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—— 十年太长,五年;如果可以回到五年前,你最想对那时候的自己说什么?

 
 
 

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嵌入式系统--百度百科  

2008-11-01 12:34:15|  分类: IT/Net |  标签: |举报 |字号 订阅

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  嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点:

  1)对实时多任务有很强的支持能力,能完成多任务并且有较短的中断响应时间,从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。

  2)具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化,而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用,需要设计强大的存储区保护功能,同时也有利于软件诊断。

  3)可扩展的处理器结构,以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。

  4)嵌入式微处理器必须功耗很低,尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此,如需要功耗只有mW甚至μW级。

  嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点:

  1.嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中,它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点,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,跟网络的耦合也越来越紧密。

  2.嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

  3.嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计,量体裁衣、去除冗余,力争在同样的硅片面积上实现更高的性能,这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。

  4.嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起,它的升级换代也是和具体产品同步进行,因此嵌入式系统产品一旦进入市场,具有较长的生命周期。

  5.为了提高执行速度和系统可靠性,嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中,而不是存贮于磁盘等载体中。

  6.嵌入式系统本身不具备自举开发能力,即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的,必须有一套开发工具和环境才能进行开发。

  7.目前,嵌入式系统多用于手机等操作系统的开发。具有巨大的市场潜力.

  1.1.1 何为嵌入式系统

  嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每个角落,工业、服务业、消费电子……,而恰恰由于这种范围的扩大,使得“嵌入式系统”更加难于明确定义。

  举个简单例子:一个手持的mp3是否可以叫做是嵌入式系统呢?答案肯定是“是”。另外一个PC104的微型工业控制计算机你会认为它是嵌入式系统吗?当然,也是,工业控制是嵌入式系统技术的一个典型应用领域。然而比较两者,你也许会发现二者几乎完全不同,除了其中都嵌入有微处理器。那是否可以说嵌入着微处理器的设备就是嵌入式系统?那鼠标中也有单片机,能叫嵌入式系统嘛?

  那到底什么是嵌入式系统?莫非嵌入式系统只是一个难以定义的抽象概念?

  1.嵌入式系统的历史

  虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的,但是这个概念并非新近才出现。从20世纪七十年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器,微控制器的大规模应用,嵌入式系统已经有了近30年的发展历史。

  作为一个系统,往往是在硬件和软件交替发展的双螺旋的支撑下逐渐趋于稳定和成熟,嵌入式系统也不例外。

  嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。70年代单片机的出现,使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能:更容易使用、更快、更便宜。这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点,但是这时的应用只是使用8位的芯片,执行一些单线程的程序,还谈不上“系统”的概念。

  提示:最早的单片机是Intel公司的 8048,它出现在1976年。Motorola同时推出了68HC05,Zilog公司推出了Z80系列,这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4K的ROM、4 个8位并口、1个全双工串行口、两个16位定 时 器。之后在80年代初,Intel又进一步完善了8048,在它的基础上研制成功了8051,这在单片机的历史上是值得纪念的一页,迄今为止,51系列的单片机仍然是最为成功的单片机芯片,在各种产品中有着非常广泛的应用。

  从80年代早期开始,嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写嵌入式应用软件,这使得可以获取更短的开发周期,更低的开发资金和更高的开发效率,“嵌入式系统”真正出现了。确切点说,这个时候的操作系统是一个实时核,这个实时核包含了许多传统操作系统的特征,包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。其中比较著名的有Ready System 公司的VRTX、Integrated System Incorporation (ISI)的PSOS和IMG的VxWorks、QNX公司的QNX 等。这些嵌入式操作系统都具有嵌入式的典型特点:它们均采用占先式的调度,响应的时间很短,任务执行的时间可以确定;系统内核很小,具有可裁剪,可扩充和可移植性,可以移植到各种处理器上;较强的实时和可靠性,适合嵌入式应用。这些嵌入式实时多任务操作系统的出现,使得应用开发人员得以从小范围的开发解放出来,同时也促使嵌入式有了更为广阔的应用空间。

  90年代以后,随着对实时性要求的提高,软件规模不断上升,实时核逐渐发展为实时多任务操作系统(RTOS),并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。这时候更多的公司看到了嵌入式系统的广阔发展前景,开始大力发展自己的嵌入式操作系统。除了上面的几家老牌公司以外,还出现了Palm OS,WinCE,嵌入式Linux,Lynx,Nucleux,以及国内的Hopen,Delta Os等嵌入式操作系统。随着嵌入式技术的发展前景日益广阔,相信会有更多的嵌入式操作系统软件出现。

  在中国嵌入式系统领域,比较认同的嵌入式系统概念是:嵌入式系统是以应用为中心,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。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的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。

  2.嵌入式系统的定义

  根据IEEE(国际电机工程师协会)的定义,嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”(原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)。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。

  不过上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓,目前国内一个普遍被认同的定义是:以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

  这个定义上,可从几方面来理解嵌入式系统:

  ◆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、才更具有优势。因此可以这样理解上述三个面向的含义,即嵌入式系统是与应用紧密结合的,它具有很强的专用性,必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。

  ◆嵌入式系统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,这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以,介入嵌入式系统行业,必须有一个正确的定位。例如Palm之所以在PDA领域占有70%以上的市场,就是因为其立足于个人电子消费品,着重发展图形界面和多任务管理;而风河的Vxworks之所以在火星车上得以应用,则是因为其高实时性和高可靠性。

  ◆嵌入式系统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。所以,如果能建立相对通用的软硬件基础,然后在其上开发出适应各种需要的系统,是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几K到几十K微内核,需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减,但是由于微内核的存在,使得这种扩展能够非常顺利的进行。

  实际上,嵌入式系统本身是一个外延极广的名词,凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统,而且有时很难以给它下一个准确的定义。现在人们讲嵌入式系统时,某种程度上指近些年比较热的具有操作系统的嵌入式系统,本文在进行分析和展望时,也沿用这一观点。

  一般而言,嵌入式系统的构架可以分成四个部分:处理器、存储器、输入输出(I/O)和软件(由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合的,在这里我们对其不加区分,这也是嵌入式系统和Windows系统的最大区别)。

  3. 嵌入式系统中的一些重要概念

  嵌入式系统中有许多非常重要的概念:

  ◆嵌入式处理器:

  嵌入式系统的核心,是控制、辅助系统运行的硬件单元。范围极其广阔,从最初的4位处理器,目前仍在大规模应用的8位单片机,到最新的受到广泛青睐的32位,64位嵌入式CPU。

  ◆实时操作系统(Real Time Operating System):

  嵌入式系统目前最主要的组成部分。根据操作系统的工作特性,实时是指物理进程的真实时间。实时操作系统具有实时性,能从硬件方面支持实时控制系统工作的操作系统。其中实时性是第一要求,需要调度一切可利用的资源完成实时控制任务,其次才着眼于提高计算机系统的使用效率,重要特点是要满足对时间的限制和要求。

  ◆分时操作系统:

  对于分时操作系统,软件的执行在时间上的要求,并不严格,时间上的错误,一般不会造成灾难性的后果。目前分时系统的强项在于多任务的管理,而实时操作系统的重要特点是具有系统的可确定性,即系统能对运行情况的最好和最坏等的情况能做出精确的估计。

  ◆多任务操作系统:

  系统支持多任务管理和任务间的同步和通信,传统的单片机系统和DOS系统等对多任务支持的功能很弱,而目前的Windows是典型的多任务操作系统。在嵌入式应用领域中,多任务是一个普遍的要求。

  ◆实时操作系统中的重要概念:

  系统响应时间(System response time):系统发出处理要求到系统给出应答信号的时间。

  任务换道时间(Context-switching time):任务之间切换而使用的时间。

  中断延迟(Interrupt latency):计算机接收到中断信号到操作系统作出响应,并完成换道转入中断服务程序的时间。

  ◆实时操作系统的工作状态:

  实时系统中的任务有四种状态:运行(Executing),就绪(Ready),挂起(Suspended),冬眠(Dormant)。

  运行:获得CPU控制权。

  就绪:进入任务等待队列,通过调度转为运行状态。

  挂起:任务发生阻塞,移出任务等待队列,等待系统实时事件的发生而唤醒,从而转为就绪或运行。

  冬眠:任务完成或错误等原因被清除的任务,也可以认为是系统中不存在的任务。

  任何时刻系统中只能有一个任务在运行状态,各任务按级别通过时间片分别获得对CPU的访问权。

  1.1.2 嵌入式系统的特点

  这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因只要有几个方面:一是芯片技术的发展,使得单个芯片具有更强的处理能力,而且使集成多种接口已经成为可能,众多芯片生产厂商已经将注意力集中在这方面。另一方面的原因就是应用的需要,由于对产品可靠性、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。

  从上面的定义,我们可以看出嵌入式系统的几个重要特征:

  1.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。比如Enea公司的OSE分布式系统,内核只有5K,而Windows的内核?简直没有可比性。

  2.专用性强。嵌入式系统的个性化很强,其中的软件系统和硬件的结合非常紧密,一般要针对硬件进行系统的移植,即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务,往往需要对系统进行较大更改,程序的编译下载要和系统相结合,这种修改和通用软件的“升级”是完全两个概念。

  3.系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分,不要求其功能设计及实现上过于复杂,这样一方面利于控制系统成本,同时也利于实现系统安全。

  4.高实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储,以提高速度;软件代码要求高质量和高可靠性。

  5.嵌入式软件开发要想走向标准化,就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行;但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口,用户必须自行选配RTOS(Real-Time Operating System)开发平台,这样才能保证程序执行的实时性、可靠性,并减少开发时间,保障软件质量。

  6.嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自举开发能力,即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的,必须有一套开发工具和环境才能进行开发,这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念,主机用于程序的开发,目标机作为最后的执行机,开发时需要交替结合进行。

  1.1.3 嵌入式系统的分类

  由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成,所以其分类也可以从硬件和软件进行划分。

  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,而目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种,流行体系结构包括MCU,MPU等30多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景,很多半导体制造商都大规模生产嵌入式处理器,并且公司自主设计处理器也已经成为了未来嵌入式领域的一大趋势,其中从单片机、DSP到FPGA有着各式各样的品种,速度越来越快,性能越来越强,价格也越来越低。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从64kB到16MB,处理速度最快可以达到2000 MIPS,封装从8个引脚到144个引脚不等。

  嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点:

  1)对实时多任务有很强的支持能力,能完成多任务并且有较短的中断响应时间,从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。

  2)具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化,而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用,需要设计强大的存储区保护功能,同时也有利于软件诊断。

  3)可扩展的处理器结构,以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。

  4)嵌入式微处理器必须功耗很低,尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此,如需要功耗只有mW甚至μW级。

  根据其现状,嵌入式处理器可以分成下面几类:

  ◆嵌入式微处理器(Micro Processor Unit,MPU)

  嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。它的特征是具有32位以上的处理器,具有较高的性能,当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是,在实际嵌入式应用中,只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件,去除其他的冗余功能部分,这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比,嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。

  其中Arm/StrongArm是专为手持设备开发的嵌入式微处理器,属于中档的价位。

  ◆嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)

  嵌入式微控制器的典型代表是单片机,从70年代末单片机出现到今天,虽然已经经过了20多年的历史,但这种8位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比,微控制器的最大特点是单片化,体积大大减小,从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富,适合于控制,因此称微控制器。

  由于MCU低廉的价格,优良的功能,所以拥有的品种和数量最多,比较有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及 MCU 8XC930/931、C540、C541,并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系统约70%的市场份额。近来Atmel出产的Avr单片机由于其集成了FPGA等器件,所以具有很高的性价比,势必将推动单片机获得更高的发展。

  ◆嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)

  DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器,其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计,具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。

  DSP的理论算法在70年代就已经出现,但是由于专门的DSP处理器还未出现,所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。MPU较低的处理速度无法满足DSP的算法要求,其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。随着大规模集成电路技术发展,1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。其运算速度比MPU快了几十倍,在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。至80年代中期,随着CMOS技术的进步与发展,第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生,其存储容量和运算速度都得到成倍提高,成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。到80年代后期,DSP的运算速度进一步提高,应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。90年代后,DSP发展到了第五代产品,集成度更高,使用范围也更加广阔。

  目前最为广泛应用的是TI的TMS320C2000/C5000系列,另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。

  ◆嵌入式片上系统(System On Chip)

  SoC追求产品系统最大包容的集成器件,是目前嵌入式应用领域的热门话题之一。SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合,直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且SOC具有极高的综合性,在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言,实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样,绘制庞大复杂的电路板,一点点的连接焊制,只需要使用精确的语言,综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准,然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于绝大部分系统构件都是在系统内部,整个系统就特别简洁,不仅减小了系统的体积和功耗,而且提高了系统的可靠性,提高了设计生产效率。

  由于SOC往往是专用的,所以大部分都不为用户所知,比较典型的SOC产品是Philips的Smart XA。少数通用系列如Siemens的TriCore,Motorola的M-Core,某些ARM系列器件,Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。

  预计不久的将来,一些大的芯片公司将通过推出成熟的、能占领多数市场的SOC芯片,一举击退竞争者。SOC芯片也将在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中发挥重要作用。

  从软件方面划分,主要可以依据操作系统的类型。目前嵌入式系统的软件主要有两大类: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。

  实时嵌入系统是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Windows CE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。

  当然,除了上述分类之外,还有许多其他分类方法,比如从应用方面分为工业应用和消费电子等,在这里就不一一累述了。

  1.2嵌入式系统的应用领域

  嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景,其应用领域可以包括:

  1.工业控制:

  基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展,目前已经有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在应用中,网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途径,如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。就传统的工业控制产品而言,低端型采用的往往是8位单片机。但是随着技术的发展,32位、64位的处理器逐渐成为工业控制设备的核心,在未来几年内必将获得长足的发展。

  2.交通管理:

  在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面,嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用,内嵌GPS模块,GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭,只需要几千元,就可以随时随地找到你的位置。

  3.信息家电:

  这将称为嵌入式系统最大的应用领域,冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使你不在家里,也可以通过电话线、网络进行远程控制。在这些设备中,嵌入式系统将大有用武之地。

  4.家庭智能管理系统:

  水、电、煤气表的远程自动抄表,安全防火、防盗系统,其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查,并实现更高,更准确和更安全的性能。目前在服务领域,如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势。

  5.POS网络及电子商务:

  公共交通无接触智能卡(Contactless Smartcard, CSC)发行系统,公共电话卡发行系统,自动售货机,各种智能ATM终端将全面走入人们的生活,到时手持一卡就可以行遍天下。

  6.环境工程与自然:

  水文资料实时监测,防洪体系及水土质量监测、堤坝安全,地震监测网,实时气象信息网,水源和空气污染监测。在很多环境恶劣,地况复杂的地区,嵌入式系统将实现无人监测。

  7.机器人:

  嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化,高智能方面优势更加明显,同时会大幅度降低机器人的价格,使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。

  这些应用中,可以着重于在控制方面的应用。就远程家电控制而言,除了开发出支持TCP/IP的嵌入式系统之外,家电产品控制协议也需要制订和统一,这需要家电生产厂家来做。同样的道理,所有基于网络的远程控制器件都需要与嵌入式系统之间实现接口,然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实现控制。所以,开发和探讨嵌入式系统有着十分重要的意义。

  1.3 嵌入式系统在机电产品方面的应用

  相对于其他的领域,机电产品可以说是嵌入式系统应用最典型最广泛的领域之一。从最初的单片机到现在的工控机、SOC在各种机电产品中均有着巨大的市场。

  工业设备是机电产品中最大的一类,在目前的工业控制设备中,工控机的使用非常广泛,这些工控机一般采用的是工业级的处理器和各种设备,其中以X86的MPU最多。工控的要求往往较高,需要各种各样的设备接口,除了进行实时控制,还须将设备状态,传感器的信息等在显示屏上实时显示。这些要求8位的单片机是无法满足的,以前多数使用16位的处理器,随着处理器快速的发展,目前32位、64位的处理器逐渐替代了16位处理器,进一步提升了系统性能。采用PC104总线的系统,体积小,稳定可靠,受到了很多用户的青睐。不过这些工控机采用的往往是DOS或者Windows系统,虽然具有嵌入式的特点,却不能称作纯粹的嵌入式系统。另外在工业控制器和设备控制器方面,则是各种嵌入式处理器的天下。这些控制器往往采用16位以上的处理器,各种MCU,Arm、Mips、68K系列的处理器在控制器中占据核心地位。这些处理器上提供了丰富的接口总线资源,可以通过它们实现数据采集,数据处理,通讯以及显示(显示一般是连接LED或者LCD)。最近飞利浦和ARM共同推出32位RISC嵌入式控制器,适用于工业控制,采用最先进的0.18微米CMOS嵌入式闪存处理技术,操作电压可以低至1.2伏,它还能降低25%到30%的制造成本,在工业领域中对最终用户而言是一套极具成本效益的解决方案。美国TERN工业控制器基于Am188/186ES、i386EX、NEC V25、Am586(Elan SC520),采用了SUPERTASK实时多任务内核,可应用于便携设备、无线控制设备、数据采集设备、工业控制与工业自动化设备以及其它需要控制处理的设备。

  家电行业是嵌入式应用的另一大行业,我们传统的电视,电冰箱当然其中也嵌有处理器,但是这些处理器只是在控制方面应用。而现在只有按钮、开关的电器显然已经不能满足人们的日常需求,具有用户界面,能远程控制,智能管理的电器是未来的发展趋势。据IDG发布的统计数据表明,未来信息家电将会成长五至十倍。中国的传统家电厂商向信息家电过渡时,首先面临的挑战是核心操作系统软件开发工作。硬件方面,进行智能信息控制并不是很高的要求,目前绝大多数嵌入式处理器都可以满足硬件要求,真正的难点是如何使软件操作系统容量小、稳定性高且易于开发。Linux核心可以起到很好的桥梁作用,作为一个跨平台的操作系统,它可以支持二三十种CPU ,而目前已有众多家电业的芯片都开始做Linux的平台移植工作。1999年就登录中国的微软“维纳斯”计划给了国人一个数字家庭的概念,引导各大家电厂商纷纷投入到这场革命中来,虽然最终未能获得成功,却使信息家电深入人心。如今各大厂商仍然在努力推出适用于新一代家电应用的芯片,英特尔公司已专为信息家电业研发了名为StrongARM的ARM CPU系列,这一系列CPU本身不象X86CPU需要整合不同的芯片组,它在一颗芯片中可以包括你所需要的各项功能,即硬件系统实现了SOC的概念。美商网虎公司已将全球最小的嵌入式操作系统——QUARK成功移植到StrongARM系列芯片上,这是第一次把Linux、图形界面和一些程序进行完整移植(QUARK的内核只有143K),它将为信息家电提供功能强大的核心操作系统。相信在不久的将来,数字智能家庭必将来到我们身边。

  机器人技术的发展从来就是与嵌入式系统的发展紧密联系在一起的。最早的机器人技术是50年代MIT提出的数控技术,当时使用的还远未达到芯片水平,只是简单的与非门逻辑电路。之后由于处理器和智能控制理论的发展缓慢从50年代到70年代初期,机器人技术一直未能获得充分的发展。70年代中期之后,由于智能理论的发展和MCU出现,机器人逐渐成为研究热点,并且获得了长足的发展。近来由于嵌入式处理器的高度发展,机器人从硬件到软件也呈现了新的发展趋势。例如火星车就是一个典型例子,这个价值10亿美金的技术高密集移动机器人,采用的是美国风河公司的Vxworks嵌入式操作系统,可以在不与地球联系的情况下自主工作。1997年美国发射的“索杰纳”火星车带有机械手,可以采集火星上的各种地况,并且通过摄像头把火星上的图像发回地面指挥中心。这台火星车在火星上自主工作了3个月,充分体现了Vxworks系统的高可靠性。以索尼的机器狗为代表的智能机器宠物,可以仅仅使用8位的AVR,51单片机或者16位的DSP来控制舵机,进行图像处理,就能制造出那些人见人爱的玩具,让我们不能不惊叹嵌入式处理器强大的功能。近来32位处理器,Windows CE等32位嵌入式操作系统的盛行,使得操控一个机器人只需要在手持PDA上获取远程机器人的信息,并且通过无线通讯控制机器人的运行,与传统的采用工控机相比,要轻巧便捷的多。随着嵌入式控制器越来越微型化、功能化,微型机器人、特种机器人等也将获得更大的发展机遇。

  1.4 嵌入式系统的发展现状和发展趋势

  1.4.1 嵌入式系统的发展现状

  随着信息化,智能化,网络化的发展,嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空间。美国著名未来学家尼葛洛庞帝99年1月访华时预言,4~5年后嵌入式智能(电脑) 工具将是PC和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系统专家沈绪榜院士98年11月在武汉全国第11次微机学术交流会上发表的《计算机的发展与技术》一文中,对未来10年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述和展望。1999年世界电子产品产值已超过12000亿美元,2000年达到13000亿美元,预计2005年,销售额将达18000亿美元。

  进入20世纪90年代,嵌入式技术全面展开,目前已成为通信和消费类产品的共同发展方向。在通信领域,数字技术正在全面取代模拟技术。在广播电视领域,美国已开始由模拟电视向数字电视转变,欧洲的DVB(数字电视广播)技术已在全球大多数国家推广。数字音频广播(DAB)也已进入商品化试播阶段。而软件、集成电路和新型元器件在产业发展中的作用日益重要。所有上述产品中,都离不开嵌入式系统技术。象前途无可计量的维纳斯计划生产机顶盒,核心技术就是采用32位以上芯片级的嵌入式技术。在个人领域中,嵌入式产品将主要是个人商用,作为个人移动的数据处理和通讯软件。由于嵌入式设备具有自然的人机交互界面,GUI屏幕为中心的多媒体界面给人很大的亲和力。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效。

  目前一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布,日用范围也将日益广阔。对于企业专用解决方案,如物流管理、条码扫描、移动信息采集等,这种小型手持嵌入式系统将发挥巨大的作用。自动控制领域,不仅可以用于ATM机,自动售货机,工业控制等专用设备,和移动通讯设备结合、GPS、娱乐相结合,嵌入式系统同样可以发挥巨大的作用。近期长虹推出的ADSL产品,结合网络,控制,信息,这种智能化,网络化将是家电发展的新趋势。

  硬件方面,不仅有各大公司的微处理器芯片,还有用于学习和研发的各种配套开发包。目前低层系统和硬件平台经过若干年的研究,已经相对比较成熟,实现各种功能的芯片应有尽有。而且巨大的市场需求给我们提供了学习研发的资金和技术力量。

  从软件方面讲,也有相当部分的成熟软件系统。国外商品化的嵌入式实时操作系统,已进入我国市场的有WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等产品。我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科银(CoreTek)公司的嵌入式软件开发平台DeltaSystem,中科院推出的Hopen嵌入式操作系统(虽然还不够完善)。同时由于是研究热点,所以我们可以在网上找到各种各样的免费资源,从各大厂商的开发文档,到各种驱动,程序源代码,甚至很多厂商还提供微处理器的样片。这对于我们从事这方面的研发,无疑是个资源宝库。对于软件设计来说,不管是上手还是进一步开发,都相对来说比较容易。这就使得很多生手能够比较快的进入研究状态,利于发挥大家的积极创造性。

  今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元,1997年来自美国嵌入式系统大会(Embedded System Conference)的报告指出,未来5年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品,就将在美国产生一个每年1500亿美元的新市场。美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称,“福特出售的‘计算能力’已超过了IBM”,由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。1998年11月在美国加州举行的嵌入式系统大会上,基于RTOS的Embedded Internet成为一个技术新热点。在国内,“维纳斯计划”和“女锅计划”一度闹得沸沸扬扬,机顶盒、信息加电这两年更成了IT热点,而实际上这些都是嵌入式系统在特定环境下的一个特定应用。据调查,目前国际上已有两百多种嵌入式操作系统,而各种各样的开发工具、应用于嵌入式开发的仪器设备更是不可胜数。在国内,虽然嵌入式应用、开发很广,但该领域却几乎还是空白,只有三两家公司和极少数人员在从事这方面工作。由此可见,嵌入式系统技术发展的空间真是无比广大。

  1.4.2未来嵌入式系统的发展趋势

  信息时代,数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机,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,从中我们可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势:

  1.嵌入式开发是一项系统工程,因此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。

  目前很多厂商已经充分考虑到这一点,在主推系统的同时,将开发环境也作为重点推广。比如三星在推广Arm7,Arm9芯片的同时还提供开发板和版及支持包(BSP),而WindowCE在主推系统时也提供Embedded VC++作为开发工具,还有Vxworks的Tonado开发环境,DeltaOS的Limda编译环境等等都是这一趋势的典型体现。当然,这也是市场竞争的结果。

  2.网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高,使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一,结构更加复杂。

  这就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能,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如32位、64位RISC芯片或信号处理器DSP增强处理能力,同时增加功能接口,如USB,扩展总线类型,如CAN BUS,加强对多媒体、图形等的处理,逐步实施片上系统(SOC)的概念。软件方面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。如HP

  3.网络互联成为必然趋势。

  未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,同时也需要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.精简系统内核、算法,降低功耗和软硬件成本。

  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.提供友好的多媒体人机界面

  嵌入式设备能与用户亲密接触,最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面。图像界面,灵活的控制方式,使得人们感觉嵌入式设备就象是一个熟悉的老朋友。这方面的要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面,多媒体技术上痛下苦功。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使使用者获得自由的感受。目前一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布,但一般的嵌入式设备距离这个要求还有很长的路要走。

  参考文献:

  《嵌入式处理器分类与现状》 吕京建 肖海桥

  《DSP发展应用纵横谈》 戴 敏

  嵌入式系统(ES)是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图象数据传输技术,甚至传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的更新换代产品。因此往往是技术密集、投资强度大、高度分散、不断创新的知识密集型系统。反映当代最新技术的先进水平。 嵌入式系统不仅和一般的PC 机上的应用系统不同,就是针对不同的具体应用而设计的嵌入式系统之间差别也很大。嵌入式系统一般功能单一、简单,且在兼容性方面要求不高,但是在大小,成本方面限制较多。 嵌入式计算机基本上不能算是嵌入式系统。它仍然是计算机一类,不过是工作条件有所不同而已,因为它还保留了计算机的基本。

  嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。简单的说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化,类似与BIOS的工作方式。具有软件代码小,高度自动化,响应速度快等特点。特别适合于要求实时的和多任务的体系。

  一、嵌入式系统回顾

  事实上,在很早以前,嵌入式这个概念就已经存在了。在通信方面,嵌入式系统在20世纪60年代就用于对电子机械电话交换的控制,当时被称为“存储式程序控制系统”(Stored Program Control)。

  嵌入式计算机的真正发展是在微处理器问世之后。1971年11月,Intel公司成功地把算术运算器和控制器电路集成在一起,推出了第一款微处理器Intel 4004,其后各厂家陆续推出了许多8位、16位的微处理器,包括Intel 8080/8085、8086,Motorola 的6800、68000,以及Zilog的Z80、Z8000等。以这些微处理器作为核心所构成的系统,广泛地应用于仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等领域。微处理器的广泛应用形成了一个广阔的嵌入式应用市场,计算机厂家开始大量地以插件方式向用户提供OEM产品,再由用户根据自己的需要选择一套适合的CPU板、存储器板以及各式I/O插件板,从而构成专用的嵌入式计算机系统,并将其嵌入到自己的系统设备中。

  为灵活兼容考虑,出现了系列化、模块化的单板机。流行的单板计算机有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。后来人们可以不必从选择芯片开始来设计一台专用的嵌入式计算机,而是只要选择各功能模块,就能够组建一台专用计算机系统。用户和开发者都希望从不同的厂家选购最适合的OEM产品,插入外购或自制的机箱中就形成新的系统,这样就希望插件是互相兼容的,也就导致了工业控制微机系统总线的诞生。1976年Intel公司推出Multibus,1983年扩展为带宽达40MB/s的MultibusⅡ。1978年由Prolog设计的简单STD总线广泛应用于小型嵌入式系统。

  20世纪80年代可以说是各种总线层出不穷、群雄并起的时代。随着微电子工艺水平的提高,集成电路制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器、I/O接口、A/D、D/A转换、串行接口以及RAM、ROM等部件统统集成到一个VLSI中,从而制造出面向I/O设计的微控制器,也就是我们俗称的单片机,成为嵌入式计算机系统异军突起的一支新秀。其后发展的DSP产品则进一步提升了嵌入式计算机系统的技术水平,并迅速地渗入到消费电子、医用电子、智能控制、通信电子、仪器仪表、交通运输等各种领域。

  20世纪90年代,在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下,嵌入式系统进一步加速发展。面向实时信号处理算法的DSP产品向着高速、高精度、低功耗发展。Texas推出的第三代DSP芯片TMS320C30,引导着微控制器向32位高速智能化发展。在应用方面,掌上电脑、手持PC机、机顶盒技术相对成熟,发展也较为迅速。特别是掌上电脑,1997年在美国市场上掌上电脑不过四五个品牌,而1998年底,各式各样的掌上电脑如雨后春笋般纷纷涌现出来。此外,Nokia推出了智能电话,西门子推出了机顶盒,Wyse推出了智能终端,NS推出了WebPAD。装载在汽车上的小型电脑,不但可以控制汽车内的各种设备(如音响等),还可以与GPS连接,从而自动操控汽车。21世纪无疑是一个网络的时代,使嵌入式计算机系统应用到各类网络中去也必然是嵌入式系统发展的重要方向。在发展潜力巨大的“信息家电”中,人们非常关注的网络电话设备,即IP电话,就是一个代表。该设备可以简单到像普通电话一样,可它却是通过互联网来实现双方通话的,花市话的钱可以打长途电话!

  二、嵌入式系统具备的特性

  (1)通常只执行特定功能,这一点与一般桌上型办公设备或数据库系统有很大区别。

  (2)以微电脑与周边器件构成核心,其规模可在大范围内变化,如从8051芯片到 x86芯片。

  (3)严格的时序和稳定性要求,这是因为在机器控制的大型系统中,程序运行稍有差错则可能使得整个系统失去控制,甚至酿成灾害。

  (4)全自动操作循环。

  嵌入式系统是电脑软件与硬件的综合体,它是以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机。一台通用计算机的外部设备中就包含了5~10个嵌入式微处理器,键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数码相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器进行控制的。在制造工业、过程控制、通信、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面,嵌入式计算机都有用武之地。

  美国汽车大王福特公司的高级经理曾宣称,“福特出售的‘计算能力’已超过了IBM”,由此可以想象嵌入式计算机工业的规模和广度。美国著名未来学家尼葛洛庞帝1999年1月访华时预言,4~5年以后嵌入式智能(电脑)工具将是PC和因特网之后最伟大的发明。

  三、嵌入式系统的特点

  (1)嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物,这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。通用计算机行业中,占整个计算机行业90%的个人电脑产业,绝大部分采用的是Intel的x86体系结构,而芯片厂商则集中在Intel,AMD,Cyrix等几家公司,操作系统方面更是被微软占居垄断地位。但这样的情况却不会在嵌入式系统领域出现。这是一个分散的,充满竞争、机遇与创新的工业,没有哪个公司的操作系统和处理器能够垄断市场。

  (2)嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。嵌入式系统中的CPU与通用型CPU的最大不同就是前者大多工作在为特定用户群设计的系统中。通常,嵌入式系统CPU都具有低功耗、体积小、集成度高等特点,能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部,从而有利于整个系统设计趋于小型化。在对嵌入式系统的硬件和软件进行设计时必须重视效率,去除冗余,针对用户的具体需求,对系统进行合理配置,才能达到理想性能。与此同时,系统设计还受市场供求关系的影响。嵌入式处理器的发展也体现出稳定性,一个体系一般要存在8~10年的时间。一个体系结构及相关的片上外设、开发工具、库函数、嵌入式应用产品合在一起,可以构成一套复杂的知识系统。

  (3)嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起,其升级换代也是和具体产品同步进行的。因此嵌入式系统产品一旦进入市场,就具有较长的生命周期。

  (4)为了提高执行速度和系统可靠性,嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中,而不是存贮于磁盘等载体中。由于嵌入式系统的运算速度和存储容量仍然存在一定程度的限制,另外,由于大部分嵌入式系统必须具有较高的实时性,因此对程序的质量,特别是可靠性,有着较高的要求。

  (5)嵌入式系统本身并不具备在其上进行进一步开发的能力。在设计完成以后,用户如果需要修改其中的程序功能,也必须借助于一套开发工具和环境。

  (6)通用计算机的开发人员通常是计算机科学或者计算机工程方面的专业人士,而嵌入式系统开发人员却往往是各个应用领域中的专家,这就要求嵌入式系统所支持的开发工具易学、易用、可靠、高效。

  四、嵌入式系统组成

  嵌入式系统的组成软硬兼施,互利互惠,融为一体,成为产品。芯片加软件成为产品,但要开发工具辅助进行开发。

  嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计,量体裁衣,去除冗余,力争在同样的硅片面积上实现更高的性能,这样才能在具体应用中对处理器的选择面前更具有竞争力。 嵌入式系统组成:

  1、嵌入式芯片EMCU

  A、EMPU---嵌入式微处理器

  B、EMCU---嵌入式微控制器

  C、EDSP---嵌入式数字信号处理器

  D、ESOC,EPSOC---嵌入式片上系统,嵌入式可编程片上系统(系统芯片)

  2、嵌入式软件ESOFTWARE*-

  A、C++

  B、JAVA

  C、脚本语言(Script Langu- age)

  D、HOPEN

  E、JINI

  3、嵌入式操作系统(RTOS)

  A、VRTX

  B、PSOS

  C、VXWORK,WINCE,EPOC

  D、LINUX

  E、PALM

  F、OS-9

  G、JAVA CHORUS OS

  H、QN-X

  I、NAVIO

  嵌入式系统被定义为:以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口(API),是计算机基本组成不可分离的一部分,应用程序的开发以及完成后的软件都在OS平台上面运行,但一般不是实时的。嵌入式系统则不同,应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行;但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口,用户必须自行选配RTOS开发平台,这样才能保证程序执行的实时性、可靠性,并减少开发时间,保障软件质量

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