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嵌入式软件概述嵌入式软件概述教学参考书教学参考书 钟锡昌、张倪，嵌入式软件与钟锡昌、张倪，嵌入式软件与Hopen系统，系统，北京航空航天大学出版社，北京航空航天大学出版社，2004.621.1.2 计算机技术的两大分支计算机技术的两大分支计计算算机机系系统统可可分分为为通通用用计计算算机机系系统统和和嵌嵌入入式式系系统统两两类类。它它们们二二者者是是现现代代计计算算机机技技术术发发展展的的两两个个分分支支。这这两两个个分分支支有有着着不不同同的的技技术术要要求求与与技技术发展方向。术发展方向。通通用用计计算算机机系系统统的的技技术术要要求求是是高高速速的的数数值值计计算算能能力力、海海量量的的存存储储能能力力；技技术术发发展展方方向向是是速速度度的的无无限限提提升升，存存储储容容量量的的无无限限扩扩大大。而而嵌嵌入入式式计计算算机机系系统统的的技技术术要要求求则则是是对对嵌嵌入入对对象象进进行行智智能能控控制制的的能能力力；技技术术发发展展方方向向是是与与嵌嵌入入对对象象密密切相关的性能要求与可靠性要求。切相关的性能要求与可靠性要求。9在在嵌嵌入入式式系系统统发发展展的的初初期期，它它的的影影响响力力和和应应用用面面都都远远不不如如现现在在大大，主主要要是是用用在在工工业业控控制制领领域域和和军军事事领领域域，而而且且离离普普通通人人的的日日常常生生活活很很远远。所所以以在在那那时时把把嵌嵌入入式式系系统统看看作作为为与与通通用用计计算算机机系系统统相相并并列列的的一一类类系系统统，有有人人可可能能会持有不同的意见。会持有不同的意见。10自自从从上上一一世世纪纪90年年代代中中期期以以来来，对对嵌嵌入入式式系系统统的的研研究究与与应应用用得得到到了了长长足足的的发发展展。这这时时它它已已不不再再是是仅仅和和少少数数专专业业人人员员有有联联系系，而而是是已已和和千千百百万万普普通通人人的的日日常常生生活活息息息息相相关关。上上面面所所列列举举的的手手机机、MP3播播放放器器就就都都是是经经常常不不离离我我们们左左右右的的嵌嵌入入式式系系统统。数数量量上上讲讲，嵌嵌入入式式系系统统已已经经远远大大于于通通用用计计算算机机系系统统。用用于于研研发发嵌嵌入入式式系系统统的的费费用用，嵌嵌入入式式系系统统所所创创造造的的产产值值也也都都日日益益与与通通用用计计算算机机系系统统相相接接近近。在在这这种种条条件件下下，已已经经不不会会有有人人反反对对把把嵌嵌入入式式看看作作是一类与通用计算机系统相并列的系统。是一类与通用计算机系统相并列的系统。111.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点1.系统专用性强系统专用性强2.系统实时性高系统实时性高3.硬件与软件的互相依赖性强硬件与软件的互相依赖性强4.采用专用的嵌入式采用专用的嵌入式CPU5.多种技术间结合更加紧密多种技术间结合更加紧密6.系统对用户透明系统对用户透明7.系统资源有限系统资源有限121.系统专用性强系统专用性强嵌嵌入入式式系系统统是是针针对对具具体体应应用用的的专专用用系系统统。它它的的个个性性化化很很强强，软软件件和和硬硬件件的的结结合合非非常常紧紧密密，一一般般要要针针对对硬硬件件进进行行软软件件的的开开发发或或移移植植，即即使使在在同同一一品品牌牌、同同一一系系列列的的产产品品中中，也也需需要要根根据据系系统统硬硬件件的的变变化化和和增增减减对对软软件件进进行行修修改改。对对不不同同的的任任务务，往往往往需需要要对对软软件进行较大更改。件进行较大更改。由由于于嵌嵌入入式式系系统统总总是是用用来来完完成成某某一一特特定定任任务务，整整个个系系统统与与具具体体应应用用是是有有机机地地结结合合在在一一起起的的，升升级级换换代代也也以以更更新新整整个个产产品品的的方方式式进进行行，因因此此一一个个嵌嵌入入式式系系统的产品一但进入市场，一般具有较长的生命周期。统的产品一但进入市场，一般具有较长的生命周期。132.系统实时性高系统实时性高实实时时系系统统指指对对外外来来事事件件能能在在限限定定的的时时间间内内做做出出反反应应的的系系统统。嵌嵌入入式式系系统统中中的的相相当当一一部部分分是是实实时时系系统统，高高实实时时性性是是这这些些系系统统的的基基本本要要求。求。143.硬件与软件的互相依赖性强硬件与软件的互相依赖性强嵌嵌入入式式系系统统的的专专用用性性决决定定了了它它的的硬硬件件与与软软件件的的相相互互依依赖赖性性很很强强。两两者者应应共共同同进进行行设设计计，以以求求达达到到共共同同完完成成预预定定功功能能的的目目的的，并并满满足足性能、成本和可靠性方面的要求。性能、成本和可靠性方面的要求。154.采用专用的嵌入式采用专用的嵌入式CPU嵌嵌入入式式系系统统的的CPU与与通通用用计计算算机机的的最最大大不不同同之之处处是是嵌嵌入入式式系系统统的的CPU一一般般是是为为某某一一特特定定用用户户群群专专门门设设计计的的。它它通通常常都都具具有有功功耗耗低低、体体积积小小、集集成成度度高高等等一一系系列列特特点点，能能够够把把许许多多在在通通用用计计算算机机上上由由板板卡卡完完成成任任务务集集成成在在芯芯片片内内部部，从从而而有有利利于于嵌嵌入入式式系系统统的的小小型型化化，和移动能力的增强。和移动能力的增强。165.多种技术间结合更加紧密多种技术间结合更加紧密嵌嵌入入式式系系统统是是计计算算机机技技术术、半半导导体体技技术术、电电子子技技术术、机机械械技技术术与与各各个个行行业业的的具具体体应应用用相相结结合合的的产产物物。通通用用计计算算机机系系统统虽虽然然也也离离不不开开上上述述这这些些技技术术，但但它它们们相相互互结结合合的的紧紧密密程程度度要不如嵌入式系统。要不如嵌入式系统。17 6.系统对用户透明系统对用户透明嵌嵌入入式式系系统统的的外外型型与与通通用用计计算算机机系系统统有有很很大大的的不不同同。它它的的输输入入装装置置可可能能不不是是键键盘盘、鼠鼠标标之之类类的的设设备备。有有的的嵌嵌入入式式系系统统可可能能就就没没有有用用来来输输出出的的显显示示装装置置。用用户户可可能能根根本本不不知知道道他他所所使使用用的的设设备备中中有有一一个个嵌嵌入入式式计计算算机机系系统统存存在在。即即使使知知道道他他也也不不会会去去关关心心这这个个计计算算机机系系统的设计细节，更不会、也不能去改变它。统的设计细节，更不会、也不能去改变它。187.系统资源有限系统资源有限嵌嵌入入式式系系统统为为了了达达到到结结构构紧紧凑凑，坚坚固固可可靠靠和和尽尽可可能能降降低低系系统统成成本本的的目目的的，导导致致其其存存储储容容量和量和CPU的处理速度都比较有限。的处理速度都比较有限。191.1.4 嵌入式系统的类型嵌入式系统的类型嵌入式系统的分类方法：嵌入式系统的分类方法：q按嵌入方式分类按嵌入方式分类q按嵌入程度分类按嵌入程度分类q按实时性分类按实时性分类q按系统复杂程度分类按系统复杂程度分类20按嵌入方式分类按嵌入方式分类1.整机式嵌入的嵌入式系统整机式嵌入的嵌入式系统2.部件式嵌入的嵌入式系统部件式嵌入的嵌入式系统3.芯片式嵌入的嵌入式系统芯片式嵌入的嵌入式系统211.整机式嵌入整机式嵌入整整机机式式嵌嵌入入是是将将一一个个带带有有专专用用接接口口的的计计算算机机嵌嵌入入到到一一个个系系统统中中，使使其其成成为为这这个个系系统统的的核核心心部部分分。一一般般来来说说，这这种种计计算算机机系系统统的的功功能能完完整整而而且且比比较较强强，有有较较完完善善的的人人机机界界面面和和外外部部设设备备。作作用用是是完完成成系系统统中中的的关关键键工工作作。例例如如，指指挥挥火火控控系系统统就就属属于于这这一一类。类。222.部件式嵌入部件式嵌入部部件件式式嵌嵌入入将将计计算算机机系系统统以以部部件件的的方方式式嵌嵌入入到到设设备备中中，用用以以完完成成某某一一处处理理功功能能。这这种种方方式式使使计计算算机机部部件件与与其其它它硬硬件件耦耦合合的的更更加加紧紧密密，功功能能更更专专一一。雷雷达达的的数数字字信信号号处处理部件采用的就是这种嵌入方式。理部件采用的就是这种嵌入方式。233.芯片式嵌入芯片式嵌入芯芯片片式式嵌嵌入入是是将将一一个个具具有有完完整整计计算算机机功功能能的的芯芯片片嵌嵌入入到到设设备备中中。这这种种芯芯片片上上具具有有存存储储器器和和完完整整的的输输入入/输输出出接接口口，能能完完成成专专门门的的功功能能。显显示示控控制制器器、微微波波炉炉控控制制器器等等采采用的就是这种嵌入方式。用的就是这种嵌入方式。24按嵌入程度分类按嵌入程度分类1.深度嵌入的嵌入式系统深度嵌入的嵌入式系统2.中度嵌入的嵌入式系统中度嵌入的嵌入式系统3.浅度嵌入的嵌入式系统浅度嵌入的嵌入式系统251.深度嵌入的嵌入式系统深度嵌入的嵌入式系统深度嵌入的嵌入式系统指那些不易深度嵌入的嵌入式系统指那些不易察觉其中有计算机存在的系统。这察觉其中有计算机存在的系统。这种系统对于资源和性能有严格的要种系统对于资源和性能有严格的要求。求。262.中度嵌入的嵌入式系统中度嵌入的嵌入式系统中中度度嵌嵌入入的的嵌嵌入入式式系系统统在在形形态态上上与与通通用用计计算算机机已已没没有有共共同同之之处处，没没有有与与键键盘盘和和鼠鼠标标相相等等价价的的输输入入装装置置，也也没没有有与与显显示示器器相相类类似似的的显显示示装装置置，但但嵌嵌入入式式系系统统的的使使用用者者可可以以明明显显地地感感觉觉到到设设备备中中有有起起控控制制作作用用的的计计算算机部件。机部件。273.浅度嵌入的嵌入式系统浅度嵌入的嵌入式系统浅浅度度嵌嵌入入的的嵌嵌入入式式系系统统与与通通用用计计算算机机有有很很多多的的类类似似之之处处。其其外外表表也也很很像像一一台台“计计算算机机”。在在系系统统之之中中一一般般有有类类似似于于键键盘盘和和鼠鼠标标的的输输入入装装置置，和和类类似似于于显显示示屏屏幕幕的的输输出出装装置置。浅浅度度嵌嵌入入的的系系统统一一般般具具有有一一定定的的通通用用性性。PDA就就是是一一种种典典型型的的浅浅度度嵌嵌入入的的嵌嵌入式系统。入式系统。28按是否为实时系统分类按是否为实时系统分类1.实时嵌入式系统实时嵌入式系统2.非实时嵌入式系统非实时嵌入式系统291.实时嵌入式系统实时嵌入式系统实实时时嵌嵌入入式式系系统统指指那那些些产产生生系系统统输输出出的的时时间间对对于于系系统统来来说说至至关关重重要要的的嵌嵌入入式式系系统统。这这种种系系统统对对输输入入的的处处理理必必须须在在时时间间上上与与输输入入相相同同步步，即即必必须须能能对对输输入入事事件件在在限限定定的的时时间间内内做做出出反反应应。对对于于实实时时嵌嵌入入式式系系统统来来说说，如如果果在在一一定定的的时时间间之之内内未未能能对对某某个个输输入入及及时时地地予予以以处理，就会导致系统失效，甚至全面崩溃。处理，就会导致系统失效，甚至全面崩溃。302.非实时嵌入式系统非实时嵌入式系统非非实实时时的的嵌嵌入入式式系系统统对对输输入入事事件件是是否否能能在在限限定定的的时时间间内内予予以以处处理理要要求求不不是是非非常常严格，甚至根本没有要求。严格，甚至根本没有要求。31按复杂程度分类按复杂程度分类1.单微处理器嵌入式系统单微处理器嵌入式系统2.组件式嵌入式系统组件式嵌入式系统3.分布式嵌入式系统分布式嵌入式系统321.单微处理器嵌入式系统单微处理器嵌入式系统单单微微处处理理器器嵌嵌入入式式系系统统的的规规模模一一般般很很小小。它它所所控控制制的的对对象象比比较较简简单单。控控制制这这些些对对象象既既不不需需要要很很强强的的处处理理能能力力，也也不不需需要要复复杂杂的的算算法法，因因此此控控制制部部件件可可以以采采用用较较低低档档的的处处理理器器和和较较少少的的存存储储器器，价价格格也也比较低廉。比较低廉。332.组件式嵌入式系统组件式嵌入式系统组组件件式式嵌嵌入入式式系系统统一一般般是是一一个个组组成成规规模模很很大大的的系系统统。在在这这个个系系统统中中起起控控制制作作用用的的计计算算机机装装置置是是整整个个系系统统的的一一个个局局部部组组件件。它它输输入入系系统统的的传传感感器器收收集集到到的的数数据据，并并进进行行处处理理，然然后后输输出出用用于于对对系系统统进进行行控控制制的的信信号号，或或将将输输出出传传递递给给系系统统的的操操作作人人员员。在在组组件件式式嵌嵌入入式式系系统统中中，计计算算机机装装置置处处理理能能力力一一般般比比较较强强，而而且且还还经经常常用用到到一一些些比比较较复复杂杂的的控控制制算算法法和和数数据据库库等等一一些些功功能能很很强强的的支支撑撑软软件件。电电话话交交换换机机、电电梯梯、数数据据采采集集系系统统、医医疗疗监监视视系系统统就就都都属属于于组组件件式式嵌嵌入入式式系统。系统。343.分布式嵌入式系统分布式嵌入式系统分分布布式式嵌嵌入入式式系系统统由由多多个个各各自自都都具具有有处处理理能能力力的的设设备备所所组组成成。各各设设备备上上的的处处理理器器用用通通信信线线路路连连接接起起来来。连连接接的的方方式式可可以以是是通通过过高高速速线线路路所所构构成成的的紧紧耦耦合合型型，也也可可以以是是通通过过低低速速线线路路所所构构成成的的松松耦耦合合型型。例例如如，自动仓储系统就是一种分布式嵌入式系统。自动仓储系统就是一种分布式嵌入式系统。351.1.5 嵌入式系统的处理器嵌入式系统的处理器1.嵌入式微处理器嵌入式微处理器2.嵌入式微控制器嵌入式微控制器3.嵌入式嵌入式DSP处理器处理器4.嵌入式片上系统嵌入式片上系统361.嵌入式微处理器嵌入式微处理器嵌嵌入入式式微微处处理理器器（Embedded Micro Processor Unit，EMPU）由由通通用用计计算算机机中中的的CPU演演变变而而来来，但但与与通通用用计计算算机机所所不不同同的的是是，嵌嵌入入式式微微处处理理器器是是装装配配在在专专门门设设计计的的电电路路板板上上，这这种种电电路路板板只只保保留留了了和和嵌嵌入入式式应应用用有有关关的的功功能能，而而去去掉掉了了那那些些不不必必要要的的部部分分，这这样样可可以以大大幅幅度缩小系统的体积和功耗。度缩小系统的体积和功耗。37嵌嵌入入式式微微处处理理器器虽虽然然在在功功能能上上和和普普通通的的微微处处理理器器基基本本是是一一样样的的，但但它它有有体体积积小小、功功耗耗低低、重重量量轻轻、成成本本低低、可可靠靠性性高高的的优优点点。嵌嵌入入式式微微处处理理器器和和ROM、RAM、总总线线接接口口、外外设设接接口等部件是安装在一块电路板上。口等部件是安装在一块电路板上。目目前前，嵌嵌入入式式微微处处理理器器主主要要有有386EX、SC-400、POWER PC、68000、MIPS、ARM等等系列。系列。382.嵌入式微控制器嵌入式微控制器嵌嵌入入式式微微控控制制器器（Embedded Micro Controller Unit，EMCU）又又称称单单片片机机，顾顾名名思思义义，就就是是将将整整个个计计算算机机系系统统集集成成到到一一块块芯芯片片中中。嵌嵌入入式式微微控控制制器器一一般般以以某某一一种种微微处处理理器器内内核核为为核核心心、芯芯片片内内部部集集成成有有ROM/EPROM、RAM、总总线线逻逻辑辑、定定时时/计计数数器器、Watch-Dog、串串行行口口、A/D、D/A、Flash存存储储器器、EEPROM等等各各种种必必要要功功能能和和外外设设。为为适适应应不不同同的的应应用用需需求求，一一个个系系列列的的单单片片机机一一般般都都具具有有多多个个衍衍生生产产品品。每每个个衍衍生生产产品品的的内内核核都都是是一一样样的的，不不同同的的是是存存储储器器和和外外设设的的配配置置及及封封装装。这这样样可可以以使使单单片片机机最最大大限限度度地地和和应应用用需需求求相相匹匹配配，功功能能不不多多不不少少，从从而而减减少功耗和成本。少功耗和成本。39和和嵌嵌入入式式微微处处理理器器相相比比，嵌嵌入入式式微微控控制制器器的的最最大大特特点点是是单单片片化化，从从而而使使体体积积减减小小，功功耗耗和和成成本本下下降降，可可靠靠性性提提高高。微微控控制制器器是是目目前前在在嵌嵌入入式式系系统统中中使使用用最最多多的的处处理理器器。它它上上面面外外设设资资源源一一般般比比较较丰丰富富，适适合合用用于于控控制制方方面面，因因此称为微控制器。此称为微控制器。目目前前，嵌嵌入入式式微微控控制制器器的的品品种种和和数数量量非非常常多多，约约占占嵌嵌入入式式系系统统70的的市市场场份份额额。比比较较有有代代表表性性的的通通用用系系列列包包括括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、MC68HC05/11/12/16、68300、C166/167等等。另另外外还还有有许许多多半半通通用用的的系系列列。例例如如，用用于于支支持持USB接接口口的的MCU 8XC930/931、C540、C541，及及其其用用于于支支持持I2C、现现场场总线、总线、LCD的各种微控制器。的各种微控制器。403.嵌入式嵌入式DSP处理器处理器嵌嵌 入入 式式 DSP处处 理理 器器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）是是一一种种专专门门用用于于信信号号处处理理的的处处理理器器。这这种种处处理理器器对对系系统统结结构构和和指指令令进进行行了了特特殊殊设设计计，使使得得它它更更适适合合于于执执行行DSP算算法法，编编译译的的效效率率和和指指令令执执行行的的速速度度也也较较高高。DSP算算法法的的理理论论在在20世世纪纪70年年代代就就已已基基本本成成熟熟，但但由由于于那那时时专专门门的的DSP处处理理器器还还未未出出现现，所所以以只只能能在在通通用用的的微微处处理理器器上上实实现现DSP算算法法，因因而而效效率率很很低低。1982年年世世界界上上诞诞生生了了第第一一枚枚DSP处处理理器器。在在信信号号处处理理方方面面，它它的的运运算算数数度度比比一一般般的的处处理理器器快快了了几几十十倍倍。目目前前DSP处处理理器器在在嵌嵌入入式式系系统统中中应应用用的的已已很很广广泛泛。例例如如，数数字字滤滤波波、快快速速傅傅立叶变换（立叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）等。）等。41嵌嵌入入式式DSP处处理理器器有有两两个个发发展展来来源源：一一是是对对DSP处处理理器器进进行行单单片片化化，增增加加片片上上外外设设，使使之之成成为为嵌嵌入入式式DSP处处理理器器。TI的的TMS320C2000/C5000等等属属于于此此类类。二二是是在在通通用用单单片片机机或或SOC上上增增加加DSP协协处处理理器器，使使之之成成为为嵌嵌入入式式DSP处处理理器器。Intel的的MCS-296和和西西门门子子的的TriCore则则属属于于这这一一类类。嵌嵌入入式式系系统统的的智智能能化化也也是是推推动动嵌嵌入入式式DSP处处理理器器发发展展的的一一个个原原因因。例例如如，各各种种带带有有智智能能逻逻辑辑的的消消费费类类产产品品、生生物物信信息息识识别别终终端端、带带有有加加解解密密算算法法的的键键盘盘、ADSL接接入入器器、实实时时语语音音压压缩缩和和解解压压系系统统、虚虚拟拟现现实实显显示示装装置置等等就就都都是是有有不不同同程程度度智智能能的的嵌嵌入入式式系系统统。这这类类系系统统上上的的智智能能化化算算法法一一般般都都运运算算量量较较大大，而而且且向向量量运运算算较较多多，这这些恰好是些恰好是DSP处理器的长处所在。处理器的长处所在。42嵌嵌 入入 式式 DSP处处 理理 器器 的的 代代 表表 性性 产产 品品 是是 Texas Instruments公公司司的的TMS320系系列列和和摩摩托托罗罗拉拉公公司司的的DSP56000系系列列。TMS320系系列列又又分分为为若若干干个个子子系系列列，包包括括C2000系系列列，用用于于移移动动通通信信设设备备的的C5000系系列列，以以及及性性能能更更高高的的C6000和和C8000系系列列。DSP56000系系列列 则则 分分 为为 DSP56000、DSP56100、DSP56200和和DSP56300等几个不同的子系列。等几个不同的子系列。434.嵌入式片上系统嵌入式片上系统嵌嵌入入式式片片上上系系统统（Embedded System On Chip，ESOC）是是一一种种在在一一块块硅硅片片上上就就实实现现一一个个很很复复杂杂系系统统的的芯芯片片。在在嵌嵌入入式式片片上上系系统统中中集集成成了了许许多多功功能能模模块块，比比如如说说集集成成了了微微处处理理器器核核心心和和USB、TCP/IP、GPRS、GSM、IEEE 1394、蓝蓝牙牙等等通通信信接接口口单单元元。以以往往这这些些单单元元都都是是依依照照各各单单元元的的功功能能做做成成一一个个个个独独立立的的处处理理芯芯片片，比比如如说说一一个个带带蓝蓝牙牙接接口口的的系系统统，就就是是将将蓝蓝牙牙接接口口芯芯片片和和嵌嵌入入式式微微处处理理器器做做在在一一个个电电路路板板上上。这这种种方方法法会会耗耗费费许许多多的的电电路路空空间间，而而且且经经济济成成本本也也比比较较高高。若若是是将将嵌嵌入入式式微微处处理理器器与与蓝蓝牙牙通通信信接接口口单单元元做做在在同同一一个个芯芯片片之之中中，构构成成一一个个嵌嵌入入式式片片上上系系统统，就就会会大大幅幅度度地地缩缩小小整整个个系系统统所所占占的的体体积积和和降降低低系系统统的的复复杂杂度度。在在大大量量生生产产的的情情况况之之下下，生生产产成成本本也也会会远远低低于于原原本本需需要要使使用用几几个芯片组成的电路系统。个芯片组成的电路系统。44嵌嵌入入式式片片上上系系统统可可以以分分为为通通用用和和专专用用两两类类。通通用用类类的的主主要要产产品品有有摩摩托托罗罗拉拉的的M-Core、某某些些ARM系系列列的的器器件件等等。专专用用类类的的嵌嵌入入式式片片上上系系统统一一般般是是针针对对于于某某个个或或某某类类系系统统而而设设计计，不不为为一一般般用用户户所所知知，一一个个有有代代表表性性的的产产品品是是飞飞利利浦浦的的Smart XA。它它将将XA单单片片机机的的内内核核和和支支持持RSA算算法法的的单单元元制制作作在在一一块块硅硅片片上上，形形成成一一个个可可加加载载Java或或C语语言言的的专专用用的的嵌入式片上系统，可用于网络安全等方面。嵌入式片上系统，可用于网络安全等方面。451.2 嵌入式软件的概念与特点嵌入式软件的概念与特点嵌嵌入入式式软软件件指指运运行行于于嵌嵌入入式式计计算算机机系系统统之之上上的的软软件件。在在嵌嵌入入式式系系统统发发展展的的初初期期，它它的的种种类类很很少少，规规模模也也很很小小，基基本本上上是是硬硬件件的的附附属属品品。随随着着嵌嵌入入式式系系统统的的应应用用的的发发展展，特特别别是是随随着着后后PC时时代代的的到到来来，嵌嵌入入式式软软件件的的种种类类和和规规模模都都得得到到了了极极大大的的发发展展，形形成成了一个完整独立的软件体系。了一个完整独立的软件体系。46嵌入式软件的特点嵌入式软件的特点1.系统精简系统精简2.标准化程度相对较低标准化程度相对较低3.开发工作难度大开发工作难度大4.实时性强实时性强5.软件开发与硬件开发往往同步进行软件开发与硬件开发往往同步进行6.要求固化存储要求固化存储7.可靠性要求更高可靠性要求更高471.系统精简系统精简由由于于嵌嵌入入式式系系统统的的资资源源一一般般比比较较有有限限，所所以以嵌嵌入入式式软软件件必必须须尽尽可可能能的的精精简简才才能能适适应应这这种种状状况况。另另一一方方面面，由由于于嵌嵌入入式式系系统统的的功功能能比比较较专专一一，不不需需要要考考虑虑很很多多通通用用性性的的功功能能，所所以以也也为为系系统统的的简简化化提提供供了了必必要要的的条条件件。系系统统精精简简不不但但使使嵌嵌入入式式软软件件可可以以在在资资源源有有限限的的硬硬件件环环境境中中运运行行，同同时时也也有有利利于于控控制制系系统统成成本本，和和提提高高系系统统的的安安全全性性。例例如如，ENEA公公司司的的OSE操操作作系系统统的的内内核核只只有有5KB，这这比比而而MS Windows系统的内核的尺寸要小得多。系统的内核的尺寸要小得多。482.标准化程度相对较低标准化程度相对较低来来自自多多方方面面的的原原因因使使嵌嵌入入式式软软件件的的标标准准化化工工作作相相对对比比较较滞滞后后，对对应应用用造造成成了了一一定定的的影影响响。例例如如，现现场场总总线线就就需需要要，而而恰恰恰恰没没有有一一个个统统一一的的标准规范。标准规范。493.开发工作难度大开发工作难度大嵌嵌入入式式系系统统的的特特点点使使得得其其软软件件受受到到时时间间和和空空间间的的严严格格限限制制，加加上上运运行行环环境境复复杂杂，使使得得嵌嵌入入式式软软件件的的开开发发变变得得很很困困难难。为为了了设设计计一一个个满满足足一一定定功功能能要要求求的的代代码码，并并把把它它写写进进给给定定数数量量、位位置置的的ROM中中并并不不是是一一件件简简单单的的事事情情。这这需需要要软软件件开开发发人人员员了了解解专专门门的的设设计计方方法法，还需要在专门的开发平台上进行交叉开发。还需要在专门的开发平台上进行交叉开发。对对于于嵌嵌入入式式软软件件来来说说，开开发发环环境境与与运运行行环环境境是是不不相相同同的的。嵌嵌入入式式软软件件要要在在目目标标系系统统上上运运行行，但但在在目目标标系系统统上上不不能能进进行行开开发发工工作作。开开发发工工作作要要在在开开发发系系统统上上进进行行。将将应应用用程程序序调调试试无无误误后后才才能能放放到到目目标标系系统统上上面面去去运运行行。这显然是一件繁琐的事情。这显然是一件繁琐的事情。504.实时性强实时性强实实时时性性是是嵌嵌入入式式系系统统的的一一个个重重要要特特征征。嵌嵌入入式式系系统统上上的的相相当当一一部部分分应应用用都都要要求求系系统统具具有有实实时时处处理理的的能能力力。对对这这些些应应用用来来说说，这这种种实实时时性性的的主主要要是是靠靠软软件件层层来来体体现现的的。软软件件对对外外部部事事件件的的反反应应必必须须是是快快速速的的、确确定定的的、可可重重复复实实现现的的，不不管管系系统统当当时时的的内内部部状状态态如如何何都都是是可可以以预预测测的的。同同时时对对于于事事件件的的处处理理一一定定要要在在限限定定的的时时间间期期限限之之前前完完成成，否否则则将将可可能能引引起系统崩溃。起系统崩溃。515.软件开发与硬件开发往往同步进行软件开发与硬件开发往往同步进行与与通通用用计计算算机机系系统统相相比比，嵌嵌入入式式软软件件与与硬硬件件之之间间的的关关系系更更加加密密切切，硬硬件件的的变变化化往往往往对对操操作作系系统统有有非非常常大大的的影影响响，而而且且这这种种影影响响还还会会传传递递到到应应用用程程序序层层面面，所所以以对对一一些些嵌嵌入入式式系系统统来来说说，软软件件开开发发如如果果能能与与硬硬件件开开发发同同步步进进行，则非常有利于提高整个系统的效率。行，则非常有利于提高整个系统的效率。526.要求固化存储要求固化存储嵌嵌入入式式系系统统的的性性质质决决定定了了它它上上面面没没有有在在通通用用计计算算机机系系统统中中最最常常见见不不过过的的磁磁盘盘存存储储设设备备。而而且且必必须须能能够够快快速速启启动动这这一一要要求求也也不不允允许许程程序序在在运运行行前前从从磁磁盘盘上上加加载载。所所以以，嵌嵌入入式式系系统统的的程程序序一一般般都都放放在在只只读读存存储储器器中中，并并可可以以在在这这个个存存储储器器中中直直接接执执行行。所所以以程程序序是是绝绝对对定定位位、可可重重入入的的。除除此此之之外外应应用用程程序序应应采采用用特特殊殊的的容容错错和和出出错错处处理理措措施施，使使之之具具有有故故障障诊诊断断和和修修复复能能力力，可可在在死死机机之之前前自自动动保保存存和和恢复先前的运行状态。恢复先前的运行状态。537.可靠性要求更高可靠性要求更高在在嵌嵌入入式式系系统统中中，软软件件是是固固化化在在硬硬件件系系统统上上，和和硬硬件件一一起起作作为为一一个个整整体体推推向向市市场场的的。软软件件一一旦旦出出现现问问题题，维维护护起起来来就就比比较较麻麻烦烦。另另外外，有有相相当当一一部部分分嵌嵌入入式式软软件件是是用用在在实实时时控控制制领领域域，负负责责控控制制着着相相当当重重要要的的对对象象，如如电电站站，航航天天飞飞行行器器等等。软软件件如如果果出出现现问问题题，造造成成的的后后果果将将非非常常严严重重。所所以以要要求求嵌嵌入入式式软软件件的的可可靠性必须非常高才行。靠性必须非常高才行。541.3 嵌入式软件的组成嵌入式软件的组成在在嵌嵌入入式式系系统统发发展展的的早早期期，其其软软件件十十分分简简单单，常常常常是是应应用用软软件件直直接接建建立立在在硬硬件件之之上上。一一些些系系统统虽虽然然有有操操作作系系统统，但但操操作作系系统统和和应应用用软软件件之之间间的的界界线线比比较较模模糊糊，两两者者往往往往是是一一体体的的。随随着着嵌嵌入入式式技技术术的的发发展展，特特别别是是进进入入后后PC时时代代后后，嵌嵌入入式式系系统统上上的的软软件件得得到到了了极极大大的的丰丰富富，形形成成了了一一个个完完整整的的软软件体系。件体系。55嵌入式软件的组成嵌入式软件的组成561.操作系统操作系统嵌嵌入入式式操操作作系系统统由由操操作作系系统统内内核核、核核外外服服务务、应应用用程程序序接接口口（API）、硬硬件件抽抽象象层层等等几几部部分分所所组组成成。嵌嵌入入式式操操作作系系统统一一般般都都采采用用微微内内核核结结构构，操操作作系系统统内内核核只只负负责责完完成成任任务务调调度度、任任务务通通讯讯、内内存存分分配配、中中断断管管理理等等一一些些最最基基本本的的功功能能，而而将将大大部部分分的的功能都放在了内核之外。功能都放在了内核之外。572.支撑软件支撑软件嵌嵌入入式式软软件件上上的的支支撑撑软软件件由由窗窗口口系系统统、网网络络系系统统、数数据据库库管管理理系系统统、Java虚虚拟拟机机等等几几个个部部分分所所组组成成。另另外外，对对于于嵌嵌入入式式系系统统来来说说，软软件件开开发发环环境境虽虽然然大大部部分分运运行行在在台台式式机机上上，但但从从逻逻辑辑上上讲讲它它仍仍然然应应当当被被认认为为是是支支撑撑软软件件的的一一部部分分。由由于于嵌嵌入入式式系系统统的的硬硬件件配配置置一一般般都都比比较较低低，在在它它上上面面开开发发应应用用软软件件是是几几乎乎不不可可能能的的。为为解解决决这这一一问问题题，很很多多的的厂厂商商都都陆陆续续推推出出了了自自己己的的软软件件开开发发环环境境。这这种种软软件件开开发发环环境境对对应应用用软软件件的的推推广广起起到到了了极极为为重重要要的的作作用用，它它使使更更多多的的人人加加入入到到了了嵌嵌入入式式应应用用软软件件开开发发者者的的行行列列中中。提提高高了开发工作的效率，也降低了成本。了开发工作的效率，也降低了成本。58嵌嵌入入式式系系统统的的支支撑撑软软件件近近年年来来发发展展非非常常之之快快。几几年年前前它它还还是是一一个个很很薄薄弱弱的的部部分分。但但现现在在支支持持窗窗口口界界面面、网网络络连连接接和和Java虚虚拟拟机机的的嵌嵌入入式式系系统统已已经经很很常常见见。不不过过总总的的来来说说，在在嵌嵌入入式式系系统统中中支支撑撑软软件件的的某某些些部部分分还还是是一一个个“奢奢侈侈”的的物物品品。对对一一些些深深度度嵌嵌入入的的嵌嵌入入式式系系统统，例例如如，汽汽车车上上的的ABS系系统统、安安全全气气囊囊系系统统，是是不不需需要要窗窗口口和和数数据据库库等等支支撑撑软软件件的的。这这类类支支撑撑软软件件主主要要是是用用在在一一些些浅浅度度嵌嵌入入的的嵌嵌入入式式系系统统中中，如如智智能能手手机机、个个人人数数字字助助理理（PDA）等等。对对于于这这些些嵌嵌入入式系统，支撑软件已成为了不可缺少的部分。式系统，支撑软件已成为了不可缺少的部分。593.应用软件应用软件嵌嵌入入式式系系统统中中的的应应用用软软件件是是整整个个系系统统功功能能的的体体现现。系系统统的的能能力力总总是是通通过过应应用用软软件件表表现现出出来来的的。一一个个嵌嵌入入式式系系统统可可简简单单的的没没有有支支撑撑软软件件，甚甚至至没没有有操操作作系系统统，但但却却不不能能没没有有应应用用软软件件，否否则则它它就就不不能能成成为为一一个个系系统。统。60从从范范围围上上讲讲，嵌嵌入入式式系系统统上上的的应应用用软软件件涉涉及及到到了了工工业业控控制制、家家电电、商商业业、金金融融、交交通通运运输输、通通讯讯、建建筑筑、环环境境监监测测、医医疗疗、军军事事、安安全全防防御御、办办公公等等相相当当多多的的领领域域。从从与与用用户户的的交交互互方方式式上上讲讲，有有使使用用方方式式与与台台式式机机基基本本相相似似的的应应用用软软件件，也也有有由由于于嵌嵌入入的的很很深深，使使得得使使用用者者感感知知不不到到其其存存在在的的应应用用软软件件。从从实实现现的的方方法法上上讲讲，有有在在操操作作系系统统和和支支撑撑软软件件上上开开发发的的应应用用软软件件，也也有有直直接接在在硬硬件件上上开开发发的的应应用用软软件件。有有基基于于C语语言言的的应应用用软软件件、基基于于汇汇编编语语言言的的应应用用软软件件，也有基于也有基于Java语言的应用软件。语言的应用软件。611.4 嵌入式软件的发展历程嵌入式软件的发展历程按按照照嵌嵌入入式式软软件件的的发发展展水水平平，可可将将其其分分为为三个阶段：三个阶段：1.基于应用程序阶段基于应用程序阶段2.基于操作系统阶段基于操作系统阶段3.基于支撑环境阶段基于支撑环境阶段621.基于应用程序阶段基于应用程序阶段基基于于应应用用程程序序阶阶段段是是嵌嵌入入式式软软件件发发展展的的最最初初阶阶段段。这这个个阶阶段段始始于于20世世纪纪70年年代代初初，基基本本上上与与世世界界上上第第一一个个微微处处理理器器Intel 4004的的问问世世相相同同步步。在在基基于于应应用用程程序序阶阶段段，嵌嵌入入式式系系统统的的硬硬件件之之上上没没有有操操作作系系统统，仅仅有有很很少少一一些些用用于于控控制制键键盘盘等等输输入入输输出出装装置置的的监监控控程程序序，应应用用软软件件直直接接建建立立在在硬硬件件之之上上。从从开开发发的的角角度度讲讲，也也没没有有功功能能比比较较齐齐全全的的嵌嵌入入式式软软件件开开发发环环境境，一一般般只只有有交交叉叉编编译译等等一一些些最最基基本本的工具。的工具。63造造成成这这种种情情况况的的原原因因主主要要有有以以下下几几条条：其其一一是是这这时时嵌嵌入入式式系系统统还还处处在在其其发发展展的的初初期期。规规模模小小、功功能能不不完完备备是是比比较较自自然然的的现现象象。其其二二是是这这时时嵌嵌入入式式系系统统的的硬硬件件资资源源都都比比较较有有限限。比比如如内内存存的的容容量量一一般般只只有有几几K。CPU的的时时钟钟频频率率一一般般在在4M以以下下，字字长长一一般般是是8位位和和4位位，甚甚至至是是1位位。如如果果系系统统程程序序很很多多，要要占占用用很很多多硬硬件件资资源源，是是当当时时的的条条件件所所不不许许可可的的。其其三三是是当当时时嵌嵌入入式式系系统统的的应应用用范范围围也也比比较较有有限限，比比较较多多的的是是用用在在控控制制领领域域。对对是是否否有有操操作作系统提供支持需求还不是十分强烈。系统提供支持