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嵌入式系统及其应用论文

软件学院

嵌入式系统及其应用

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摘要

嵌入式系统是以计算机技术为基础,以应用为中心，软硬件特点可裁剪，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特殊计算机系统。

它由嵌入式微处理器、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。

关键词：

嵌入式系统实时控制微处理技术操作系统

一、嵌入式系统的定义

嵌入式系统可以定义为：

“以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应特定应用系统，并对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标严格要求的专用计算机系统”。

具体系统得讲嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力和竞争力。

并且它是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物。

还有其必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。

二、嵌入式系统的基本特征

这些年来随着芯片技术的发展和应用的需要，使得单个芯片具有更强的处理能力，甚至使集成多种接口成为可能。

随着对产品可靠性、成本、更新换代要求的提高，使得嵌入式系统逐渐从纯硬件实现和使用通用计算机实现的应用中脱颖而出，成为近年来令人关注的焦点。

嵌入式系统与通用计算机系统相比，它具有以下6个显著特征：

1、内核小与多样性

系统内核小。

由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。

从而嵌入式系统的应用呈多种多样，已经广泛应用到社会的各个领域，如信息家、工业控制、通信和智能终端。

嵌入式设备的类型也日趋多样化，有多种处理器和外围设备的支持。

目前，嵌入式系统可采用上千种嵌入式处理器和几十种微处理器体系结构，较为流行的体系结构包括ARM,x86,MIPS,SHx等。

2、专用性高与结构紧凑

嵌入式系统很多是面向特定应用的，如实时控制、低功耗管理、可靠安全控制等。

他们用途比较固定，功耗和软硬件配置也有明显的约束，并且通常情况下需要注意系统的成本。

嵌入式系统的成本，包括一次性开发成本和每个产品的成本，他们是嵌入式产品参与市场竞争的关键因素之一。

3、强大的实时响应支持能力

实时系统是“一个能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和对外部环境做出响应的系统”。

嵌入式系统的实时性特点主要体现在两个方面：

首先，大部分实时系统都属于嵌入式系统，系统依靠其硬件设备和实时操作系统RTOS的紧密结合，能够在有限时间内对外部事件做出快速响应；其次，在嵌入式应用领域中，大部分系统都具有较好的实时性，因而嵌入式系统大都具有快速启动的特点。

嵌入式操作系统内核可以在Flash上本地运行（ExecuteInPlace，XIP），也可以加载到内存RAM中运行。

4、更健壮更可靠

嵌入式系统工作在很多不同的复杂情况下，对于系统的健壮性和可靠性往往有较高的要求。

通常情况下，嵌入式系统都应该具有出错处理和自动复位功能。

目前主要有两种机制来保证系统的可靠性，一是硬件机制，如硬件中的看门狗定时器，它可以在软件失去控制后使系统重新开始正常运行；二是软件机制，如内存保护和重启机制等。

为了提高系统的可靠性，嵌入式系统中往往采用固态化存储，软件一般固化在存储器芯片中，而不是存贮于磁盘等载体中。

5、嵌入式操作系统支持

嵌入式系统一般都具有操作系统的支持。

与通用计算机操作系统相比，嵌入式操作系统具有体积小、实时可靠、可裁剪、可固化和多种处理器支持的特点，并且一般都是实时操作系统。

嵌入式实时操作系统的引用，提高了系统的可靠性和应用开发效率。

6、需要专门的开发工具和环境

嵌入式系统不同于一般PC，它的开发是软件和硬件设计相结合的开发，其开发过程包括产品定义、软硬件的设计与实现、软硬件集成、产品测试与发布、维护与升级等几个阶段。

嵌入式系统本身不具备自主开发的能力，产品发布后用户通常不能对其中的程序功能进行修改，因此必须有一套专门的开发工具和环境。

开发工具包括设计、编译、调试和测试等工具，系统开发时采用交叉开发的方式进行，即嵌入式开发的环境是基于宿主机和目标机所构成的交叉开发环境。

需要交叉开发环境（CrossDevelopmentEnvironment）的支持是嵌入式应用软件开发的一个显著特点，交叉开发环境是指编译、链接和调试嵌入式应用软件的环境，它与运行嵌入式应用软件的环境有所不同，这就是宿主机/目标机模式。

宿主机用于程序开发，完成大部分的开发工作，一般采用通用计算机系统；目标机是最后的执行机，即实际的嵌入式系统。

三、嵌入式系统的分类

从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分目前嵌入式处理器速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低，根据嵌入式系统的硬件复杂程度，可以将嵌入式系统分为以下四类：

1、单个微处理器

这类系统可以在小型设备中（如温度传感器、烟雾和气体探测器及断路器）找到。

这类设备是供应商根据设备的用途来设计的。

这类设备受Y2K影响的可能性不大。

2、不带计时功能的微处理器装置

这类系统可在过程控制、信号放大器、位置传感器及阀门传动器等中找到。

这类设备也不太可能受到Y2K的影响。

但是，如果它依赖于一个内部操作时钟，那么这个时钟可能受Y2K问题的影响。

3、带计时功能的组件

这类系统可见于开关装置、控制器、电话交换机、电梯、数据采集系统、医药监视系统、诊断及实时控制系统等。

它们是一个大系统的局部组件，由它们的传感器收集数据并传递给该系统。

这种组体可同PC机一起操作，并可包括某种数据库（如事件数据库）。

4、在制造或过程控制中使用的计算机系统

对于这类系统，计算机与仪器、机械及设备相连来控制这些装置的工作。

这类系统包括自动仓储系统和自动发货系统。

在这些系统中，计算机用于总体控制和监视，而不是对单个设备直接控制。

过程控制系统可与业务系统连接（如根据销售额和库存量来决定定单或产品量）。

另外，依据嵌入式系统的操作系统来分类，主要分为实时系统和分时系统。

其中实时系统又分为两类：

硬实时系统和软实时系统。

实时嵌入系统为执行特定功能而设计的，可以严格的按时序执行功能。

其最大的特征就是程序的执行具有确定性。

在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务，会导致系统的全面失败，则系统被称为硬实时系统。

而在软实时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命错误。

一个硬实时系统往往在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片，而软实时系统则主要在软件方面通过编程实现时限的管理。

比如WindowsCE就是一个多任务分时系统，而Ucos-II则是典型的实时操作系统。

四、嵌入式系统的广泛应用

嵌入式系统具有非常广阔的应用领域，是现代计算机技术改造传统产业，提升多领域技术水平的有力工具。

嵌入式系统无处不在。

其主要应用领域包括智能产品（智能仪表、智能和信息家电）、工业自动化（机器人、测控装置、传感器网络、数控机床、数据采集与处理）、办公自动化（通用计算机中的智能接口）、电网安全、电网设备检测、石油化工、商业应用（电子秤，POS机，条码识别机）、安全防范（防火、防盗、防泄漏等报警系统）、网络通信（路由器、网关、手机、PDA、无线传感器网络）、汽车电子与航空航天（汽车防盗报警器、汽车和飞行器黑匣子）以及军事等各个领域。

嵌入式系统在很多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些产业，包括工业自动化、国防、运输和航空航天领域。

神舟飞船和长征系列火箭系统中就有很多嵌入式系统，导弹的制导系统也有嵌入式系统，高档汽车中的汽车电子也有很多达几十个嵌入式系统。

在日常生活中，我们使用到各种嵌入式系统，几乎所有带有一点“智能”的家电，例如全自动洗衣机和电脑电饭煲等都使用嵌入式系统，嵌入式系统具有广泛的适应能力和多样性。

五、嵌入式系统的发展历程与展望

纵观嵌入式系统的发展历程，我们可以看出来，是近几年才开始真正风靡起来的，但事实上嵌入式这个概念却很早就已经存在了。

从20世纪70年代单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统少说也有近30年的历史，所以嵌入式系统大致经历了以下3个阶段。

1、无操作系统阶段

这一阶段的嵌入式系统，具有系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口的特点。

正由于这种嵌入式系统使用简便，价格低廉，因而曾经在工业控制领域中得到了非常广泛的应用，但却无法满足现今对执行效率、存储容量都有较高要求的信息家电等应用的需要。

2、简单操作系统阶段

这个时期，嵌入式系统出现了大量高可靠性、低功耗的嵌入式CPU，各种简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展。

此时的嵌入式操作系统虽然还比较简单，但已经初步具有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高，主要用来控制系统负载以及监控应用程序的运行。

3、实时操作系统阶段

经历了以上两个发展阶段，嵌入式系统的操作系统的实时性得到了很大改善，已经能够运行在各种不同类型的微处理器上，具有高度的模块化和扩展性。

此时的嵌入式操作系统已经具有了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面（GUI）等功能，并提供了大量的应用程序接口（API）,从而使得应用软件的开发变得更加简单。

展望嵌入式系统的发展道路，在信息时代，数字时代的到来，嵌入式产品获得了巨大的发展力量，为嵌入式市场展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战，我们可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势：

1）软硬件密切协同发展

嵌入式开发是一项系统工程，它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。

目前很多厂商在主推系统的同时，将开发环境也作为重点推广。

当然，这也是市场竞争的结果。

2）功能更加强大，结构更加复杂

网络化、信息化的要求随着Internet的成熟、带宽的提高日益提高，使以往功能单一的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能更加完善，结构更加复杂。

加强采用更强大的嵌入式处理器或信号处理器处理能力，同时增加功能接口，扩展总线类型，加强对多媒体、图形等的处理。

大多数软件将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。

3）网络互联共享成为亮点

将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，同时将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）系统内核、算法精简化，降低系统功耗和软硬件成本

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）提供更友好的多媒体人机界面

嵌入式设备能与用户亲密接触，图像界面，灵活的控制方式，使得人们感觉嵌入式设备就像是一个熟悉的老朋友。

这使得嵌入式软件在多媒体技术上更加进步。

手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使用户获得自由的感受。

从目前来看，像这样的嵌入式设备达到这个程度需要很长的路要走，我们将拭目以待。

参考文献

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哈尔滨工业大学出版社,2008