30580306ARM论文08电信3班韩浩东.docx

30580306ARM论文08电信3班韩浩东.docx

《30580306ARM论文08电信3班韩浩东.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《30580306ARM论文08电信3班韩浩东.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

30580306ARM论文08电信3班韩浩东

嵌入式系统研究与应用进展论文

姓名：

韩浩东

班级：

08电信3

学号：

200830580306

指导老师：

李震

日期：

2011年11月

华南农业大学工程学院

摘要

本文主要讲述了嵌入式系统的定义、组成、发展和应用，对嵌入式系统的软硬件部份都作了较为详细的描述。

目前嵌入式系统在国内普遍被认同的定义是：

“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。

”

嵌入式硬件系统的核心部份是嵌入式处理器，它工作在特定的专用系统之中，将普通CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而使得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。

嵌入式操作系统简称EOS，英文全称是EmbeddedOperatingSystem，是一种用途广泛的系统软件，负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。

目录

0引言3

1嵌入式系统的定义以及组成[1]3

1.1嵌入式处理器的概念及分类3

1.2嵌入式操作系统5

2嵌入式系统的特点6

3嵌入式系统的发展历程7

3.1雏形期：

20世纪60年代7

3.2起步期：

20世纪70年代早期7

3.3高速发展期：

20世纪70年代末期至今8

4嵌入式系统的应用8

4.1嵌入式系统的应用范围8

4.2应用实例8

5嵌入式系统的发展趋势[20]9

6结语10

0引言

嵌入式产品在我们的日常生活中随处可见，不论是日常生活中经常使用的电视机电冰箱等家用电器、手提电话、ATM自动柜员机，还是各行各业中用于工作的现代办公设备、医疗设备、交通工具、工业自动控制设备，或者是家用游戏机和便携式游戏机等都属于嵌入式设备。

嵌入式系统始于微机时代的嵌入式应用，通过将嵌入式微机芯片嵌入到一个体系中，实现系统的智能控制。

1嵌入式系统的定义以及组成[1]

根据IEEE的定义，嵌入式系统是“控制，监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”（原文为decicesusedtocontrol，orassisttheoperationofequipment，machineryorplants）。

这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。

目前嵌入式系统在国内普遍被认同的定义是：

“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。

”[2]

嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和特定的应用程序等四个部分组成，它相当于一种集软件和硬件为一体的可以独立工作的器件。

[3]

由于嵌入式系统的外围设备和特定的应用程序是基于不同的应用需求而有相应的不同的外围硬件及相关软件，故在此不作介绍。

1.1嵌入式处理器的概念及分类

嵌入式硬件系统的核心部份是嵌入式处理器，它工作在特定的专用系统之中，将普通CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而使得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。

嵌入式处理器的种类非常多，体系结构多达几十种，它们都具有一些共同的特点：

1、对实时操作系统有着很好的支持；

2、可以同时进行多个任务；

3、具有强大的存储区保护功能；

4、功耗低，响应时间较短。

嵌入式处理器一般可以分为四大类型：

[4,5]

（1）嵌入式微控制器（MicroControllerUnit，MCU）

简称单片机（SingleChipMicroController）。

最简单的单片机是在通用CPU的基础上将输入输出接口电路（I/O）、时钟发生器及存储器等器件集成在一个芯片上形成的。

在其外再加上晶体振荡器、A/D、D/A等外围器件等构成完整的系统，即可用于工业控制、家用电器、通信等方面，具有体积小、个性突出、价格低廉等特点。

（2）嵌入式微处理器（MicroProcessorUnit，MPU）

嵌入式微处理器是有通用计算机的CPU演变而来的。

与CPU不同的是，嵌入式微处理器只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其它的多余功能部份，配上必要的扩展外围电路，如存储器、I/O和一些专用的接口电路等。

这样就可以以最低的功耗和资源满足嵌入式应用的特殊要求。

[6]

（3）嵌入式DSP处理器（DigitalSignalProcessor，DSP）

与MCU注重控制更能不同，DSP注重数字化后的各种快速运算，通过数字信号处理，完成如声音和图像的压缩、识别和鉴别、加密解密、调制解调、信道辨识与均衡、智能天线、频谱分析等运算功能。

因此DSP对处理速度、实时性能及运算能力等要求很高，主要用于移动电话、硬盘和光驱、声纳和地震探测等需要大量复杂运算的数据处理设备中。

（4）嵌入式片上系统（Systemonchip，SoC）

片上系统SoC运用先进的半导体工艺，结合了诸如ARM、MIPS、DSP、UART、USB、TCP/IP通信单元、IEEE1394、蓝牙等许多功能模块，将整个系统坐在一块硅片上，使得应用系统的电路板变得非常简洁，大大减小了体积和降低了功耗、提高了可靠性。

[7]

1.2嵌入式操作系统

嵌入式操作系统简称EOS，英文全称是EmbeddedOperatingSystem，是一种用途广泛的系统软件，负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。

嵌入式操作系统必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。

嵌入式操作系统主要有：

Vxwork、QNX、PalmOS、WindowsCE、嵌入式Linux等。

VxWorks是WindRiver公司一款很有特色的实时操作系统。

它的核心是一个高速、高效率的微内核，支持包括ANSIC、POSIX和TCP/IP网络协议在内的各种工业标准。

VxWorks运行系统支持各种实时功能，包括快速多任务处理、中断支持、抢占式和轮转式调度，目前广泛应用于互联网、电信和数据通信等众多领域的智能设备中。

QNX由加拿大QSSL公司开发，是一种由微内核和一组共操作的进程组成的分布式的实时操作系统，具有高度的伸缩性，可以灵活地剪裁，最小配置只占用几十KB的内存，适合嵌入到智能机器、智能仪器仪表、机顶盒、通讯设备、PDA等应用中。

3Com公司的PalmOS具有开放的操作系统应用程序接口（API），可根据需要独立开发对应的应用程序，因此在掌上电脑和PDA领域独霸市场。

微软公司的WindowsCE的优点在于便于携带、提供对微处理器的选择以及非强行的电源管理功能，能作为一种嵌入式操作系统应用到工业控制等领域。

它内置的标准通信功能使其可以访问Internet并收发E_mail或者浏览Web。

另外，WindowsCE具有与Windows操作系统类似的用户界面，使用户易于使用。

WindowsCE的缺点是速度慢、效率低、价格偏高。

Linux系统用于嵌入式具有许多的优点：

1）自身具备一整套工具链，便于建立开发环境和交叉运行环境，并且可以跨越在嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。

2）内核完全开放，不仅可以容易实现软实时系统，而且可以自己设计和开发真正的硬实时系统。

3）强大的网络支持，可以利用Linux本身的网络协议将其开发成为嵌入式的TCP/IP网络协议。

由于这些优势，可以说嵌入式Linux将成为主流的通用嵌入式操作系统。

[8]

2嵌入式系统的特点

（1）嵌入式系统的高分散性

在某个层面上，通用计算机行业的技术是垄断的，嵌入式系统则不是如此。

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。

没有哪个系列的嵌入式处理器和嵌入式操作系统能够垄断全部市场，即使是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产品垄断全部市场。

因此，嵌入式领域的产品和技术必然是高度分散的，留给各个行业的技术创新空间很大。

[9]

（2）嵌入式系统具有产品特征

嵌入式系统是面向应用、面向产品、面向用户的，不可能独立于应用自行发展，否则便会失去市场。

嵌入式处理器要针对用户的具体需求，对芯片配置进行剪裁或者添加才能达到最理想的性能。

因此，嵌入式系统具有较长的生命周期。

因此，嵌入式技术重要特点是与应用需求相吻合，而不是单纯地追求性能、速度、美观等因素，能最贴切地满足应用需求就是最好的嵌入式设计。

嵌入式系统的设计是从功能、性能、成本、开发周期、体积、可靠性、实时性、维护方式等各方面来综合考虑，并且这些因紊是互相影响的，在一个方面有所增强就必须在其他某些方面受到损失。

设计人员除了要解决具体的技术细节问题，往往最困扰的就是如何在各方面因素之间寻找最佳的折中点。

[10]

（3）具有专用的嵌入式CPU

嵌入式CPU与通用型的最大不同之处就在于嵌入式CPU大多工作在专用的系统中。

它通常都具有低功耗、小体积、高集成度等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，与网络的结合也越来越紧密。

（4）多种技术相结合

嵌入式系统结合了先进的计算机技术、半导体技术、电子技术还有各个行业的具体应用等，是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

[11]

（5）嵌入式软件的特点

嵌入式操作系统大多数是实时操作系统，例如工业仪器、控制设备、数控系统、信息家电、军用设备等。

嵌入式软件具有独特的应用环境和实用价值，与外部硬件和设备紧密相连，是根据应用需求定向开发的。

[12]

（6）系统配置专一，结构紧密、坚固可靠

3嵌入式系统的发展历程

纵观嵌入式技术的发展，大致经历了以下三个阶段：

[13,14]

3.1雏形期：

20世纪60年代

20世纪60年代是嵌入式技术的早期阶段，嵌入式系统以功能简单的专用计算机或者单片机为核心的可编程控制器的形式存在，系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量小，多用于通信领域对电子机械电话交换机的控制，称为存储式程序控制系统（StoredProgram），主要功能是存储程序及日常的信息。

此时系统还未出现操作系统的概念，对每一个应用都需要提供整套的计算机设计。

3.2起步期：

20世纪70年代早期

20世纪70年代，嵌入式系统的概念正式出现。

当时大部份的程序都由汇编语言写成，只能在某种固定的微处理器中运用。

人们使用一个简单的循环控制来对外界的控制请求进行处理，以实现某种控制功能。

当时只有很少的嵌入式系统使用操作系统，当控制要求越来越复杂、应用范围越来越广泛时，没有操作系统就成为系统开发的最大障碍。

60年代和70年代初嵌入式系统硬件主要采用标准集成电路器件和晶体管。

那个时期的嵌入式系统的应用有所扩大，但由于成本、功耗和体积等多方面原因，嵌入式系统几乎没有问津民用产品。

3.3高速发展期：

20世纪70年代末期至今

C语言的出现使操作系统的开发变得简单，利用C语言可以很快写出一个小型的、稳定的操作系统，使得嵌入式系统开发的效率和速度提高了很多。

从20世纪80年代开始，各种各样的商用嵌入式操作系统开始出现。

但是它们大多采用专有的API，为其编写的应用程序一般很难移植到其他的操作系统中。

20世纪90年代初，开始出现微内核模块化设计的RTOS。

到20世纪90年代中期，各种各样的包含网络、图形等模块，使用标准API的完整操作系统出现了，继而形成了现在多种多样的商用嵌入式操作系统百家争鸣的局面。

在未来的社会里面，嵌入式系统将会更加广泛地被应用于人们生活的各个角落。

[15]

4嵌入式系统的应用

4.1嵌入式系统的应用范围

（1）家用：

机顶盒、智能家用电器、掌上电脑、DVD、空调、游戏机、MP4、数字电视、数码相机、车载导航系统等。

（2）通信：

电缆系统、GPS全球定位系统、移动电话、数据交换设备。

（3）工业：

电机控制、物理量测量与处理、工业机器人、智能传感器等。

（4）金融：

ATM、信用卡、智能物流、安全系统等。

（5）运输：

交通指挥、公路运输、航空、雷达、铁路、行李管理等。

（6）办公：

复印机、传真机、计时系统、摄影机等。

（7）建筑：

智能报警、安保、楼宇管理、闭路电视、电力供应、电子门控等。

（8）医疗：

心脏起搏器、患者信息监控、电磁成像系统等。

[16]

4.2应用实例

（1）电力监控器[17]

工业变电站是一个复杂多变的多输入输出系统，一旦各重要节点的电流、电压等参数出现不正常的变化，整个系统的工作就不能安全有效地进行。

为了保证其安全有效地运作，需要利用电力监控器对工业变电站生产过程的模拟量、开关量、脉冲量及设备的运行状态进行实时的测量和控制。

电力监控器功能分为输入部分和输出部分，输入部分的功能主要完成4路模拟量输入和13路开关量输入，其中4路模拟量输入包括3路电流模拟量输入和1路电压模拟量输入，13路开关量输入包括2路脉冲量输入、1路手动分闸输入、1路主开关状态输入、1路隔离开关状态输入和8路事故预告信号输入；输出部分的功能主要完成4路开关量输出，4路模拟量输出，电流电压显示，功率、功率因数的显示，以及开关状态、跳闸信号和预告信号等数据与上位机的数据通信。

（2）蓝牙和Java技术在嵌入式系统中的应用[18]

目前，Java和蓝牙技术已经在移动设备上普遍使用，特别是我们的移动电话。

利用Java语言编写的游戏借助蓝牙技术，可以实现联机对战模式，或者从互连网上下载食谱代码加载到电饭煲，微波炉上直接进行烹饪。

J变种的ARM处理器加入了对Java加速的Jazelle技术，为ava语言的嵌入式特性提供强大的硬件作为基础，使得Java代码能以普通Java虚拟机8倍的速度运行，大幅度提高了机器的性能，同时还将功耗降低到20%。

可以说，蓝牙技术与Java是无线嵌入式系统开发的最佳组合。

（3）嵌入式系统在MP3上的应用[19]

MP3是前几年使用最多、应用最广泛的有损压缩数字音频格式。

一款MP3产品的结构由存储器、MP3压缩模块、LCD液晶显示模块、键盘、RS232串口和USB接口组成，采用嵌入式微处理器和对应的嵌入式操作系统，利用嵌入式微处理器自身的CPU运算能力来承担繁重的MP3文件解码任务，来满足复制、存储、传输、播放等目的。

5嵌入式系统的发展趋势[20]

（1）嵌入式应用软件的需求越来越复杂，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增强处理能力；一方面还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。

（2）网络互联成为必然趋势，为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，未来的嵌入式系统要求配备一种或多种的标准网络通信接口，同时也需要得到TCP/IP协议族软件和相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件的支持。

（3）提供对小型电子设备的支持，做到小尺寸、微功耗和低成本，要求设计者有丰富经验，发展的软件技术如Java等来降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片。

（4）提供便捷的人机界面，要求嵌入式系统具备多种自然的人机交互方式，如手写文字输入、语音控制以及彩色显示等。

6结语

嵌入式系统综合软件和硬件，涵盖机械等附属装置，是一种比普通系统更加强大的、低成本的、特性完备的系统。

嵌入式系统无疑是目前最热门最有发展前途的IT应用领域之一。

参考文献:

[1].张玢,孟开元与田泽,嵌入式系统定义探讨[J].单片机与嵌入式系统应用,2011

（1）:

第6-8页.

[2].韦照川与李德明,嵌入式系统发展概述[J].科技信息,2010

（1）:

第839页.

[3].舒展,嵌入式系统综述[J].现代计算机（专业版）,2011（5）:

第44-46页.

[4].雷鸿与汪海,基于嵌入式处理器的研究[J].软件导刊,2011（8）:

第10-11页.

[5].陶品,嵌入式系统——第二讲百花齐放的嵌入式处理器[J].世界电子元器件,2006（3）:

第54-56页.

[6].刘利民,嵌入式系统的硬件体系和发展[J].科教文汇（上旬刊）,2009（7）:

第275-276页.

[7].张营等,嵌入式系统发展综述[J].电子技术,2008（6）:

第74-77页.

[8].杨峰与唐继勇,嵌入式系统软件及编程语言[J].西部广播电视,2005

（1）:

第58-60页.

[9].李传鸿,浅谈嵌入式系统及其发展[J].广西轻工业,2008（10）:

第74-75+116页.

[10].陶品,嵌入式系统第一讲嵌入式系统技术现状与发展趋势[J].世界电子元器件,2006

（2）:

第38-40+42页.

[11].郑巧,嵌入式系统的应用与开发分析[J].制造业自动化,2011（5）:

第171-173页.

[12].王金宇,嵌入式系统及其发展趋势研究[J].电脑知识与技术,2010（5）:

第1229-1231页.

[13].黄美善,嵌入式系统概述[J].信息与电脑（理论版）,2010

（2）:

第72页.

[14].何立民,嵌入式系统的定义与发展历史[J].单片机与嵌入式系统应用,2004

（1）:

第6-8页.

[15].喻亮,嵌入式系统的结构特征与研究概况[J].企业科技与发展,2010（8）:

第55-57页.

[16].叶少珍,何文婷与郑文波,嵌入式系统若干技术的发展与趋势[J].自动化博览,2009（5）:

第56-59页.

[17].槐玉枝与苑雅娟,嵌入式系统在电力监控器中的应用[J].价值工程,2011（15）:

第32-33页.

[18].林靖誉,刘建生与刘传菊,蓝牙&Java技术在嵌入式系统中的应用分析[J].福建电脑,2007

（2）:

第17+15页.

[19].姜秀玉,嵌入式系统在MP3中的应用[J].鞍山师范学院学报,2009（4）:

第67-70页.

[20].陈永峰,浅谈嵌入式系统应用与发展趋势[J].科技风,2011（6）:

第83页.