嵌入式系統(tǒng)及其發(fā)展趨勢(shì)研究

摘要:隨著信息化技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字化產(chǎn)品的普及，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、芯片技術(shù)和軟件技術(shù)為核心的嵌入式系統(tǒng)再度成為當(dāng)前研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子技術(shù)合一的趨勢(shì)正在逐步形成，無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)和無(wú)所不在的計(jì)算機(jī)正在將人類(lèi)帶入一個(gè)嶄新的信息社會(huì)。論文對(duì)嵌入式系統(tǒng)及其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了論證。

關(guān)鍵詞:嵌入式系統(tǒng);計(jì)算機(jī)功能;發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類(lèi)號(hào):TP316文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2010)05-1229-03

The Embedded System and the Trend of Development Studies

WANG Jin-yu

(Hunan Shuangfeng County Teacher Takes Advanced Courses The School， Shuangfeng 417700， China)

Abstract: Along with the informationization technology's development and the digitized product's popularization， take the computer technology， the chip technology and the software technique becomes the current research and the application hot spot once again as the core embedded system， The correspondence， the computer， the expense electronic technology unite the tendency is forming gradually， the omnipresent network and the omnipresent computer are leading the humanity a brand-new information society. The paper has carried on the proof to the embedded system and the trend of development.

Key words: embedded system; computer function; trend of development

1 嵌入式系統(tǒng)概述

嵌入式系統(tǒng)一般指非 PC 系統(tǒng)，有計(jì)算機(jī)功能但又不稱(chēng)之為計(jì)算機(jī)的設(shè)備或器材。它是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件是可裁剪的，適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式硬件和軟件組成，且軟件和硬件是緊密集成在一起的。硬件是以嵌入式微處理器為核心，集成存儲(chǔ)器和系統(tǒng)專(zhuān)用的輸入/輸出設(shè)備;軟件包括初始化代碼及驅(qū)動(dòng)、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序等，這些軟件有機(jī)地結(jié)合在一起，形成系統(tǒng)特定的一體化軟件。

1.1 歷史與現(xiàn)狀

雖然嵌入式系統(tǒng)是近幾年才開(kāi)始真正風(fēng)靡起來(lái)的，但事實(shí)上嵌入式這個(gè)概念卻很早就已經(jīng)存在了，從1970年代單片機(jī)的出現(xiàn)到今天各種嵌入式微處理器、微控制器的廣泛應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)少說(shuō)也有了近30年的歷史?？v觀嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程，大致經(jīng)歷了以下四個(gè)階段:1)無(wú)操作系統(tǒng)階段(系統(tǒng)的出現(xiàn)與興起最初的應(yīng)用是基于單片機(jī)的);2)簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)階段(面向I/O設(shè)計(jì)的微控制器的出現(xiàn));3)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段(4位，8位，16位微處理器芯片逐步讓位于32位嵌入式微處理器芯片);4)面向Internet階段 (嵌入式技術(shù)與Internet技術(shù)的結(jié)合正在推動(dòng)著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的研究和應(yīng)用產(chǎn)生了如下新的顯著變化)

1.2 嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)和分類(lèi)

嵌入式系統(tǒng)同通用的計(jì)算機(jī)相比有以下特點(diǎn):1)嵌入式系統(tǒng)通常是形式多樣的面向特點(diǎn)應(yīng)用的軟硬件綜合體2)嵌入式系統(tǒng)得到多種處理器類(lèi)型和體系結(jié)構(gòu)的支持3)嵌入式系統(tǒng)通常極其關(guān)注成本4)嵌入式系統(tǒng)有實(shí)時(shí)性和可靠性的要求5)嵌入式系統(tǒng)使用的操作系統(tǒng)一般是適應(yīng)多種類(lèi)型處理器、可裁減、輕量型、實(shí)時(shí)可靠和可固化的嵌入式操作系統(tǒng)6)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需要專(zhuān)門(mén)工具和特殊方法。

嵌入式系統(tǒng)可按嵌入式處理器的位數(shù)，應(yīng)用，實(shí)時(shí)性和軟件結(jié)構(gòu)等原則進(jìn)行分類(lèi):按嵌入式處理器的位數(shù)可分為4位，8位，16位，32位和64位;按應(yīng)用來(lái)可分為信息家電類(lèi)，移動(dòng)終端類(lèi)，通信類(lèi)，汽車(chē)電子類(lèi)和工業(yè)控制類(lèi);按實(shí)時(shí)性可分為嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)和嵌入式非實(shí)時(shí)系統(tǒng);按嵌入式軟件結(jié)構(gòu)可分為循環(huán)輪詢(xún)系統(tǒng)，前后臺(tái)系統(tǒng)，單處理器多任務(wù)系統(tǒng)以及多處理器多任務(wù)系統(tǒng)。

2 嵌入式硬件系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)的硬件部分，包括處理器 / 微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和 I/O 端口、圖形控制器等。嵌入式系統(tǒng)有別于一般的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，它不具備像硬盤(pán)那樣大容量的存儲(chǔ)介質(zhì)，而大多使用 EPROM 、 EEPROM 或閃存 (Flash Memory) 作為存儲(chǔ)介質(zhì)。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件 ( 要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作 ) 和應(yīng)用程序編程。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為;而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。

2.1 嵌入式處理器

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具備 4 個(gè)特點(diǎn): 一是對(duì)實(shí)時(shí)和多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度;二是具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)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(cuò)誤的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)也有利于軟件診斷;三是可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以能迅速地?cái)U(kuò)展出滿(mǎn)足應(yīng)用的高性能的嵌入式微處理器;四是嵌入式微處理器的功耗必須很低，尤其是用于便攜式的無(wú)線(xiàn)及移動(dòng)的計(jì)算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，功耗只能為 mW 甚至μ W 級(jí)。

2.2 總線(xiàn)

總線(xiàn)是指一組進(jìn)行互連和傳輸信息(指令、數(shù)據(jù)和地址)的信號(hào)線(xiàn)，是連接系統(tǒng)各個(gè)部件的橋梁。采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)便于部件和設(shè)備的擴(kuò)充，尤其是制定了統(tǒng)一的總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)后更容易使不同的設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)互連。

嵌入式系統(tǒng)的總線(xiàn)一般分為片內(nèi)總線(xiàn)和片外總線(xiàn)。片內(nèi)總線(xiàn)就是嵌入式微處理器內(nèi)的CPU與片內(nèi)其他部件連接的總線(xiàn);片外總線(xiàn)集成在嵌入式為處理器內(nèi)或外接芯片擴(kuò)展上，用于連接外部設(shè)備。現(xiàn)在ARM的片內(nèi)總線(xiàn)AMBA和片外總線(xiàn)PCI總線(xiàn)近幾年已在嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。

2.3 存儲(chǔ)器

嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)器分三種:高速緩存Cache、主存(片內(nèi)和片外)和外存。

高速緩沖存儲(chǔ)器中存放的是當(dāng)前使用最多的程序代碼和數(shù)據(jù)，即主存中部分內(nèi)容的副本。主存是處理器能直接訪(fǎng)問(wèn)的存儲(chǔ)器，用來(lái)存放系統(tǒng)和用戶(hù)的程序和數(shù)據(jù)。嵌入式系統(tǒng)的主存可位于處理器內(nèi)和處理器外。片內(nèi)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容容量小、速度快;片外存儲(chǔ)器容量大。外存是處理器不能直接訪(fǎng)問(wèn)的存儲(chǔ)器，用來(lái)存放用戶(hù)的各種信息，容量大，存取速度相對(duì)于主存要慢的多，但它可以用來(lái)長(zhǎng)期保存用戶(hù)信息。

2.4 輸入/輸出接口和設(shè)備

嵌入式是面向應(yīng)用的，不同的應(yīng)用所需的接口和外設(shè)不同。在嵌入式系統(tǒng)中通常大多數(shù)接口和部分外設(shè)已經(jīng)集成到嵌入式處理器上，如Timer， RTC， UART，USB，A/D，D/A，DMA控制器和終端控制器等等。

3 嵌入式軟件系統(tǒng)

嵌入式軟件就是嵌入在硬件中的操作系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)工具軟件，它在產(chǎn)業(yè)中的關(guān)聯(lián)關(guān)系體現(xiàn)為:芯片設(shè)計(jì)制造→嵌入式系統(tǒng)軟件→嵌入式電子設(shè)備開(kāi)發(fā)、制造。

嵌入式軟件與嵌入式系統(tǒng)是密不可分的，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器和車(chē)間運(yùn)行的裝置”，就是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶(hù)的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。而嵌入式軟件就是基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件，它也是計(jì)算機(jī)軟件的一種，同樣由程序及其文檔組成，可細(xì)分成系統(tǒng)軟件、支撐軟件、應(yīng)用軟件三類(lèi)，是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分。

嵌入式軟件是計(jì)算機(jī)軟件的一種。它有以下特點(diǎn):規(guī)模小，開(kāi)發(fā)難度大;快速啟動(dòng)，直接運(yùn)行;實(shí)時(shí)性和可靠性高;程序一體化;開(kāi)發(fā)平臺(tái)和運(yùn)行平臺(tái)各不相同。

3.1 嵌入式軟件分類(lèi)

1) 嵌入式操作系統(tǒng):嵌入式操作系統(tǒng)EOS(Embedded Operating System)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，過(guò)去它主要應(yīng)用于工業(yè)控制和國(guó)防系統(tǒng)領(lǐng)域。現(xiàn)在國(guó)際上有名的嵌入式操作系統(tǒng)有Windows CE 、Palm OS 、Linux 、VxWorks 、pSOS、 QNX、OS-9 、LynxOS等，已進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)的國(guó)外產(chǎn)品有WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等。

2) 嵌入式支撐軟件:支撐軟件是用于幫助和支持軟件開(kāi)發(fā)的軟件，通常包括數(shù)據(jù)庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具，其中以數(shù)據(jù)庫(kù)最為重要。國(guó)際上主要的嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)有Sybase、Oracle等。

3) 嵌入式應(yīng)用軟件:嵌入式應(yīng)用軟件是針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域，基于某一固定的硬件平臺(tái)，用來(lái)達(dá)到用戶(hù)預(yù)期目標(biāo)的計(jì)算機(jī)軟件。

3.2 嵌入式軟件的特點(diǎn)

1) 嵌入式軟件具有獨(dú)特的實(shí)用性。嵌入式軟件是為嵌入式系統(tǒng)服務(wù)的，這就要求它與外部硬件和設(shè)備聯(lián)系緊密。嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，嵌入式軟件是應(yīng)用系統(tǒng)，根據(jù)應(yīng)用需求定向開(kāi)發(fā)，面向產(chǎn)業(yè)、面向市場(chǎng)，需要特定的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。每種嵌入式軟件都有自己獨(dú)特的應(yīng)用環(huán)境和實(shí)用價(jià)值。

2) 嵌入式軟件應(yīng)有靈活的適用性。嵌入式軟件通常可以認(rèn)為是一種模塊化軟件，它應(yīng)該能非常方便靈活的運(yùn)用到各種嵌入式系統(tǒng)中，而不能破壞或更改原有的系統(tǒng)特性和功能。首先它要小巧，不能占用大量資源;其次要使用靈活，應(yīng)盡量?jī)?yōu)化配置，減小對(duì)系統(tǒng)的整體繼承性，升級(jí)更換靈活方便。

3) 嵌入式軟件發(fā)展趨勢(shì)

進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和軟件技術(shù)為核心的信息技術(shù)取得了更加迅猛的發(fā)展，各種裝備與設(shè)備上嵌入式計(jì)算與系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用大大地推動(dòng)了行業(yè)的滲透性應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)被描述為:“以應(yīng)用為中心、軟件硬件可裁剪的、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格綜合性要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，由嵌入式硬件和嵌入式軟件兩部分組成。硬件是支撐，軟件是靈魂，幾乎所有的嵌入式產(chǎn)品中都需要嵌入式軟件來(lái)提供靈活多樣、而且應(yīng)用特制的功能。由于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，嵌入式軟件在整個(gè)軟件產(chǎn)業(yè)中占據(jù)了重要地位，并受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注;如今已成為信息產(chǎn)業(yè)中最為耀眼的“明星”之一。

4) 嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng) ( 包括硬、軟件系統(tǒng) ) 極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等 Browser 。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，如能夠有效管理越來(lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)資源;能夠把硬件虛擬化，使得開(kāi)發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動(dòng)程序移植和維護(hù)中解脫出來(lái);能夠提供庫(kù)函數(shù)、驅(qū)動(dòng)程序、工具集以及應(yīng)用程序 。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴(lài)性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專(zhuān)用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。

5) 嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展

嵌入式操作系統(tǒng)伴隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)比較明顯的階段。第一階段是無(wú)操作系統(tǒng)的嵌入算法階段;第二階段是以嵌入式 CPU 為基礎(chǔ)、以簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng);第三階段是通用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段，是以嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng);第四階段是以基于 Internet 為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)，這是一個(gè)正在迅速發(fā)展的階段。

4 嵌入式內(nèi)核基礎(chǔ)

嵌入式操作系統(tǒng)一般由內(nèi)核、嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、嵌入式文件系統(tǒng)等組成。 內(nèi)核是嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是必備的部分。 它提供任務(wù)管理、內(nèi)存管理、通信、同步與互斥機(jī)制、中斷管理、時(shí)間管理及任務(wù)擴(kuò)展等功能。 內(nèi)核還提供特定的應(yīng)用編程接口，但目前沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。具體來(lái)講，嵌入式內(nèi)核功能包括以下幾方面:

4.1 任務(wù)管理

內(nèi)核的核心部分，具有任務(wù)調(diào)度、創(chuàng)建任務(wù)、刪除任務(wù)、掛起任務(wù)、解掛任務(wù)、設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級(jí)等功能。通用計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)追求的是最大的吞吐率，為了達(dá)到最佳整體性能，其調(diào)度原則是公平，采用Round-Robin或可變優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，調(diào)度時(shí)機(jī)主要以時(shí)間片為主驅(qū)動(dòng)。而嵌入式操作系統(tǒng)多采用基于靜態(tài)優(yōu)先級(jí)的可搶占的調(diào)度，任務(wù)優(yōu)先級(jí)是在運(yùn)行前通過(guò)某種策略靜態(tài)分配好的，一旦有優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)就緒就馬上進(jìn)行調(diào)度。

4.2 內(nèi)存管理

嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理比較簡(jiǎn)單。通常不采用虛擬存儲(chǔ)管理，而采用靜態(tài)內(nèi)存分配和動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配(固定大小內(nèi)存分配和可變大小內(nèi)存分配)相結(jié)合的管理方式。 有些內(nèi)核利用MMU機(jī)制提供內(nèi)存保護(hù)功能。通用操作系統(tǒng)廣泛使用了虛擬內(nèi)存的技術(shù)，為用戶(hù)提供一個(gè)功能強(qiáng)大的虛存管理機(jī)制。

4.3 通信、同步和互斥機(jī)制

這些機(jī)制提供任務(wù)間、任務(wù)與中斷處理程序間的通信、同步和互斥功能。 一般包括信號(hào)量、消息、事件、管道、異步信號(hào)和共享內(nèi)存等功能。與通用操作系統(tǒng)不同的是，嵌入式操作系統(tǒng)需要解決在這些機(jī)制的使用中出現(xiàn)的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題。

4.4 中斷管理

一般具有以下功能: 安裝中斷服務(wù)程序 ;中斷發(fā)生時(shí)，對(duì)中斷現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行保存，并且轉(zhuǎn)到相應(yīng)的服務(wù)程序上執(zhí)行; 中斷退出前，對(duì)中斷現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行恢復(fù); 中斷棧切換;中斷退出時(shí)的任務(wù)調(diào)度

4.5 時(shí)間管理

提供高精度、應(yīng)用可設(shè)置的系統(tǒng)時(shí)鐘，該時(shí)鐘是嵌入式系統(tǒng)的時(shí)基，可設(shè)置為十毫秒以下。提供日歷時(shí)間，負(fù)責(zé)與時(shí)間相關(guān)的任務(wù)管理工作如任務(wù)對(duì)資源有限等待的計(jì)時(shí)、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度等，提供軟定時(shí)器的管理功能等。通用操作系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)鐘的精度由操作系統(tǒng)確定，應(yīng)用不可調(diào)，且一般是幾十個(gè)毫秒。

4.6 任務(wù)擴(kuò)展功能

任務(wù)擴(kuò)展功能就是在內(nèi)核中設(shè)置一些Hook的調(diào)用點(diǎn)，在這些調(diào)用點(diǎn)上內(nèi)核調(diào)用應(yīng)用設(shè)置的、應(yīng)用自己編寫(xiě)的擴(kuò)展處理程序，以擴(kuò)展內(nèi)核的有關(guān)功能。 Hook調(diào)用點(diǎn)有任務(wù)創(chuàng)建、任務(wù)切換、任務(wù)刪除、出錯(cuò)處理等。

5 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

以信息家電為代表的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代嵌入式產(chǎn)品，不僅為嵌入式市場(chǎng)展現(xiàn)了美好前景，注入了新的生命;同時(shí)也對(duì)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，特別是軟件技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。這主要包括:支持日趨增長(zhǎng)的功能密度、靈活的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接、輕便的移動(dòng)應(yīng)用和多媒體的信息處理，此外，當(dāng)然還需對(duì)付更加激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

面對(duì)這些需求，嵌入式系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)還有以下幾點(diǎn):一是形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——行業(yè)性嵌入式軟硬件平臺(tái)的趨勢(shì);二是SOC將成為應(yīng)用主流的趨勢(shì);三是嵌入式應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)需要強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)工具和操作系統(tǒng)的支持;四是嵌入式系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)成必要趨勢(shì);五是嵌入式系統(tǒng)向新的嵌入式計(jì)算模型方向發(fā)展。

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