嵌入式系統
嵌入式系統（Embedded system）是以嵌入式處理器為核心部件以微電子技術、控制技術、計算機技術和通信技術為基礎，強調硬件、軟件的協同性與整合性，軟件與硬件可剪裁性，以滿足系統對功能、成本、體積和功耗等要求，嵌入式系統若以控制為目標，亦稱嵌入式控制系統。用于執行獨立功能的專用計算機系統。它由包括微處理器、定時器、微控制器、存儲器、傳感器、網卡等一系列微電子芯片與器件，和嵌入在存儲器中的微型操作系統、控制應用軟件組成，共同實現諸如實時控制、監視、管理、移動計算、數據處理等各種自動化處理任務。
?定義概念 編輯本段
嵌入式系統是以應用為中心，以現代計算機技術為基礎，能夠根據用戶需求(功能、可靠性、成本、體積、功耗、環境等靈活裁剪軟硬件模塊的專用計算機系統。
要點概括：
以應用為中心：強調嵌入式系統的目標是滿足用戶的特定需求。就絕大多數完整的嵌入式系統而言，用戶打開電源即可直接享用其功能，無需二次開發或僅需少量配置操作。
專用性：嵌入式系統的應用場合大多對可靠性、實時性有較高要求，這就決定了服務于特定應用的專用系統是嵌入式系統的主流模式，它并不強調系統的通用性和可擴展。這種專用性通常也導致嵌入式系統是一個軟硬件緊密集成的最終系統，因為這樣才能更有效地提高整個系統的可靠性并降低成本，并使之具有更好的用戶體驗。
以現代計算機技術為核心：嵌入式系統的最基本支撐技術，大致上包括集成電路設計技術、系統結構技術、傳感與檢測技術、嵌入式操作系統和實時操作系統技術、資源受限系統的高可靠軟件開發技術、系統形式化規范與驗證技術、通信技術、低功耗技術、特定應用領域的數據分析、信號處理和控制優化技術等，它們圍繞計算機基本原理，集成進特定的專用設備就形成了一個嵌入式系統。
軟硬件可裁剪：嵌入式系統針對的應用場景如此之多，并帶來差異性極大的設計指標要求(功能性能、可靠性、成本、功耗)，以至于現實上很難有一套方案滿足所有的系統要求，因此根據需求的不同，靈活裁剪軟硬件、組建符合要求的最終系統是嵌入式技術發展的必然技術路線。
發展歷程 編輯本段
嵌入式系統已經有了超30年的發展歷史，20世紀70年代單片機的出現，使得汽車、家電、工業機器、通信裝置等各種產品可以通過內嵌電子裝置來獲得更佳的使用性能。如更易用、更快、更便宜，這些裝置已經初步具備了嵌入式的應用特點，但是這時的應用只是使用8位的芯片，在唯一的只讀存儲器(ROM)中執行一些單線程的程序，無微型操作系統。
80年代早期，嵌入式應用的程序員開始用商業級的“操作系統”編寫嵌入式應用軟件，以獲取更短的開發周期，更低的開發費用和更高的開發效率，可以稱得上是“嵌入式系統”。這個時期的操作系統是一個實時核，這個實時核包含了許多傳統操作系統的特征，如任務管理、任務間通信、同步與相互排斥、中斷支持、內存管理等功能。
90年代以后，隨著對實時性要求的提高，軟件規模不斷提升，實時核逐漸發展為實時多任務操作系統(RTOS)，并作為一種軟件平臺逐步成為目前嵌入式系統的主流。復雜的嵌入式系統，例如個人數字助理(PDA)、手持電腦(HPC)等，具有與PC幾乎一樣的功能，許多公司看到了嵌入式系統的廣闊發展前景，開始大力發展嵌入式操作系統。比較著名的有Ready System公司的VRTX,Integrated System Incorporation(ISI)的PSOS和IMG的VxWorks,QNX公司的QNX,Plalm OS,WinCE,嵌入式Linux,Lyn,Nucleux以及國內的Hopen,DeltaOs等嵌入式操作系統。
嵌入式系統的發展大致經歷了以下三個階段：
第三階段：以芯片技術和Internet技術為標志。微電子技術發展迅速，SOC(片上系統)使嵌入式系統越來越小，功能卻越來越強。目前大多數嵌入式系統還孤立于Internet之外，但隨著Internet的發展及Internet技術與信息家電、工業控制技術等結合日益密切，嵌入式技術正在進入快速發展和廣泛應用的時期。
特點功能 編輯本段
嵌入式系統的硬件和軟件必須根據具體的應用任務，以功耗、成本、體積、可靠性、處理能力等為指標來進行選擇。嵌入式系統的核心是系統軟件和應用軟件，由于存儲空間有限，因而要求軟件代碼緊湊、可靠，且對實時性有嚴格要求。
從構成上看，嵌入式系統是集軟硬件于一體的、可獨立工作的計算機系統；從外觀上看，嵌入式系統像是一個“可編程”的電子“器件”；從功能上看，它是對目標系統(宿主對象)進行控制，使其智能化的控制器。從用戶和開發人員的不同角度來看，與普通計算機相比較，嵌入式系統具有如下特點。
(1)專用性強。由于嵌入式系統通常是面向某個特定應用的，所以嵌入式系統的硬件和軟件，尤其是軟件，都是為特定用戶群設計的，通常具有某種專用性的特點。
(2)體積小型化。嵌入式計算機把通用計算機系統中許多由板卡完成的任務集成在芯片內部，從而有利于實現小型化，方便將嵌入式系統嵌入目標系統中。
(3)實時性好。嵌入式系統廣泛應用于生產過程控制、數據采集、傳輸通信等場合，主要用來對宿主對象進行控制，所以對嵌入式系統有或多或少的實時性要求。例如，對武器中的嵌入式系統，某些工業控制裝置中的控制系統等的實時性要求就極高。有些系統對實時性要求也并不是很高，例如，近年來發展速度比較快的掌上電腦等。但總體來說，實時性是對嵌入式系統的普遍要求，是設計者和用戶應重點考慮的一個重要指標。
(4)可裁剪性好。從嵌入式系統專用性的特點來看，嵌入式系統的供應者理應提供各式各樣的硬件和軟件以備選用，力爭在同樣的硅片面積上實現更高的性能，這樣才能在具體應用中更具競爭力。
(5)可靠性高。由于有些嵌入式系統所承擔的計算任務涉及被控產品的關鍵質量、人身設備安全，甚至國家機密等重大事務，且有些嵌入式系統的宿主對象工作在無人值守的場合，如在危險性高的工業環境和惡劣的野外環境中的監控裝置。所以，與普通系統相比較，嵌入式系統對可靠性的要求極高。
(6)功耗低。有許多嵌入式系統的宿主對象是一些小型應用系統，如移動電話、MP3、數碼相機等，這些設備不可能配置交流電源或容量較大的電源，因此低功耗一直是嵌入式系統追求的目標。
(7)嵌入式系統本身不具備自我開發能力，必須借助通用計算機平臺來開發。嵌入式系統設計完成以后，普通用戶通常沒有辦法對其中的程序或硬件結構進行修改，必須有一套開發工具和環境才能進行。
(8)嵌入式系統通常采用“軟硬件協同設計”的方法實現。早期的嵌入式系統設計方法經常采用的是“硬件優先”原則，即在只粗略估計軟件任務需求的情況下，首先進行硬件設計與實現，然后在此硬件平臺之上進行軟件設計。如果采用傳統的設計方法，則一旦在測試中發現問題，需要對設計進行修改時，整個設計流程將重新進行，對成本和設計周期的影響很大。系統的設計在很大程度上依賴于設計者的經驗。20世紀90年代以來，隨著電子和芯片等相關技術的發展，嵌入式系統的設計和實現出現了軟硬件協同設計方法，即使用統一的方法和工具對軟件和硬件進行描述、綜合和驗證。在系統目標要求的指導下，通過綜合分析系統軟硬件功能及現有資源，協同設計軟硬件體系結構，以最大限度地挖掘系統軟硬件能力，避免由于獨立設計軟硬件體系結構而帶來的種種弊病，得到高性能、低代價的優化設計方案。
系統組成 編輯本段
從外部特征上看，一個嵌入式系統，通常是一個功能完備、幾乎不依賴其他外部裝置即可獨立運行的軟硬件集成的系統。如果對這樣一個系統進行剖分的話，可以發現它大致可能包括這樣幾個層次，如下圖所示。
嵌入式系統最核心的層次是中央處理單元部分，它包含運算器和控制器模塊，在cpu的基礎上進一步配上存儲器模塊、電源模塊、復位模塊等就構成了通常所說的最小系統。由于技術的進步，集成電路生產商通常會把許多外設做進同一個集成電路中，這樣在使用上更加方便，這樣一個芯片通常稱之為微控制器。在微控制器的基礎上進一步擴展電源傳感與檢測、執行器模塊以及配套軟件并構成一個具有特定功能的完整單元，就稱之為一個嵌入式系統或嵌入式應用。
硬件結構
1、嵌入式系統的核心部件
嵌入式系統的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，相當于PC中的中央處理器(CPU)，按組成和功能又分為嵌入式微處理器(embedded microprocessor unit,EMPU)，嵌入式微控制器(embedded microcontroller unit,EMC)，又稱單片機，嵌入式數字信號處理器( embedded digital signal processor,EDSP)和嵌入式片上系統(system on chip,SOC)。
常見的嵌入式微處理器架構有ARM、X86、MIPS、PowerPC、SH、Motorola 68k、ColdFire、SPARC等，而ARM、MIPS、PowerPC是其中3種最主要的精簡指令集計算機(RISC)架構。
2、嵌入式系統的周邊硬件
（1）嵌入式系統中必不可少的存儲器有ROM(包括EPROM、EEPROM)，隨機存取器(RAM)(包括靜態隨機存儲器SRAM，動態隨機存儲器DRAM)和快閃存儲器(flash memory)等。
（2）輸入設備，一般包括觸屏、按鍵、鍵盤、語音識別裝置等。
（3）接口與總線CPU與外部設備接口通常指的是I/O接口，它包括并行接口和串行接口。串口的典型代表是RS-232-C、RS-485和USB，以及紅外接口等。嵌入式系統中各部分之間的數據傳送也有各種總線，其中主要有：ISA總線、PCI總線、I2C總線、SPI總線、PC104總線、I2S總線等。
3、嵌入式系統開發平臺
嵌入式系統在開發階段，需要有硬件平臺的支持，通常嵌入式處理器的芯片廠商會提供評估版。 但由于其配置有限，往往不能滿足應用開發的需要，所以又有一些公司推出了一些較通用的開發平臺，目前應用最多的是ARM平臺。[1]
軟件體系
嵌入式系統的軟件體系是面向嵌入式系統特定的硬件體系和用戶要求而設計的，是嵌入式系統的重要組成部分，是實現嵌入式系統功能的關鍵。嵌入式系統軟件體系和通用計算機軟件體系類似，分成驅動層、操作系統層、中間件層和應用層等四層，各有其特點。
驅動層
驅動層是直接與硬件打交道的一層，它為操作系統和應用提供硬件驅動或底層核心支持。在嵌入式系統中，驅動程序有時也稱為板級支持包(BSP)。BSP具有在嵌入式系統上電后初始化系統的基本硬件環境的功能，基本硬件包括微處理器、存儲器、中斷控制器、DMA、定時器等。驅動層--般可以有三種類型的程序，即板級初始化程序、標準驅動程序和應用驅動程序。
操作系統層
嵌入式系統中的操作系統具有一般操作系統的核心功能，負責嵌入式系統的全部軟硬件資源的分配、調度工作控制、協調并發活動。它仍具有嵌入式的特點，屬于嵌入式操作系統(Embedded Operating System,EOS)。主流的嵌入式操作系統有Windows CE、Palm：OS、Linux、VxWorks.pSOS.QNX.LynxOS等。有了嵌入式操作系統，編寫應用程序就更加快速、高效、穩定。
中間件層
應用層
嵌入式應用軟件是針對特定應用領域，用來實現用戶預期目標的軟件。嵌入式應用軟件和普通應用軟件有一定的區別，它不僅要求在準確性、安全性和穩定性等方面能夠滿足實際應用的需要，而且還要盡可能地進行優化，以減少對系統資源的消耗，降低硬件成本。嵌入式系統中的應用軟件是最活躍的力量，每種應用軟件均有特定的應用背景。盡管規模較小，但專業性較強，所以嵌入式應用軟件不像操作系統和支撐軟件那樣受制于國外產品，是我國嵌入式軟件的優勢領域。
嵌入方式 編輯本段
嵌入式系統是通過把CPU嵌人目標系統或被控系統中起作用的。但是在不同的嵌入式系統中，嵌入的形式和程度是各不相同的。根據嵌入式系統和通用計算機連接關系的密切程度，嵌人形式可以分為全嵌入方式、半嵌入方式。
全嵌入方式
(1)具有獨立的處理器系統，且具有完整的輸入/輸出系統，能獨立完成系統的功能。
(2)高端CPU支持嵌入式操作系統，可以開發功能復雜的應用程序。
(3)一般為便攜式手持式設備，其工作環境一般是無人值守、移動空間、高空或其他條件惡劣的環境。
(4)供電方式一般采用電池供電，有些情況下也可以直接采用市電220V供電，由系統自行設計轉換和穩壓電路。較高端的設備往往會把兩種供電方式結合起來，讓用戶使用起來更加靈活。
(5)全嵌入方式適合任何不宜采用通用計算機的場合，如消費電子、家用電器、通信網絡設備、工業控制、智能儀器、戰場電子對抗、航天航空武器等，其應用范圍十分廣泛。
半嵌入方式
如果采用半嵌入方式，則嵌入式系統(或其核心功能)需要和通用計算機系統結合起來才能正常工作，典型實例有醫用B超系統、基于PCI卡的數據采集系統等。采用半嵌入方式的嵌入式系統有如下特點。
(1)一般沒有獨立的處理器，而是借用通用計算機系統的CPU完成計算和/或控制功能；有時即使具有自己的獨立處理器，但是處理器也只是完成一些有限的特定功能，而不具備控制全部系統的功能。
(2)嵌入式系統只是整個系統的--部分，只能完成整個系統的一部分功能，而其他功能需要在通用計算機上完成。通用計算機利用自己豐富的軟件和硬件資源，提供友好的人機操作界面和強大的數據處理能力。
(3)嵌入式系統的功能體現在對前端數據的采集和執行對被控對象的控制，其中的數據分析、處理和存儲等功能由通用計算機系統完成。
(4)嵌入式系統一般采用各種規范的總線形式和通用計算機相連接。典型的實例有PCI總線、USB總線等，簡單的嵌入式系統還可以通過串口來連接。
(5)嵌入式系統是作為外設連接在通用計算機上的，因此在通用計算機中一般需要提供嵌入式系統的標準驅動程序。
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