嵌入式系统概述.docx

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嵌入式系统概述

第1章嵌入式系统概述

本章介绍嵌入式系统的一些基本知识，包括嵌入式系统的概念、发展、特点、组成、分类、嵌入式微处理器系列和嵌入式系统中信息表示与运算基础等。

通过本章的学习，读者将建立起对嵌入式系统的初步的宏观认识，为今后的深入学习和研究打下基础。

1.1嵌入式系统的发展

1.1.1嵌入式系统的概念

什么是嵌入式系统？

随着嵌入式系统在人们实际生活中的应用越来越广泛，这个基本问题的确切定义引发了许多争论。

嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。

人们很少会意识到他们往往随身携带了好几个嵌入式系统——MP3、手机或者智能卡，而且他们在与汽车、电梯、厨房设备、电视、录像机以及娱乐系统的嵌入式系统交互时也往往对此毫无察觉。

嵌入式系统早期主要应用于军事和航空、航天等领域，以后逐步广泛地应用于工业控制、仪器仪表、汽车电子、通信和家用消费类等领域。

正是“看不见”这一特性将嵌入式计算机与通用PC计算机区分开来。

目前存在多种嵌入式系统的定义，有的是从嵌入式系统的应用定义的，有的是从嵌入式系统的组成定义的，也有的是从其他方面进行定义的，下面给出两种比较常见的定义。

第一种，根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：

嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。

可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。

第二种定义：

嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软/硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

广而言之，可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统。

嵌入式系统采用“量体裁衣”的方式把所需的功能嵌入到各种应用系统中，它融合了计算机软/硬件技术、通信技术和半导体微电子技术，是信息技术IT（InformationTechnology）的最终产品。

1.1.2嵌入式系统的发展史

嵌入式系统从出现至今已历经30多年的时间，发展历史悠久。

早在电子数字计算机出现之前就有了把计算装置嵌入在系统和设备之中的嵌入式系统，如把计算机嵌入到导弹等武器和航天器中。

但是直到20世纪60年代末（集成电路化的第三代计算机时期），随着微电子技术的发展，嵌入式计算机才逐步兴起。

近几年来，随着计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已成为一个研究热点。

纵观嵌入式技术的发展过程，大致经历4个阶段。

第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。

这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。

这一阶段系统的主要特点是：

系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。

由于这种嵌入式系统使用简单、价格低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业控制和新兴信息家电等领域的需求。

第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。

主要特点是：

CPU种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统达到一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业化，用户界面不够友好。

第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。

主要特点是：

嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具有文件和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口API，开发应用程序较简单；嵌入式应用软件丰富。

第四阶段是以Internet为标志的嵌入式系统。

这是一个正在迅速发展的阶段。

目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将代表嵌入式系统的未来。

综上所述，嵌入式系统技术日益完善，32位微处理器在该系统中占主导地位，嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，它与网络、Internet结合日益密切，因而，嵌入式系统应用将日益广泛。

1.1.3嵌入式系统的特点

与通用型计算机系统相比，嵌入式计算机系统具有以下特点：

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之处就是嵌入式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，与网络的耦合也越来越紧密。

2.嵌入式系统是将计算机技术、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，是一门综合技术学科。

由于空间和各种资源相对不足，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。

3.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本身中，而不是存储于磁盘等载体中。

5.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不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。

1.2嵌入式系统的分类

根据不同的分类标准，嵌入式系统有不同的分类方法。

这里根据嵌入式系统的复杂程度，可以将嵌入式系统分为以下4类。

1．单个微处理器

这类系统一般由单片嵌入式处理器组成，嵌入式处理器上集成了存储器I/O设备、接口设备（如A/D转换器）等，嵌入式处理器加上简单的元件如电源、时钟元件等就可以工作。

单个微处理器这类系统可以在小型设备中（如温度传感器、烟雾和气体探测器及断路器）找到。

这类设备是供应商根据设备的用途来设计的。

常用的嵌入式处理器如Philips公司的89LPCxxx公司系列，Motorola公司的MC68HC05、08系列等。

2．嵌入式处理器可扩展的系统

这类嵌入式系统使用的处理器根据需要，可以扩展存储器，也可以使用片上的存储器，处理器一般容量在64KB左右，字长为8位或16位。

在处理器上扩充少量的存储器和外部接口，以构成嵌入式系统。

这类系统可在过程控制、信号放大器、位置传感器及阀门传动器等中找到。

3．复杂的嵌入式系统

组成这样的嵌入式系统的嵌入式处理器一般是16位、32位等，用于大规模的应用，由于软件量大，因此需要扩展存储器。

扩展存储器一般在1MB以上，外部设备接口一般仍然集成在处理器上，常用的嵌入式处理器有ARM系列、Motorola公司的PowerPC系列、Coldfire系列等。

这类系统可见于开关装置、控制器、电话交换机、电梯、数据采集系统、医药监视系统、诊断及实时控制系统等。

它们是一个大系统的局部组件，由它们的传感器收集数据并传递给该系统。

这种组件可同计算机一起操作，并可包括某种数据库（如事件数据库）。

4．在制造或过程控制中使用的计算机系统

对于这类系统，计算机与仪器、机械及设备相连来控制这些装置的工作。

这类系统包括自动仓储系统和自动发货系统。

在这些系统中，计算机用于总体控制和监视，而不是对单个设备直接控制。

过程控制系统可与业务系统连接（如根据销售额和库存量来决定订单或产品量）。

在许多种情况下，两个功能独立的子系统可在一个主系统操作下一同运行。

如控制系统和安全系统：

控制子系统控制处理过程，以使系统中的不同设备能正确地操作和相互作用于生产产品；而安全子系统则用来降低那些会影响人身安全或危害环境的误操作风险。

1.3嵌入式处理器

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心。

目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000种，流行体系结构有30几个系列，其中8051体系的占有多半。

生产8051单片机的半导体厂家有20多个，超过了350种衍生产品，仅Philips就有近100种。

现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。

嵌入式处理器的寻址空间一般为64KB~16MB，处理速度为0.1MIPS~2000MIPS，常用封装为8~144个引脚。

根据其现状，嵌入式处理器可以分成嵌入式微控制器（EMCU）、嵌入式DSP处理器（EDSP）、嵌入式微处理器（EMPU）、嵌入式片上系统（ESoC）4类（如图1-1所示）。

图1-1嵌入式处理器分类

1.嵌入式微处理器（EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU）

嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。

在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度地减小系统体积和功耗。

为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。

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，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。

嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机，如STD-BUS、PC104等。

近年来，德国、日本的一些公司又开发出了类似“火柴盒”式名片大小的嵌入式计算机系列OEM产品。

嵌入式处理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。

2.嵌入式微控制器（EmbeddedMicrocontrollerUnit,EMCU）

嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。

嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要的功能和外设。

为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。

这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。

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。

嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。

另外还有许多半通用系列，如支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541；支持IIC、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。

特别值得注意的是近年来提供X86微处理器的著名厂商AMD公司，将Am186CC/CH/CU等嵌入式处理器称之为Microcontroller，Motorola公司把以PowerPC为基础的PPC505和PPC555亦列入单片机行列。

TI公司亦将其TMS320C2XXX系列DSP作为MCU进行推广。

3.嵌入式DSP处理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP）

DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编