嵌入式应用技术系统研究﹎.pdf

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1、嵌入式应用技术系统研究 电子 0701 汪蕾20074720 指导老师张海涛 论文摘要： 嵌入式技术无处不在，ARM 几乎成为嵌入式技术的代名词。基于嵌入式系统的概念， 阐述嵌入式系统的关键技术、嵌入式开发以及广泛的应用。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。它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。 关键字：嵌入式系统、嵌入式处理器、ARM 、应用 1 嵌入式系统的定义与特点 (1) 嵌入式系统的定

2、义 按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入式系统应定义为：“嵌入到对象体系中的专 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。 (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。与“嵌入 性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境要求。与“专 用性”的相关特点：软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬件配置等。 2 嵌入式处理器 （1）嵌入式处理器可以分为三类：嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP （Digital Signal Processor ） 、嵌入式片上系统。 嵌入

3、式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的CPU。在应用中，一般是将 微处理器装配在专门设计的电路板上，在母板上只保留和嵌入式相关的功能即可，这样 可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。目前的嵌入式处理器主要包括：PowerPC、 Motorola 68000 、 ARM 系列等等。 （2）嵌入式处理器的特点： 1）对实习任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间， 从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化， 而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能， 同时也

4、有利于软件诊断。 3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微 处理器。 4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备 中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW 甚至 W 级。 （3）嵌入式处理器的选型问题 嵌入式微处理器的选型原则：调查市场上已有的CPU 供应商、CPU 的处理速度、技 术指标、处理器的低功耗、处理器的软件支持工具、处理器是否内置调试工具、处理器供 应商是否提供评估板。 选择一个嵌入式系统运行所需要的微处理器，在很多时候运算速度并不是最重要的考虑 内容，有时候也必须考虑微处理器制造厂商对于该微处理器的支持态

5、度，有些嵌入式系统产 品一用就是几十年，如果过了五六年之后需要维修，却已经找不到该种微处理器的话，势必 全部产品都要淘汰，所以许多专门生产嵌入式系统微处理器的厂商，都会为嵌入式系统的微 处理器留下足够的库存或是生产线，即使过好几年之后还可以找到相同型号的微处理器或者 完全兼容的替代品。 目前来说 ,用 ARM 芯片的人相对比较多,所以学习 ARM 的也多 ,从而出现了现在ARM11 S3C6410 才一出来就被很多商家选择. 在这个基础上又做很多开发和扩展,实现的功能也越 来越多 .如重庆海特克S3C6410 开发板在S3C6410X_667 芯片上实现800M 主频 . 3 嵌入式系统的应用

6、领域 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ADC 、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。因此， 可以把定义中的专用计算机系统引伸成，满足对象系 统要求的计算机应用系统。 (1)工业控制领域：作为32 位的 RISC 架构，基于ARM 核的微控制器芯片不但占据了 高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM 控 制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位/16 位微控

7、制器提出了挑战。 (2)无线通讯领域：目前已有超过85的无线通讯设备采用了ARM 技术， ARM 以其高 性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 (3)网络应用：随着宽带技术的推广，采用ARM 技术的ADSL 芯片正逐步获得竞争优 势。此外， ARM 在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持，也对DSP 的应用领域 提出了挑战。 (4)消费类电子产品：ARM 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中 得到广泛应用。 (5)成像和安全产品： 现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM 技术。 手机中 的 32 位 SIM 智能卡也采用了ARM 技术。 除此以外， ARM 微处

8、理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广泛 的应用。 家电行业是嵌入式应用的一大领域，我们传统的电视，电冰箱当然其中也嵌有处理器， 但是这些处理器只是在控制方面应用。而现在只有按钮、 开关的电器显然已经不能满足人们 的日常需求，具有用户界面，能远程控制，智能管理的电器是未来的发展趋势。据IDG 发 布的统计数据表明，未来信息家电将会成长五至十倍。中国的传统家电厂商向信息家电过渡 时，首先面临的挑战是核心操作系统软件开发工作。硬件方面， 进行智能信息控制并不是很 高的要求， 目前绝大多数嵌入式处理器都可以满足硬件要求，真正的难点是如何使软件操作 系统容量小、稳定性高且易于开发。Li

9、nux 核心可以起到很好的桥梁作用，作为一个跨平台 的操作系统，它可以支持二三十种CPU ，而目前已有众多家电业的芯片都开始做Linux 的 平台移植工作。1999 年就登录中国的微软“ 维纳斯 ” 计划给了国人一个数字家庭的概念，引 导各大家电厂商纷纷投入到这场革命中来，虽然最终未能获得成功，却使信息家电深入人心。 如今各大厂商仍然在努力推出适用于新一代家电应用的芯片，英特尔公司已专为信息家电业 研发了名为StrongARM 的 ARM CPU 系列，这一系列CPU 本身不象 X86CPU 需要整合不同 的芯片组， 它在一颗芯片中可以包括你所需要的各项功能，即硬件系统实现了SOC 的概念。

10、美商网虎公司已将全球最小的嵌入式操作系统 QUARK成功移植到StrongARM系列芯 片上，这是第一次把Linux 、 图形界面和一些程序进行完整移植（QUARK 的内核只有143K） ， 它将为信息家电提供功能强大的核心操作系统。相信在不久的将来，数字智能家庭必将来到 我们身边。 4 嵌入式系统发展现状 嵌入式产品应用的需求日益增长，2003 年我国嵌入式系统应用产品经济总量达1000 亿 元，其中嵌入式处理器芯片约为100 亿。 2003 年我国嵌入式微处理器销售总量约为10.2 亿 片， 4 位 MCU 占 2.6 亿片、 8 位约占 6.6 亿片， 32 位 MPU 占 0.75 亿

11、片。另外，据有关机构 预测分析， 今年中国大陆市场8 位 MCU 的需求量会增长15%-20%左右； 32 位 MPU 的需求 量继续以100%的速度增长。 由此可以看出，8 位 MCU 市场已逐步趋向稳定，32 位 MPU 代表着嵌入式技术的发展 方向，正在加速发长。在32 位嵌入式微处理器市场上，基于ARM 内核的微处理器在市场 上处于绝对的领导地位，因此追踪ARM 技术的发展趋势，学习SOC 的系统构建显得尤为 重要。 ARM 技术的发展趋势表现在：高度集成化的SOC 趋势、软核与硬核同步发展的 SOPC 技术、与DSP 技术融合、开发和调试手段不断完善、软件工程师思想融入嵌入 式软件。

12、 市场需求为嵌入式系统产业化发展注入巨大推动力。嵌入式系统的市场是巨大 的，市场需求是嵌入式系统产业化发展的巨大推动力。据报告，10% 20% 的计算机 芯片是为台式或便携式电脑设计的，80% 90% 的计算机芯片是为嵌入式设备设计 的，这意味着每年有10 亿至 20 亿个 CPU 是为嵌入式设备设计制造的。2003 年，全 球嵌入式系统产品的产值已达2000 亿美元，估计全世界嵌入式系统产品潜在的市场 将超过10 000 亿美元。世界范围内嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1 万亿美 元。 5 嵌入式系统的发展趋势 信息时代，数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机，为嵌入式市场展现 了美

13、好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战，从中我们可以看出未来嵌 入式系统的几大发展趋势： 1）嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软 硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。 目前很多厂商已经充分考虑到这一点，在主推系统的同时，将开发环境也作为重 点推广。比如三星在推广Arm7 ，Arm9芯片的同时还提供开发板和版及支持包（BS P），而WindowCE在主推系统时也提供Embedded VC 作为开发工具，还有V xworks的 Tonado开发环境，DeltaOS的 Limda编译环境等等都是这一趋势的典型 体现。当然，这也是市场竞争

14、的结果。 2）网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高，使得 以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂。 这就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能，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D SP 增强处理能力，同时增加功能接口，如USB ，扩展总线类型，如CAN BUS ，加 强对多媒体、图形等的处理，逐步实施片上系统（SOC ）的概念。软件方面采用实时 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。如HP 3）网络

15、互联成为必然趋势。 未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网络通信 接口。传统的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络 接口，除了支持TCP IP 协议，还有的支持IEEE1394、 USB 、 CAN 、 Bluetooth或 IrDA 通信接口中的一种或者几种，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层 驱动软件。软件方面系统系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入Web 浏览 器，真正实现随时随地用各种设备上网。 4）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紧密结合的设备，为了减低功耗和成本，需要设计者 尽量

16、精简系统内核，只保留和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和不断改进算法，优化编译器性能。 因此，既要软件人员有丰富的硬件知识，又需要发展先进嵌入式软件技术，如Java 、 Web 和 WAP 等。 5）提供友好的多媒体人机界面 嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户 界面。图像界面，灵活的控制方式，使得人们感觉嵌入式设备就象是一个熟悉的老朋 友。这方面的要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面，多媒体技术上痛下苦功。手 写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使使用者获得自 由的感受。目前一些

17、先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布， 但一般的嵌入式设备距离这个要求还有很长的路要走。 6 结语 随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，嵌入式系统将会不断的变 化和进步， 嵌入式系统的应用领域会再次扩大，嵌入式系统带来的工业产值将会剧增， 嵌入式系统产品的市场前景更加美好。总之，嵌入式系统的不断创新会给人类社会生 活带来奇迹和享受。 参考文献 1ARM 公司 .ARM Architecture Reference Manual M .ARM 公司， 2周立功 .ARM嵌入式系统基础教程M .北京：北京航空航天大学出版 社， 3郑文波，曹金安.嵌入式系统的产业化发展 市场、技术与前景J . 自动化博览，2005 ， 4罗蕾 .嵌入式实时操作系统及应用开发M.北京：北京航空航天出版社， 5中国计算机学会微机专业委员会.2004中国计算机科学技术年度发展报 告 嵌入式系统部分