第14講嵌入式系統(tǒng)概述

第十四講嵌入式系統(tǒng)概述主要內(nèi)容嵌入式系統(tǒng)的定義、特點及架構(gòu)嵌入式系統(tǒng)與單片機、PC的區(qū)別嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢嵌入式系統(tǒng)的定義、特點與體系結(jié)構(gòu)根據(jù)IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）的定義：

嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置”（原文為devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。一般定義

“以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。”分類：系統(tǒng)級：各種類型的工控器、PC104模塊板級：各種類型的帶CPU的主板及OEM產(chǎn)品片級：各種以單片機、DSP、微處理器為核心的產(chǎn)品嵌入式系統(tǒng)的幾個重要特征（1）系統(tǒng)內(nèi)核?。?）專用性強（3）系統(tǒng)精簡（4）高實時性O(shè)S（5）嵌入式軟件開發(fā)走向標準化（6）嵌入式系統(tǒng)需要開發(fā)工具和環(huán)境嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)處理器存儲器輸入輸出操作系統(tǒng)應(yīng)用程序軟件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般就具備以下4個特點對實時多任務(wù)有很強的支持能力，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)部的代碼和實時內(nèi)核的執(zhí)行時間減少到最低限度。具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。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)計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件診斷?？蓴U展的處理器結(jié)構(gòu)，能最迅速地開發(fā)出滿足應(yīng)用的最高性能的嵌入式微處理器。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)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級。嵌入式處理器嵌入式微處理器全世界只有4%的計算機處理芯片用于計算機中——Source:EmbeddedSystemsProgramming,May1999Averagecarhasabout15microprocessors.MercedesS-class:63microprocessors!!32-bit嵌入式微處理器16-bit8-bit4-bit250million1billion1billion1billion125millionPCsIntel,AMDMotorola,ARM,MIPS,i960,x86,…其中只有4%的微處理器嵌入式微處理器分類（1）嵌入式微控制器嵌入式微控制器的典型代表是單片機，這種８位的電子器件目前在嵌入式設(shè)備中仍然有著極其廣泛的應(yīng)用。單片機芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。（2）嵌入式DSP處理器DSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進行了特殊設(shè)計，在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。DSP的理論算法在70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專門的DSP處理器還未出現(xiàn)，所以這種理論算法只能通過MPU等由分立元件實現(xiàn)。1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。DSP的運算速度進一步提高，應(yīng)用領(lǐng)域也從上述范圍擴大到了通信和計算機方面。目前最為廣泛應(yīng)用的嵌入式DSP處理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應(yīng)用范圍。MPU嵌入式微處理器是由通用計算機中的CPU演變而來的與計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應(yīng)用中，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點。目前主要的嵌入式處理器類型有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等（3）嵌入式微處理器（MicroProcessorUnit)SoC

就是SystemonChip，SoC嵌入式系統(tǒng)微處理器就是一種電路系統(tǒng)。它結(jié)合了許多功能區(qū)塊，將功能做在一個芯片上，像是ARMRISC、MIPSRISC、DSP或是其他的微處理器核心，加上通信的接口單元，像是通用串行端口（USB）、TCP/IP通信單元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、藍牙模塊接口等等，這些單元以往都是依照各單元的功能做成一個個獨立的處理芯片。SoC是追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件，SOC最大的特點是成功實現(xiàn)了軟硬件無縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。運用VHDL等硬件描述語言不需要再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計一樣，繪制龐大復(fù)雜的電路板，一點點的連接焊制，只需要使用精確的語言，綜合時序設(shè)計直接在器件庫中調(diào)用各種通用處理器的標準，然后通過仿真之后就可以直接交付芯片廠商進行生產(chǎn)。（4）嵌入式片上系統(tǒng)(SystemOnChip)

SoC嵌入式系統(tǒng)微處理器所具有的其他的好處可以分為下列幾點：利用改變內(nèi)部工作電壓，降低芯片功耗。減少芯片對外管腳數(shù)，簡化制造過程。減少外圍驅(qū)動接口單元及電路板之間的信號傳遞，可以加快微處理器數(shù)據(jù)處理的速度。內(nèi)嵌的線路可以避免外部電路板在信號傳遞時所造成系統(tǒng)雜訊。新的發(fā)展方向：SOCASICCoreMemoryEmbeddedProcessorCoreAnalogFunctionsCommunicationSensorInterface嵌入式系統(tǒng)與單片機、PC機的區(qū)別嵌入式系統(tǒng)

單片機系統(tǒng)目前嵌入式系統(tǒng)的主流是以32位嵌入式微處理器為核心的硬件設(shè)計和基于實時操作系統(tǒng)（RTOS）的軟件設(shè)計單片機系統(tǒng)多為4位、8位、16位機，不適合運行操作系統(tǒng)，難以進行復(fù)雜的運算及處理功能嵌入式系統(tǒng)強調(diào)基于平臺的設(shè)計、軟硬件協(xié)同設(shè)計，單片機大多采用軟硬件流水設(shè)計嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的核心是軟件設(shè)計（占70%左右的工作量），單片機系統(tǒng)軟硬件設(shè)計所占比例基本相同嵌入式系統(tǒng)與單片機在學(xué)習(xí)方法上不同單片機學(xué)習(xí)一般從硬件入手，從硬件體系結(jié)構(gòu)、匯編語言到硬件設(shè)計、軟件設(shè)計嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)可以從軟件入手，從應(yīng)用層編程到操作系統(tǒng)移植、硬件平臺設(shè)計較好，按單片機設(shè)計的學(xué)習(xí)流程較難掌握嵌入式系統(tǒng)

PC機嵌入式系統(tǒng)一般是專用系統(tǒng)，而PC是通用計算平臺嵌入式系統(tǒng)的資源比PC少得多嵌入式系統(tǒng)軟件故障帶來的后果比PC機大得多嵌入式系統(tǒng)一般采用實時操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)大都有成本、功耗的要求嵌入式系統(tǒng)得到多種微處理體系的支持嵌入式系統(tǒng)需要專用的開發(fā)工具嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域電子通訊信息家電網(wǎng)絡(luò)安全、設(shè)備工業(yè)自動化精密儀器交通管理、環(huán)境監(jiān)測機器人嵌入式技術(shù)在汽車電子中的應(yīng)用VOLVOS80汽車的CAN總線網(wǎng)絡(luò)—（18個嵌入式控制模塊）—CAN總線網(wǎng)絡(luò)阿富汗參加反恐作戰(zhàn)的“赫耳墨斯”價值4萬美元，可攜帶2架攝像機，發(fā)揮了很好作用。嵌入式技術(shù)在軍事方面的應(yīng)用基于WinCE的機器人裝配平臺嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢軟件設(shè)計比重日益突出組件設(shè)計技術(shù)SOC硬件軟件化

—經(jīng)濟性 計算機要很便宜，讓更多的人能買得起；

—小型化

人們攜帶方便；

—可靠性 能夠在一般環(huán)境條件下或者是苛刻的環(huán)境條件下運行；

—高速度 能夠迅速地完成數(shù)據(jù)計算或數(shù)據(jù)傳輸；

—智能性 使人們用起來更習(xí)慣，對人們更有使價值。宏觀方面發(fā)展趨勢軟件工程方法在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的工作重點正在向軟件轉(zhuǎn)移。

嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的特點：實時性模塊化組件化可重用