嵌入式系统 - 嵌入式系统概述

本文是学习笔记

计算机应用领域的划分

（1）桌面通用型
（2）高端服务型
（3）小型专用型

嵌入式系统定义

IEEE(电气电子工程师学会)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”。

(1) 含义

通俗的说，嵌入式系统就是将计算机的硬件或软件嵌入其他机，电设备或应用系统中去，所构成了一种新的系统，及嵌入式系统

(2) 构成原则

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，采用可裁剪软硬件，适用于对功能，可靠性，成本，体积，功耗等有严格要求的专用计算机系统，用于实现对其他设备的控制，监视或管理等功能

(3)嵌入式系统适用场合

（1）检测，控制 —— 数控机床，单机电，仪表
（2）小型化，微型化器件，设备——通讯，医疗，移动办公
（3）大吞吐量信号管理——视频流管理
（4）移动媒体信号处理——DC，MP3，MP4
（5）多机电协同工作——汽车电子，航空电子

(4)嵌入式系统和桌面通用系统的区别

a. 嵌入式系统中运行的任务是专用而确定的

（1）心脏监视器只需运行信号输入，信号处理，心电图显示任务
（2）如要更改任务，需要对整个系统进行重新设计或在线维护

b. 桌面通用系统需要支持大量的需求多样的应用程序：

（1）对系统中运行的程序不做假设
（2）程序升级，更新等方便

c. 嵌入式系统往往对实时性提出较高的要求

d. 实时系统：指系统能够在限定的响应时间内提供所需水平的服务（国际标准POSIX 1003.b）

e. 嵌入式实时系统可分为：

• 强实时型：响应时间μs ~ ms级
• 一般实时：响应时间ms ~ s级
• 弱实时型：响应时间s级以上

f. 嵌入式系统中使用的操作系统一般是实时操作系统

h. 嵌入式实时操作系统数量众多，如：

• VxWorks
• Windows CE
• pSOS
• QNX

i. 国产嵌入式实时操作系统，如：

• HOPEN
• DeltaOS
• SmartOS

j. 嵌入式系统运行需要高可靠性保障，比桌面系统的故障容忍能力弱很多

k. 嵌入式系统需要忍受长时间，无人值守条件下的运行

l. 嵌入式系统运行的环境恶劣

m. 嵌入式系统大都有功耗约束

• 如：珍贵文物微气象环境监测
• 要求1分钟采样一次，每个采样节点采用电池供电，一年更新一次。采用常规的方法，能量只能持续工作5天
• 引入间歇工作方式，从而降低功耗，节省能量

o. 嵌入式系统比桌面通用系统可用资源少得多

• 为降低系统成本，减低功耗，嵌入式系统的资源配置遵循够用就行！

p. 嵌入式系统的开发需要专用工具和特殊方法

• 开发：交叉编译，交叉链接
• 调试：仿真器，虚拟机
• 更新：在线升级等

q. 嵌入式系统开发是一项综合的计算机应用技术

• 系统结构：状态控制器，中断控制器处理
• 汇编语言：操纵外围设备，端口
• 操作系统：设置运行任务，通讯，互斥
• 编译原理：交叉编译，bootloader加载

嵌入式系统发展历程

嵌入式系统出现于20世纪60年代，40多年来随着计算机技术，电子信息技术的发展，嵌入式系统的各项技术蓬勃发展，市场迅猛扩大，已深入生产和生活的各个角落
嵌入式系统发展的三个阶段

• 嵌入式系统的出现和兴起（1960 - 1970 ）
• • 第一代电子管计算机（1946 - 1957），无法满足嵌入式计算所要求的体积小，重量轻，耗电小，可靠性高，实时性强等一系列要求
• • 60年代，第二代晶体管计算机系统开始应用：
• • • 第一台机载专用数字计算机是美国海军舰载轰炸机“民团团员”号研制的多功能数字分析器
• • • 1962年美国乙烯厂实现了工业装置中的第一个直接数字控制
• 1965 - 1970，第三代集成电路化计算机系统应用：
• • 第一次使用机载数字计算机控制：1965年发射的Gemini3号
• • 第一次通过容错来提高可靠性：11968年阿波罗4号，土星5号
• 嵌入式系统走向繁荣，软件，硬件日臻完善（1971 - 1989）
• • 嵌入式系统的大发展是在微处理问世之后：
• • • 1971年111月，Intel公司推出了第一片微处理器Intel4004，人们再也不必为设计一台专用机而研制专用的电路，专用的运算器了，只需以微处理器为基础进行设计
• • • 1976年，第一个单片机Intel 8048出现
• • • 1982年，第一个DSP出现，比同期的CPU快10 ~ 50倍
• • • 80年代后期，第三代DSP芯片出现
• • 软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善：
• • • 早期嵌入式系统：采用汇编语言，基本不采用操作系统
• • • 硬件的提升
• • • 软件技术的发展
• 嵌入式系统应用走向纵深化发展（1990 - 至今）
• • 应用充分普及：工业控制，数字化通讯，数字化家电
• • • 汽车：50个以上嵌入式微处理器
• • • 飞机：70个以上嵌入式系统
• • 嵌入式微处理器32位，64位
• • 嵌入式实时操作系统使用比例越来越高
• • • 早期：10%；90年代初：30%；目前：80 ~ 90%
• • 嵌入式系统开发工具越来越丰富
• • 嵌入式系统产业链形成