入式外圍設(shè)備種類繁多，而且不同的嵌入式應(yīng)用有不同的外掛設(shè)備，為了支持這些不同的外掛設(shè)備就必須有這些不同設(shè)備的板級支持包BSP ( ).

嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用最早是基于的簡單控制應(yīng)用，因?yàn)樯系馁Y源有限，因此在程序上采用的是前后臺的控制設(shè)計。隨著嵌入式應(yīng)用越來越復(fù)雜化，現(xiàn)在很多嵌入式應(yīng)用又引進(jìn)了嵌入式操作系統(tǒng)，利用嵌入式操作系統(tǒng)提供的特有的機(jī)制來滿足嵌入式一些特定的應(yīng)用，例如，多任務(wù)調(diào)度，實(shí)時控制和可靠冗余處理等。嵌入式開發(fā)不同于桌面程序的開發(fā)，一般都是通過交叉調(diào)試模式來開發(fā)，因此對于嵌入式開發(fā)工具也有特殊的要求。

嵌入式的專用化和個性化一方面體現(xiàn)在嵌入式硬件有專用和個性的支持，另一方面體現(xiàn)在軟件上要提供相應(yīng)的支持。

嵌入式系統(tǒng)硬件平臺

嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)涉及兩個方面:硬件部分與軟件部分。硬件部分提供整個系統(tǒng)開發(fā)可見的或可觸摸的“實(shí)體”，而軟件部分相當(dāng)于這個“實(shí)體”內(nèi)部的功能邏輯。這兩個部分是缺一不可的。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)對硬件要求非常高，這與類型系統(tǒng)的開發(fā)有所不同。許多嵌入式的開發(fā)都是針對具體的應(yīng)用，針對項目中特定的硬件資源，如微處理器、存儲器、外圍接口等。這樣，開發(fā)人員就需要熟悉系統(tǒng)中的硬件資源，比如涉及到一些底層編程，就需要知道系統(tǒng)處理器提供的指令集;要對外設(shè)驅(qū)動，就需了解外設(shè)的控制邏輯;要對存儲器編程，就需要知道存儲器編程的指令序列和編程流程等。

1.嵌入式系統(tǒng)控制器

一個嵌入式系統(tǒng)的目標(biāo)硬件平臺主要分三部分:處理器核心，片內(nèi)外圍電路，板級外圍電路.

處理器核心指的是整個芯片的核心電路即CPU的內(nèi)核。芯片內(nèi)的外圍電路是指封裝在芯片內(nèi)的一些電路如器分頻電路、串行等。板級外圍電路就是與處理器芯片交互的外圍電路，通常這些電路是根據(jù)處理器的特性和具體的 應(yīng)用而定制的外圍電路。

嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，嵌入式處理器作為系統(tǒng)的控制中樞，通過控制總線、數(shù)據(jù)總線和地址總線與各種外部接口相連。

就目前的現(xiàn)狀而言，嵌入式處理器可以分成四大類:嵌入式微處理器(EMU),微控制器(MCU),DSP處理器和片上系統(tǒng)(SOC)。

(1) 嵌入式微處理器(EMU)

嵌入式微處理器是經(jīng)過改造的通用計算機(jī)中的MPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計的電路板上:然后在電路板上配上必要的擴(kuò)展外圍電路，如存儲器的擴(kuò)展電路、I/O的擴(kuò)展電路和一些專用的等，這樣就可完成嵌入式系統(tǒng)的一些功能。嵌入式微處理器雖然在功能上與標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本相同，但在降低功耗、邏輯密度、工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強(qiáng).與工控計算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是，在電路板上必須包括ROM, RAM, Flash、總線接口、各種外設(shè)等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術(shù)保密性也較差。

總的來說，嵌入式微處理器一般具備以下幾個特點(diǎn):

1.對實(shí)時多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時間，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時內(nèi)核的執(zhí)行時間減少到最低限度。

2.具有功能很強(qiáng)的存儲區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設(shè)計強(qiáng)大的存儲區(qū)保護(hù)功能，同時也有利于軟件診斷。

3.可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以便能迅速地開發(fā)出滿足應(yīng)用的高性能的嵌入式微處理器。

4.嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設(shè)備中靠供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mw 甚至μW級。

(2) 微控制器(MCU)

(微控制器)又可簡稱MCU，也被稱為單芯片微控制器( )，將ROM, RAM, CPU, I/O集合在同一個芯片中，為不同的應(yīng)用場合做不同組合控制。微控制器在經(jīng)過這幾年不斷地研究，發(fā)展，歷經(jīng)4位、8位，到現(xiàn)在的16位及32位，甚至64位。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個系列的微控制器具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是相同的，不同的是存儲器和外設(shè)的配置及封裝。這樣，不同的微控制器就可以適合不同的應(yīng)用場合。與嵌入式微處理器相比，微控制器最大的特點(diǎn)是單片化、端口多、體積小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器的片上資源一般比較豐富，適合于控制，是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。

(3) DSP 處理器

DSP處理器即數(shù)字信號處理器，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特點(diǎn):

在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法。程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)。片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問。具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持。快速的中斷處理和硬件UO支持。具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器?？梢圆⑿袌?zhí)行多個操作。支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。 DSP的芯片可以按照以下的三種方式進(jìn)行分類。

按基礎(chǔ)特性分

這是根據(jù)DSP芯片的工作時鐘和指令類型來分類的。如果DSP芯片在某時鐘頻率范圍內(nèi)的任何頻率上能正常工作，除計算速度有變化外，沒有性能的下降，這類DSP芯片一般稱之為靜態(tài)DSP芯片。

如果有兩種或兩種以上的DSP芯片，它們的指令集和相應(yīng)的機(jī)器代碼及管腳結(jié)構(gòu)相互兼容，則這類DSP芯片稱之為一致性的DSP芯片。

按數(shù)據(jù)格式分

這是根據(jù) DSP芯片工作的數(shù)據(jù)格式來分類的。數(shù)據(jù)以定點(diǎn)格式工作的DSP芯片稱之為定點(diǎn)DSP芯片。以浮點(diǎn)格式工作的稱為浮點(diǎn)DSP芯片。不同的浮點(diǎn)DSP芯片所采用的浮點(diǎn)格式不完全一樣，有的DSP芯片采用自定義的浮點(diǎn)格式，有的DSP芯片則采用的標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式。

按用途分

按照 DSP芯片的用途來分，可分為通用型DSP芯片和專用型的DSP芯片。通用型DSP芯片適合普通的DSP應(yīng)用，如TI公司的一系列DSP芯片。專用型DSP芯片是為特定的DSP運(yùn)算而設(shè)計，更適合特殊的運(yùn)算，如數(shù)字濾波，卷積和FFT等。

現(xiàn)在DSP處理器已得到很快的發(fā)展與應(yīng)用，特別在嵌入式系統(tǒng)的智能化系統(tǒng)中。智能化算法一般都是運(yùn)算量較大，特別是向量計算、指針線性尋址等較多，而這些正是DSP處理器的長處所在。

(4) 片上系統(tǒng)(SOC)

隨著EDA的推廣和大規(guī)模集成電路設(shè)計的普及，以及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個硅片上實(shí)現(xiàn)一個更為復(fù)雜的系統(tǒng)的時代己來臨，這就是 on (SOC)。各種通用的嵌入式處理器內(nèi)核將作為SOC設(shè)計公司的標(biāo)準(zhǔn)庫，與許多嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為大規(guī)模集成電路設(shè)計中一種標(biāo)準(zhǔn)的器件。它用標(biāo)準(zhǔn)的等語言描述，存儲在器件庫中。用戶只需定義整個應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(shè)計版圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣，除個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。

2.嵌入式外圍設(shè)備

嵌入式外圍設(shè)備是指在一個嵌入硬件系統(tǒng)中，除了中心控制部件(EMU,MCU, DSP, SOC)以外的完成存儲、通訊、保護(hù)、調(diào)試、顯示等輔助功能的其它部件。根據(jù)外圍設(shè)備的功能可分為以下三類:

存儲器類型:靜態(tài)易失型存儲器(RAM,)、動態(tài)存儲器(),非易失型存儲器(ROM, , E, )。其中，以可擦寫次數(shù)多，存儲速度快，容量大，價格便宜等優(yōu)點(diǎn)在嵌入式領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。

接口類型:目前存在的大多數(shù)計算機(jī)接口在嵌入式領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用，特別是接口、接口、I2C總線接口、USB接口和以太網(wǎng)接口應(yīng)用較廣泛。

:CRT、和等外圍顯示設(shè)備。

嵌入式系統(tǒng)軟件平臺

嵌入式系統(tǒng)軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動、軟件開發(fā)工具和嵌入式應(yīng)用軟件四個層次。

由于嵌入式系統(tǒng)都是實(shí)時性系統(tǒng)，所以要求嵌入式系統(tǒng)的軟件應(yīng)具有實(shí)時性、異步事件的并發(fā)處理、應(yīng)用/操作系統(tǒng)一體化、應(yīng)用可固化、高可靠/高容錯、靈活性、安全性。

在大型的嵌入式系統(tǒng)中，為了使開發(fā)更方便、快捷，需要相應(yīng)的管理存儲器分配、中斷處理、任務(wù)間通信和器響應(yīng)，并提供多任務(wù)處理等功能的穩(wěn)定、安全的軟件模塊集合，即嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度、控制和協(xié)調(diào)各部件的工作，嵌入式操作系統(tǒng)與一般操作系統(tǒng)相比，在系統(tǒng)實(shí)時高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。嵌入式操作系統(tǒng)的引入大大提高了嵌入式系統(tǒng)的功能，方便了嵌入式應(yīng)用軟件的設(shè)計，但同時也占有了寶貴的系統(tǒng)資源。一般在比較大型或極為復(fù)雜的應(yīng)用場合才考慮使用嵌入式操作系統(tǒng)。

目前，對嵌入式操作系統(tǒng)的要求有:

實(shí)時性:嵌入式系統(tǒng)一般帶有實(shí)時性要求，因此嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)該具備實(shí)時特性。

系統(tǒng)可裁剪:由于嵌入式系統(tǒng)的資源限制，所采用的操作系統(tǒng)應(yīng)該有極強(qiáng)的針對性，因此對操作系統(tǒng)的功能要能夠配置。

輕量型網(wǎng)絡(luò)支持:當(dāng)今許多的嵌入式設(shè)備需要連接上網(wǎng)，所以嵌入式操作系統(tǒng)中要提供必要的輕量型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議找支持。

功能可擴(kuò)展;新型嵌入式設(shè)備功能的多樣化，要求嵌入式操作系統(tǒng)除能提供基本的內(nèi)核支持外，還能提供越來越多的可擴(kuò)展功能模塊。

由于嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)受到時間、空間開銷的限制，常常需要在專門的開發(fā)平臺上進(jìn)行軟件的交叉開發(fā)。在這種獨(dú)立的軟件開發(fā)系統(tǒng)上，應(yīng)配備完整的軟件開發(fā)工具，如高級語言編譯器、在線調(diào)試器和在線仿真器等。嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境是嵌入式軟件開發(fā)中重要的系統(tǒng)軟件，一般與嵌入式操作系統(tǒng)一起，作為一種專用軟件，其技術(shù)含量高，價格也較貴。

對于系統(tǒng)資源比較稀缺的嵌入式系統(tǒng)，開發(fā)人員往往不使用嵌入式操作系統(tǒng)提供的服務(wù)，而是直接與底層硬件打交道，這就需要自己編寫代碼管理硬件資源。在實(shí)際環(huán)境中，嵌入式系統(tǒng)處理的外部事件往往不是單一的，系統(tǒng)軟件應(yīng)對這些外部事件有效的進(jìn)行處理，此處嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能各不相同，所以嵌入式應(yīng)用軟件具有定制的特性，開發(fā)人員需要根據(jù)用戶的需求在特定的硬件平臺上進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)。