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介紹了嵌入式系統(tǒng)的概念，對嵌入式系統(tǒng)的結構、特點和發(fā)展趨勢做了簡單的概述。 1 引 言 隨著電子技術的快速發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路的產生而出現(xiàn)的微型機，使現(xiàn)代科學研究得到了質的飛躍，而嵌入式微控制器技術的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)控制領域帶來了一次新的技術革命。由嵌入式微控制器組成的系統(tǒng)，最明顯的優(yōu)勢就是可以嵌入到任何微型或小型儀器、設備中。 嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)，對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術、電子技術和各個行業(yè)的具體應用相結合后的產物，這一點就決定了他必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。嵌入式計算機的外部設備中就包含了多個嵌入式微處理器，如鍵盤、硬盤、顯示器、網卡、聲卡等均是由嵌入式處理器控制的。現(xiàn)在，嵌入式系統(tǒng)帶來的工業(yè)年產值已超過了1萬億美元，嵌入式計算機不僅在民品上而且在軍事裝備上也得到了廣泛地應用。 2 嵌入式系統(tǒng)的結構 嵌入式系統(tǒng)作為一類特殊的計算機系統(tǒng)，自底向上包含有3個部分，如圖1所示。 （1）硬件環(huán)境 是整個嵌入式操作系統(tǒng)和應用程序運行的硬件平臺，不同的應用通常有不同的硬件環(huán)境。硬件平臺的多樣性是嵌入式系統(tǒng)的一個主要特點。 （2）嵌入式操作系統(tǒng) 完成嵌入式應用的任務調度和控制等核心功能。具有內核較精簡、可配置、與高層應用緊密關聯(lián)等特點。嵌入式操作系統(tǒng)具有相對不變性。 （3）嵌入式應用程序 運行于操作系統(tǒng)之上，利用操作系統(tǒng)提供的機制完成特定功能的嵌入式應用。不同的系統(tǒng)需要設計不同的嵌入式應用程序。 如何簡潔有效地使嵌入式系統(tǒng)能夠應用于各種不同的應用環(huán)境，是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展中所必須解決的關鍵問題。經過不斷的發(fā)展，原先嵌入式系統(tǒng)的3層結構逐步演化成為一種4層結構。如圖2所示，這個新增加的中間層次叫硬件抽象層，有時也叫板級支持包，是一個介于硬件與軟件之間的中間層次。硬件抽象層通過特定的上層接口與操作系統(tǒng)進行交互，向操作系統(tǒng)硬件的直接操作。硬件抽象層的引入大大推動了嵌入式操作系統(tǒng)的通用化。 3 嵌入式系統(tǒng)的特點 3．1 嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點和要求 從某種意義上來說，通用計算機行業(yè)的技術是壟斷的。嵌入式系統(tǒng)則不同，嵌入式系統(tǒng)工業(yè)是不可壟斷的高度分散的工業(yè)，充滿了競爭、機遇與創(chuàng)新，沒有哪一個系列的處理器和操作系統(tǒng)能夠壟斷全部市場，即便在體系結構上存在著主流。但各不相同的應用領域決定了不可能由少數(shù)公司、少數(shù)產品壟斷全部市場。因此嵌入式系統(tǒng)領域的產品和技術，必然是高度分散的，留給各個行業(yè)高新技術公司的創(chuàng)新余地很大。另外，社會上的各個應用領域是不斷向前發(fā)展的，要求其中的嵌入式處理器核心也同步發(fā)展，這也構成了推動嵌入式工業(yè)發(fā)展的強大動力。嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的基礎是以應用為中心的“芯片”設計和面向應用的軟件產品開發(fā)。 3．2 嵌入式系統(tǒng)具有的產品特征 嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產品、面向應用的，不能獨立于應用自行發(fā)展，否則便會失去市場。嵌入式系統(tǒng)的核心部件，嵌入式微處理器的功耗、體積、成本、處理能力和電磁兼容性等方面均受到應用要求的制約，這些也是各個半導體廠商之間競爭的熱點。嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件設計都必須精心考慮，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能，只有這樣，才能在具體應用時對處理器的選擇面前更具有競爭力。嵌入式處理器要針對用戶的具體需求，對芯片配置進行裁剪和添加才能達到理想的性能。由于嵌入式系統(tǒng)和具體應用有機地結合在一起，具有較長的生命周期。 3．3 嵌入式處理器軟件的特征 嵌入式處理器的應用軟件是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關鍵，對嵌入式處理器系統(tǒng)軟件和應用軟件的要求也和通用計算機有所不同，主要有以下幾點： （1）軟件要求固態(tài)化存儲 為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或嵌入式微控制器本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。 （2）軟件代碼要求高質量、高可靠性 盡管半導體技術的發(fā)展使處理器速度不斷提高、片上存儲器容量不斷增加，但在大多數(shù)應用中，存儲空間仍然是寶貴的，還存在實時性的要求。為此要求程序編寫和編譯工具的質量要高，以減小程序二進制代碼長度、提高執(zhí)行速度。 （3）系統(tǒng)軟件（OS）的高實時性是基本要求 在多任務嵌入式系統(tǒng)中，對重要性各不相同的任務進行統(tǒng)籌兼顧的合理調度是保證每個任務及時執(zhí)行的關鍵，單純通過提高處理器速度是無法完成和沒有效率的，這種任務調度只能由優(yōu)化編寫的系統(tǒng)軟件來完成，因此系統(tǒng)軟件的高實時性是基本要求。 （4）多任務操作系統(tǒng)是知識集成的平臺和走向工業(yè)化標準化道路的基礎，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境 嵌入式系統(tǒng)本身不具備開發(fā)能力，即使設計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計算機上的軟硬件設備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。 （5）嵌入式系統(tǒng)軟件需要實時多任務操作系統(tǒng)開發(fā)平臺（RTOS） 通用計算機具有完善的操作系統(tǒng)和應用程序接口，是計算機基本組成不可分離的一部分，應用程序的開發(fā)以及完成后的軟件都在OS平臺上面運行，但一般不是實時的。嵌入式系統(tǒng)則不同，應用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運行；但是為了合理地調度多任務、利用系統(tǒng)資源，用戶必須自行選配RTOS開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保障軟件質量。 （6）在嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)過程中，采用C語言將是最佳和最終的選擇 由于匯編語言是一種非結構化的語言，對于大型的結構化程序設計已經不能完全勝任了。這就要求我們采用更高級的C語言去完成這一工作。 4 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 中國的單片機應用和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)已走過了15年的歷程，隨著市場對超微型嵌入式應用技術和產品的要求不斷增長，以及半導體技術和系統(tǒng)設計方法的進步，嵌入式系統(tǒng)在目前的發(fā)展形勢下，表現(xiàn)出以下幾大趨勢： （1）可靠性及應用水平越來越高和互聯(lián)網連接已是一種明顯的走向。 （2）所集成的部件越來越多，從意義上講只是單片集成電路，從功能上講可以說是萬用機了。 （3）功耗越來越低，和模擬電路結合越來越多。 5 結 語 隨著半導體工藝技術的發(fā)展及系統(tǒng)設計水平的提高，嵌入式微控制器還會不斷的產生變化和進步，最終人們可能發(fā)現(xiàn)：嵌入式微控制器與微機系統(tǒng)之間的距離越來越小，而功能更大，因而將會更加廣泛地滲入到各類設備和產品中去。 |
