嵌入式系統(tǒng)是什么 嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計思路

　　摘要：嵌入式系統(tǒng)已成為制造業(yè)的核心技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、系統(tǒng)仿真、醫(yī)療設(shè)備、家用電器、通信設(shè)備等眾多領(lǐng)域。圍繞嵌入式系統(tǒng)展開研究和開發(fā)，已經(jīng)成為計算機軟硬件技術(shù)發(fā)展最活躍的方向之一。本文就嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)特點和嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計思路進行了探討。
　　關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；微處理器；操作系統(tǒng)；開發(fā)工具
　　中圖分類號：TP336 文獻標(biāo)識碼：A
　　
　　嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。其主要由嵌入式處理器、 相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成。使用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)硬件和軟件的集成優(yōu)化，而且具有多任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)化功能。
　　嵌入式系統(tǒng)是將計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物 ,是一種技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。
　　
　　1嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)特點
　　
　　嵌入式系統(tǒng)由構(gòu)成軟件基本運行環(huán)境的硬件和操作系統(tǒng)兩部分組成。其運行環(huán)境和應(yīng)用場合決定了嵌入式系統(tǒng)有別于其它系統(tǒng)。
　　1.1嵌入式處理器
　　嵌入式處理器可以分為三類：嵌入式微控制器MCU、嵌入式微處理器MPU、嵌入式數(shù)字信號處理器DSP 。
　　嵌入式微控制器又稱為單片機，它將CPU、存儲器 、I/O接口封裝于同一片集成電路，常用的是以8051為內(nèi)核的各種單片機。嵌入式微處理器就是和通用計算機的微處理器對應(yīng)的CPU，應(yīng)用中一般將微處理器裝配在專門設(shè)計的電路板上，在母板上保留與嵌入式有關(guān)的功能，以滿足嵌入式系統(tǒng)體積小和功耗低的要求。嵌入式DSP專門用來對離散時間信號進行高速處理 ，多用于數(shù)字濾波、FFT、圖像處理等領(lǐng)域 。
　　1.2微內(nèi)核結(jié)構(gòu)
　　多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)采用了微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，內(nèi)核只提供基本的功能，如：任務(wù)的調(diào)度、任務(wù)之間的通信與同步、內(nèi)存管理、時鐘管理等。其它的應(yīng)用組件，如：網(wǎng)絡(luò)功能、文件系統(tǒng)、GUI系統(tǒng)等均工作在用戶態(tài)，以系統(tǒng)進程或函數(shù)調(diào)用的方式工作。因而系統(tǒng)都是可裁減的，用戶可以根據(jù)自己的需要選用相應(yīng)的組件。
　　1.3任務(wù)調(diào)度
　　大多數(shù)的嵌入式操作系統(tǒng)支持多任務(wù)，依靠CPU在多個任務(wù)之間切換、調(diào)度，每個任務(wù)都有其優(yōu)先級。 任務(wù)的調(diào)度有三種方式：可搶占式調(diào)度、不可搶占式調(diào)度和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)對不同優(yōu)先級的任務(wù)采用基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度法，對相同優(yōu)先級的任務(wù)則采用時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法。
　　1.4硬實時和軟實時
　　對時間要求較高的嵌入式系統(tǒng)，稱為實時系統(tǒng)。實時系統(tǒng)分為軟實時系統(tǒng)和硬實時系統(tǒng)。軟實時系統(tǒng)并不要求限定某一任務(wù)必須在一定的時間內(nèi)完成，只要求各任務(wù)運行得越快越好；硬實時系統(tǒng)對系統(tǒng)響應(yīng)時間有嚴(yán)格要求，一旦系統(tǒng)響應(yīng)時間不能滿足，就可能引起系統(tǒng)崩潰或致命的錯誤。工業(yè)控制多采用硬實時系統(tǒng)。
　　1.5內(nèi)存管理
　　多數(shù)嵌入式系統(tǒng)針對沒有內(nèi)存管理單元MMU的處理器設(shè)計，故不能采用虛擬內(nèi)存管理技術(shù),而是實存儲器管理策略。對內(nèi)存的訪問是直接的，對地址的訪問不需要經(jīng)過MMU，而是直接發(fā)送至地址線輸出，所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址。多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)對內(nèi)存空間沒有保護，各個進程共享一個運行空間。一個進程在執(zhí)行前系統(tǒng)必須為它分配足夠的連續(xù)地址空間，然后全部載入主存儲器的連續(xù)空間。
　　
　　2嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計思路
　　
　　從圖1可知，嵌入式系統(tǒng)的工程設(shè)計分成三個階段：分析、設(shè)計和實現(xiàn)。
　�。�1）分析階段：確定要解決的問題及需要完成的目標(biāo)；
　�。�2）設(shè)計階段：主要解決如何在給定的約束條件下完成用戶的要求；
　�。�3）實現(xiàn)階段：主要解決如何在所選擇的硬件和軟件的基礎(chǔ)上進行整個軟、硬件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)實現(xiàn)。
　　嵌入式系統(tǒng)的工程設(shè)計包括：處理器、硬件部件、操作系統(tǒng)、編程語言、軟件開發(fā)工具、硬件調(diào)試工具、軟件組件等內(nèi)容。
　　2.1建立硬件平臺
　　2.1.1選擇處理器
　　嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部件。目前全世界嵌入式處理器的品種總量已超過一千種，流行系列有三十多個，僅32位的CPU就有100種以上嵌入式微處理器。鑒于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的差異性很大，故而選擇是多樣化的。Motorola、Intel、AMD、ARM、MIPS等公司均生產(chǎn)微處理器，其中ARM是近年來在嵌入式系統(tǒng)有影響力的微處理器制造商。
　　選擇處理器時要考慮的主要因素有：
　�。�1）處理性能
　　處理器的性能取決于時鐘頻率、內(nèi)部寄存器、指令是否對等處理所有的寄存器等多個因素。要選取能夠完成作業(yè)的處理器和I/O子系統(tǒng)，不在于挑選速度最快的處理器。
　　（2）技術(shù)指標(biāo)
　　許多嵌入式處理器都集成了外圍設(shè)備的功能，減少了芯片的數(shù)量，降低了整個系統(tǒng)的開發(fā)費用。首先考慮的是，系統(tǒng)所要求的一些硬件能否無需過多的膠合邏輯(GL，Glue Logic)就可以連接到處理器上。其次是考慮該處理器的一些支持芯片，如DMA控制器、內(nèi)存管理器、中斷控制器、串行設(shè)備、時鐘等的配套。
　　（3）功耗
　　嵌入式微處理器最大并且增長最快的市場是手持設(shè)備、電子記事本、PDA、手機、GPS導(dǎo)航器、智能家電等消費類電子產(chǎn)品。這些產(chǎn)品中選購的微處理器典型的特點是要求高性能、低功耗，使用普通電池供電即可。若用于工業(yè)控制領(lǐng)域，則可不考慮這方面因數(shù)。
　�。�4）軟件支持工具
　　較好的軟件開發(fā)工具是必不可少的。 比如，交叉編譯器。
　�。�5）內(nèi)置調(diào)試工具
　　處理器如果內(nèi)置調(diào)試工具，可以大大縮小調(diào)試周期，降低調(diào)試的難度。
　�。�6）軟件對硬件的依賴性
　　軟件是否可以在硬件沒有到位的時候并行設(shè)計或先行開發(fā)。
　　2.1.2盡量選擇普通硬件
　　在 CPU 及架構(gòu)的選擇上，總原則為：只要有可替代的方案，盡量不要選擇 Linux 尚不支持的硬件平臺。
　　2.2建立軟件平臺
　　嵌入式的軟件開發(fā)主要為：代碼編程、交叉編譯、交叉連接、下載到目標(biāo)板和及調(diào)試等步驟，因此軟件平臺的選擇也涉及到以下幾個方面：低端無MMU(Memory Management Unit，存儲器管理單元)的CPU，要使用uClinux 操作系統(tǒng)；相對高端的硬件，則可以用普通的嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)。
　　選擇操作系統(tǒng)應(yīng)考慮的因素：
　　（1）操作系統(tǒng)提供的開發(fā)工具
　　有些實時操作系統(tǒng)(RTOS)只支持該系統(tǒng)供應(yīng)商的開發(fā)工具，因此，還必須向操作系統(tǒng)供應(yīng)商獲取編譯器、調(diào)試器等；而有些操作系統(tǒng)使用廣泛，且有第三方工具可用。
　�。�2）操作系統(tǒng)向硬件接口移植的難度
　　操作系統(tǒng)到硬件的移植是關(guān)系到整個系統(tǒng)能否完成的一個關(guān)鍵因素。因此,要選擇那些可移植性程度高的操作系統(tǒng)，避免操作系統(tǒng)難以向硬件移植而帶來的種種困難，加速系統(tǒng)的開發(fā)進度。
　�。�3）操作系統(tǒng)的內(nèi)存要求
　　考慮是否需要擴充RAM或EEPROM來滿足操作系統(tǒng)對內(nèi)存的需求。
　�。�4）對操作系統(tǒng)的熟悉程度
　�。�5）操作系統(tǒng)是否提供硬件的驅(qū)動程序
　�。�6）操作系統(tǒng)的可剪裁性
　　有些操作系統(tǒng)具有較強的可剪裁性，如嵌入式Linux、Tornado/VxWorks。
　�。�7）操作系統(tǒng)的實時性能
　　2.3選擇編程語言
　　編程語言的選擇主要考慮以下因素：
　　（1）通用性
　　匯編語言不通用；
　　高級語言與具體機器的硬件結(jié)構(gòu)聯(lián)系較少，通用性較好。
　�。�2）可移植性
　　匯編語言與具體的微處理器密切相關(guān)，移植性差；
　　高級語言對所有微處理器都是通用的，可移植性較好。
　　（3）執(zhí)行效率
　　匯編語言來進行應(yīng)用程序的開發(fā)，編程復(fù)雜、開發(fā)周期長；
　　越高級的語言，其編譯器和開銷就越大，應(yīng)用程序就越大、越慢。
　　因此，必須在開發(fā)時間和運行性能間進行權(quán)衡、取舍。
　　（4）可維護性
　　匯編語言可維護性不高；
　　高級語言程序通常采用模塊化設(shè)計，各個模塊之間的接口是固定的，模塊化設(shè)計便于系統(tǒng)功能的擴充和升級。
　　應(yīng)用較多的高級語言有：Ada、C/C++、Modula-2和Java等。C語言具有廣泛的庫程序支持，目前在嵌入式系統(tǒng)中是應(yīng)用最廣泛的編程語言。
　　2.4集成開發(fā)環(huán)境的選擇
　　集成開發(fā)環(huán)境IDE(Integrated Development Environment)主要考慮以下因素：
　�。�1）系統(tǒng)調(diào)試器的功能
　　系統(tǒng)調(diào)試及遠(yuǎn)程調(diào)試。
　�。�2）支持庫函數(shù)
　　庫函數(shù)和模板代碼。
　�。�3）編譯器是否能持續(xù)升級
　　（4）連接程序是否支持所有的文件格式和符號格式。
　　2.5選擇硬件調(diào)試工具
　　好的硬件調(diào)試工具會有事半功倍之效。常用的硬件調(diào)試工具有：
　�。�1）實時在線仿真器ICE (In-Circuit Emulator)
　　ICE是一個可被控制的MCU。ICE支持常規(guī)的調(diào)試操作，如單步運行、斷點、反匯編、內(nèi)存檢查、源程序級的調(diào)試等。
　�。�2）邏輯分析儀
　　邏輯分析儀常用于硬件調(diào)試，亦可用于軟件調(diào)試，主要用于監(jiān)視系統(tǒng)總線的事件。
　�。�3）ROM仿真器
　　ROM仿真器用于仿真ROM芯片。將程序下載到ROM仿真器中，然后調(diào)試目標(biāo)程序。
　�。�4）在線調(diào)試OCD(On-Chip Debugging)或在線仿真(on-chip emulator)
　　2.6軟件組件的選擇
　　免費軟件可靠性稍差；
　　授權(quán)軟件費用一般較高，但經(jīng)過嚴(yán)格的測試，可靠性高，調(diào)試時間短。
　　
　　3結(jié)語
　　
　　嵌入式技術(shù)是計算機發(fā)展的一個重要分支，其設(shè)計、開發(fā)、應(yīng)用是一個長期的課題。以信息家電為代表的互聯(lián)網(wǎng)時代，嵌入式產(chǎn)品不僅為嵌入式市場展現(xiàn)了美好前景，注人了新的生命，同時也對嵌入式系統(tǒng)技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也將獲得更廣闊的發(fā)展空間。
　　
　　參考文獻
　　［1］ 王田苗主編.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā)［M］.北京：清華大學(xué)出版社,2005.
　�。�2］ 田澤．嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.
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