2022年嵌入式系统综述 .pdf

嵌入式系统综述名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 9 页 -摘要本文首先介绍了嵌入式系统的含义、发展历程、结构及特点,然后给出了嵌入式系统是由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软件这四部分组成并对重点对嵌入式处理器和嵌入式操作系统做了比较详细的介绍。最后,深入阐述了嵌入式系统的发展现状,展望了嵌入式系统产业在国内外的广阔发展前景。关键词:嵌入式系统;嵌入式处理器;嵌入式操作系统ABSTRACT This article first introduces the meaning,the development of the embedded system,structure and characteristics,and then gives the embedded system is composed of embedded processors,peripherals,embedded operating system and application software of these four parts,and to focus on embedded processor and embedded operating system made a more detailed introduction.Finally,further expounds the current situation of the development of embedded system,embedded system was put forward industry at home and abroad,broad prospects for development.Key words:Embedded system;Embedded processor;The embedded operating system 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 9 页 -1 嵌入式系统的定义随着电子技术的快速发展,特别是大规模集成电路的产生而出现的微型机,使现代科学研究得到了质的飞跃,而嵌入式微控制器技术的出现则是给现代工业控制领域带来了一次新的技术革命。嵌入式系统,是“嵌入式计算机系统”的简称,国内对嵌入式系统的一般定义是:嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，是一门综合技术学科。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软件等几大部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。2 嵌入式系统的发展历程嵌入式系统的产生可以追溯到1971年,Intel 公司推出了第一颗微处理器4004,嵌入式系统的概念也随之出现,然而当时的嵌入式系统大多都不采用操作系统,它们只是为了实现某个控制功能,使用一个简单的循环控制对外界的请求进行处理。经过几十年的发展，嵌入式系统渐渐从简单走向成熟，近几年来,计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明显,嵌入式技术已成为一个研究热点。纵观嵌入式技术的发展过程,大致经历四个阶段。第一阶段:以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统,具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。它应用于一些专业性强的工控系统中,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。主要特点:系统结构和功能单一,处理效率较低,存储容量较小,几乎没有用户接口。以前在国内工业领域应用较为普遍。第二阶段:以嵌入式 CPU 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。其主要特点是:CPU 种类繁多,通用性比较弱;系统开销小,效率高;操作系统达到一定的兼容性和扩展性;应用软件较专业化,用户界面不够友好。第三阶段:以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。其主要特点是: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、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,开发应用程序较简单;嵌入式应用软件丰富。第四阶段:以 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Inter-net 之外,但随着 Internet的发展以及 Internet 技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切,嵌入式设备与 Internet 的结合将代表名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 9 页 -嵌入式系统的未来。3 嵌入式系统的体系结构嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统,包含有 4 个部分:嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件。3.1嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统的核心,是控制、辅助系统运行的硬件单元,它将通用 CPU 中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部,从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化,同时还具有很高的效率和可靠性。目前常用的嵌入式处理器可分为低端的嵌入式微控制器,用于计算机通信领域的嵌入式DSP处理器,中高端的嵌入式微处理器和高度集成的嵌入式片上系统。(1)嵌入式微处理器: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。(2)嵌入式微控制器:嵌入式微控制器又称单片机。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心,芯片内部集成 ROMPEPROM、RAM、总线、定时计数器、WatchDog、IPO、串行口、Flash RAM 等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求,一般一个系列的单片机具有多种衍生产品,每种衍生产品具有不同的是存储器和外设的配置及封装,这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配,减少功耗和成本。(3)嵌入式 DSP 处理器:DSP 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计,使其适合于执行 DSP 算法,编译效率较高,指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面 DSP算法正在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。(4)嵌入式片上系统:随着 EDI 的推广和 VLSI 设计的普及,在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临,这就是 System On Chip(SOC)。各种通用处理器内核将作为SOC 设计公司的标准库,和许多其它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 等语言描述,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。3.2嵌入式操作系统嵌入式操作系统按实时性能可以分为两类。一类是面向控制、通信等领域的强实时操作系统,如 WindRiver 公司的 Works、ISI 的 p SOS、QNX 系统软件公司的 QNX、ATI 的 Nucleus 等,其中在国内市场中VxWorks 和 pSOS有较大影名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 9 页 -响。另一类是面向消费电子产品的弱实时操作系统,这类产品包括个人数字助理(PDA)、移动电话、机顶盒、电子书、WebPhone等,比较著名的有 W indows CE、P alm OS。Linux 的 源代码是开放的,Linux 具有更小、更稳定、更具价格竞争力等优势。嵌入式操作系统的特殊要求为Linux 在嵌入式系统中的发展提供了广阔的空间，这使得Linux 成为嵌入式操作系统中的新贵，也是发展未来嵌入式设备产品的绝佳资源。嵌入式 L inux 可应用于信息家电(机顶盒、数字电视)、多媒体手机、工业、商业控制(智能工控设备、POS/ATM 机)、电子商务平台，以及军事应用等。嵌入式的典型嵌入操作系统有Linux、VxWorks、Windows CE等。3.3嵌入式外围设备在嵌入式系统硬件系统中,除了中心控制部件(MCU、DSP、EMPU、SOC)以外,用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件,都可以算作嵌入式外围设备。目前常用的嵌入式外围设备按功能可以分为存储设备、通信设备和显示设备三类。存储设备主要用于各类数据的存储,常用的有静态易失型存储器(RAM、SRAM)、动态存储器(DRAM)和非易失型存储器(ROM、EPROM、EEP-ROM、FLASH)三种,其中 FLASH 凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点,在嵌入式领域内得到了广泛应用。目前存在的绝大多数通信设备都可以直接在嵌入式系统中应用,包 RS232 接口(串行通信接口)、SPI(串行外围设备接口)、IrDA(红外线接口)、I2C(现场总线)、USB(通用串行总线接口)、Ethernet(以太网接口)等。由于嵌入式应用场合的特殊性,通常使用的外围显示设备有阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)和触摸板(TouchPanel)等。3.4 嵌入式应用软件嵌入式系统在硬件选型和设计完成之后,根据硬件和应用的需求开始软件系统的功能和结构设计。应用软件是嵌入式系统针对特定的实际专业领域,基于相应的嵌入式硬件平台,并能完成用户预期任务的计算机软件。应用软件是实现嵌入式系统功能的关键,对嵌入式系统软件和应用软件的要求也与通用计算机有所不同。嵌入式软件的特点有:(1)软件要求固态化存储。为了提高执行速度和系统可靠性,嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器中或单片机本身中,而不是存贮于磁盘等载体中。(2)软件代码要求短小精干,高质量,高可靠性。随着半导体技术的发展,处理器的速度不断提高,存储器容量不断增加;但在大多数应用中,存储空间仍然是宝贵的,为此要求高质量的程序编写和编译工具,以减少程序二进制代码的长度,提高执行速度。(3)高实时性要求。在多任务嵌入式系统中,对重要性各不相同的任务进行统名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 9 页 -筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键,只提高处理器速度无法高效完成,况且处理器速度的提高有一个极限。这种任务的调度只能由优化编写的系统软件来完成。(4)多任务实时操作系统将成为嵌入式应用软件的必须。随着嵌入式应用的普及和深入,其接触到的实际应用环境越来越复杂,嵌入式软件业越来越复杂。支持多任务的实时操作系统成为嵌入式软件必须的系统软件。4嵌入式系统的特点4.1 嵌入式系统工业的特点和要求从某种意义上来说,通用计算机行业的技术是垄断的。嵌入式系统则不同,嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业,充满了竞争、机遇与创新,没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场,即便在体系结构上存在着主流。但各不相同的应用领域决定了不可能由少数公司、少数产品垄断全部市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术,必然是高度分散的,留给各个行业高新技术公司的创新余地很大。另外,社会上的各个应用领域是不断向前发展的,要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展,这也构成了推动嵌入式工业发展的强大动力。嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软件产品开发。4.2 嵌入式系统具有的产品特征嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的,不能独立于应用自行发展,否则便会失去市场。嵌入式系统的核心部件,嵌入式微处理器的功耗、体积、成本、处理能力和电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约,这些也是各个半导体厂商之间竞争的热点。嵌入式系统的硬件和软件设计都必须精心考虑,力争在同样的硅片面积上实现更高的性能,只有这样,才能在具体应用时对处理器的选择面前更具有竞争力。嵌入式处理器要针对用户的具体需求,对芯片配置进行裁剪和添加才能达到理想的性能。由于嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起,具有较长的生命周期。4.3 嵌入式处理器软件的特征嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键,对嵌入式处理器系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同,主要有以下几点:软件要求固态化存储;软件代码要求高质量、高可靠性;系统软件(OS)的高实时性是基本要求;多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业化标准化道路的基础,嵌入式系统开发需要开发工具和环境。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 9 页 -5 嵌入式系统的应用随着现代化技术的飞速发展,嵌入式系统已经深入到社会的各个领域,嵌入式系统的产品已应用到人们日常生活的各个角落。嵌入式系统的应用几乎无处不在:移动电话、家用电器、汽车,无不有它的踪影。嵌入控制器因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点,其应用已深入到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域,在应用数量上远远超过了各种通用计算机。在日常生活中,早已存在许多嵌入式系统的应用,如家庭中必不可少的洗衣机、电冰箱、微波炉、数字电视机等家电产品广泛采用微处理器、微控制器及嵌入式软件;在工业中,各种智能测量仪表、数控装置、工业机器人、机电一体化机械设备等广泛采用微处理器和控制器芯片级、标准总线的模板级及嵌入式计算机系统级;医疗电子设备中也广泛应用着嵌入式系统,如 X 光机、超声波诊断仪、心脏起搏器、监护仪、辅助诊断系统和专家系统等。其中,嵌入式系统最热门的应用有基于Linux 操作系统的个人数字助理(PDA),机顶盒(STB),IP 电话。6嵌入式系统的现状及发展趋势当前,嵌入式系统正处在一个飞速发展和激烈竞争的时代,近几年里这种发展和竞争达到白热化的程度。就嵌入式系统的技术和市场来说,国外发展速度极快,技术日益成熟,市场格局基本形成。在国外,嵌入式系统硬件,特别是嵌入式CPU的处理能力提升较快,由 8 位、16 位升级到 32 位,掌上电脑、PDA、智能手机、智能汽车等新产品层出不穷,产业规模日益壮大;而国内发展也增长很快,市场潜力很大,如个人数字助理(PDA)市场火爆,掌上电脑、机顶盒等产品进入市场后也获得用户的广泛好评,智能手机市场前景看好。然而，在国内,嵌入式系统关键硬件主要靠国外引进,技术基础比较薄弱。作为嵌入式系统核心的嵌入式实时操作系统是开发嵌入式应用的关键一环。目前国内相继推出了很多商业化嵌入式操作系统,大家都在努力的为自己争取着嵌入式市场的份额。国内比较成熟的实时操作系统Delta OS 等都有成熟的开发平台,已经在一些领域内取得了广泛地应用。同时,由于专用实时操作系统价格昂贵及源代码不公开,使 Linux 在嵌入式应用中占有一席之地。Linux 自身的诸多优势吸引了许多开发商的目光,成为嵌入式操作系统的新宠,它的出现无疑为国家发展嵌入式操作系统事业提供了一个极有吸引力的机会。在国内,大规模的嵌入式系统目前还非常少,今后的重点将转向基于Internet的各种嵌入式系统和信息家电领域。今后的发展趋势为:(1)嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持。随着因特网技术的成熟、带宽的提高,ICP 和 ASP 在网上提供的信息内容日趋丰富、应名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 9 页 -用项目多种多样,象电话手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌入式电子设备的功能不再单一,电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级,设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如32 位、64位 RISC 芯片或信号处理器DSP 增强处理能力;同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性,简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。(2)配备标准的一种或多种网络通信接口。为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求,面向 21 世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求,嵌入式设备必需配有通信接口,相应需要软件支持。由于家用电器相互关联的协调工作等要求,新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth 或 IrDA 通信接口,同时也需要提供相应的通信网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式,如 Web或无线 Web编程模式,还需要相应的浏览器,如 HTML、WML 等。(3)支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本精简系统内核、算法,降低功耗和软硬件成本。未来的嵌入式产品是软硬件密切结合的设备,为了降低功耗和成本,需要设计者尽量精简系统内核,只保留系统功能紧密相关的软硬件,利用最低的资源实现最适当的功能,这就要求设计者选用最佳的编程模型,不断改进算法,优化编译器性能。(4)精巧的多媒体的人机交互界面。嵌入式设备之所以为用户所接受,其重要因素就在于它们与使用者之间的亲和力,自然难得的人机交互界面。人们与信息终端交互要求以 GUI 屏幕为中心的多媒体界面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效,但它与人们日益增长的应用需求相比,还有较大的距离。由上可以看出,嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业的具体应用结合于一体的产物,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型系统。嵌入式系统的发展前景是整个行业发展的结果。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 9 页 -参考文献1李永嵌入式系统的发展现状和发展趋势J电脑知识与技术，2005：68-692马义德，刘映杰，张新国嵌入式系统的现状及发展前景J 信息技术，2001，(12)：57-593周青云，王建勋嵌入式系统的应用与发展 J 工业仪表与自动化装置，2008，(3)：16-204张营，李鹏，陈立锋等嵌入式系统发展综述J电子技术，2008：74-785刘红嵌入式系统技术发展趋势浅析J中国建设教育，2006，10(10)：51-536李佑军嵌入式系统综述 J现代电子技术，2006，(6)：90-91、987何立民嵌入式系统的定义和发展历史J单片基于嵌入式系统应用，2004：6-88林建民嵌入式操作系统技术发展趋势J计算机工程，2001，27(10)：1-4名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 9 页 -