深度分析：嵌入式系統(tǒng)綜述

　　1 引 言

　　隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生而出現(xiàn)的微型機(jī)，使現(xiàn)代科學(xué)研究得到了質(zhì)的飛躍，而嵌入式微控制器技術(shù)的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)革命。由嵌入式微控制器組成的系統(tǒng)，最明顯的優(yōu)勢(shì)就是可以嵌入到任何微型或小型儀器、設(shè)備中。

　　嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點(diǎn)就決定了他必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。嵌入式計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備中就包含了多個(gè)嵌入式微處理器，如鍵盤、硬盤、顯示器、網(wǎng)卡、聲卡等均是由嵌入式處理器控制的。現(xiàn)在，嵌入式系統(tǒng)帶來的工業(yè)年產(chǎn)值已超過了1萬億美元，嵌入式計(jì)算機(jī)不僅在民品上而且在軍事裝備上也得到了廣泛地應(yīng)用。

　　2 嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　嵌入式系統(tǒng)作為一類特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，自底向上包含有3個(gè)部分，如圖1所示。

　　(1)硬件環(huán)境 是整個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運(yùn)行的硬件平臺(tái)，不同的應(yīng)用通常有不同的硬件環(huán)境。硬件平臺(tái)的多樣性是嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)主要特點(diǎn)。 (2)嵌入式操作系統(tǒng) 完成嵌入式應(yīng)用的任務(wù)調(diào)度和控制等核心功能。具有內(nèi)核較精簡(jiǎn)、可配置、與高層應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)等特點(diǎn)。嵌入式操作系統(tǒng)具有相對(duì)不變性。

　　(3)嵌入式應(yīng)用程序 運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上，利用操作系統(tǒng)提供的機(jī)制完成特定功能的嵌入式應(yīng)用。不同的系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)不同的嵌入式應(yīng)用程序。

　　如何簡(jiǎn)潔有效地使嵌入式系統(tǒng)能夠應(yīng)用于各種不同的應(yīng)用環(huán)境，是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展中所必須解決的關(guān)鍵問題。經(jīng)過不斷的發(fā)展，原先嵌入式系統(tǒng)的3層結(jié)構(gòu)逐步演化成為一種4層結(jié)構(gòu)。如圖2所示，這個(gè)新增加的中間層次叫硬件抽象層，有時(shí)也叫板級(jí)支持包，是一個(gè)介于硬件與軟件之間的中間層次。硬件抽象層通過特定的上層接口與操作系統(tǒng)進(jìn)行交互，向操作系統(tǒng)硬件的直接操作。硬件抽象層的引入大大推動(dòng)了嵌入式操作系統(tǒng)的通用化。
　　3 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　3.1 嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點(diǎn)和要求

　　從某種意義上來說，通用計(jì)算機(jī)行業(yè)的技術(shù)是壟斷的。嵌入式系統(tǒng)則不同，嵌入式系統(tǒng)工業(yè)是不可壟斷的高度分散的工業(yè)，充滿了競(jìng)爭(zhēng)、機(jī)遇與創(chuàng)新，沒有哪一個(gè)系列的處理器和操作系統(tǒng)能夠壟斷全部市場(chǎng)，即便在體系結(jié)構(gòu)上存在著主流。但各不相同的應(yīng)用領(lǐng)域決定了不可能由少數(shù)公司、少數(shù)產(chǎn)品壟斷全部市場(chǎng)。因此嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的產(chǎn)品和技術(shù)，必然是高度分散的，留給各個(gè)行業(yè)高新技術(shù)公司的創(chuàng)新余地很大。另外，社會(huì)上的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是不斷向前發(fā)展的，要求其中的嵌入式處理器核心也同步發(fā)展，這也構(gòu)成了推動(dòng)嵌入式工業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的基礎(chǔ)是以應(yīng)用為中心的“芯片”設(shè)計(jì)和面向應(yīng)用的軟件產(chǎn)品開發(fā)。

　　3.2 嵌入式系統(tǒng)具有的產(chǎn)品特征

　　嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，不能獨(dú)立于應(yīng)用自行發(fā)展，否則便會(huì)失去市場(chǎng)。嵌入式系統(tǒng)的核心部件，嵌入式微處理器的功耗、體積、成本、處理能力和電磁兼容性等方面均受到應(yīng)用要求的制約，這些也是各個(gè)半導(dǎo)體廠商之間競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)都必須精心考慮，力爭(zhēng)在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能，只有這樣，才能在具體應(yīng)用時(shí)對(duì)處理器的選擇面前更具有競(jìng)爭(zhēng)力。嵌入式處理器要針對(duì)用戶的具體需求，對(duì)芯片配置進(jìn)行裁剪和添加才能達(dá)到理想的性能。由于嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，具有較長的生命周期。

　　3.3 嵌入式處理器軟件的特征

　　嵌入式處理器的應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，對(duì)嵌入式處理器系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的要求也和通用計(jì)算機(jī)有所不同，主要有以下幾點(diǎn)：

　　(1)軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ) 為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或嵌入式微控制器本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。

　　(2)軟件代碼要求高質(zhì)量、高可靠性 盡管半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使處理器速度不斷提高、片上存儲(chǔ)器容量不斷增加，但在大多數(shù)應(yīng)用中，存儲(chǔ)空間仍然是寶貴的，還存在實(shí)時(shí)性的要求。為此要求程序編寫和編譯工具的質(zhì)量要高，以減小程序二進(jìn)制代碼長度、提高執(zhí)行速度。

　　(3)系統(tǒng)軟件(OS)的高實(shí)時(shí)性是基本要求 在多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)中，對(duì)重要性各不相同的任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧的合理調(diào)度是保證每個(gè)任務(wù)及時(shí)執(zhí)行的關(guān)鍵，單純通過提高處理器速度是無法完成和沒有效率的，這種任務(wù)調(diào)度只能由優(yōu)化編寫的系統(tǒng)軟件來完成，因此系統(tǒng)軟件的高實(shí)時(shí)性是基本要求。
　　(4)多任務(wù)操作系統(tǒng)是知識(shí)集成的平臺(tái)和走向工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)化道路的基礎(chǔ)，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境 嵌入式系統(tǒng)本身不具備開發(fā)能力，即使設(shè)計(jì)完成以后用戶通常也是不能對(duì)其中的程序功能進(jìn)行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計(jì)算機(jī)上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀、混合信號(hào)示波器等。

　　(5)嵌入式系統(tǒng)軟件需要實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)(RTOS) 通用計(jì)算機(jī)具有完善的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序接口，是計(jì)算機(jī)基本組成不可分離的一部分，應(yīng)用程序的開發(fā)以及完成后的軟件都在OS平臺(tái)上面運(yùn)行，但一般不是實(shí)時(shí)的。嵌入式系統(tǒng)則不同，應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運(yùn)行;但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)、利用系統(tǒng)資源，用戶必須自行選配RTOS開發(fā)平臺(tái)，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，并減少開發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。

　　(6)在嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)過程中，采用C語言將是最佳和最終的選擇 由于匯編語言是一種非結(jié)構(gòu)化的語言，對(duì)于大型的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)已經(jīng)不能完全勝任了。這就要求我們采用更高級(jí)的C語言去完成這一工作。

　　4 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

　　中國的單片機(jī)應(yīng)用和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)已走過了15年的歷程，隨著市場(chǎng)對(duì)超微型嵌入式應(yīng)用技術(shù)和產(chǎn)品的要求不斷增長，以及半導(dǎo)體技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的進(jìn)步，嵌入式系統(tǒng)在目前的發(fā)展形勢(shì)下，表現(xiàn)出以下幾大趨勢(shì)：

　　(1)可靠性及應(yīng)用水平越來越高和互聯(lián)網(wǎng)連接已是一種明顯的走向。

　　(2)所集成的部件越來越多，從意義上講只是單片集成電路，從功能上講可以說是萬用機(jī)了。

　　(3)功耗越來越低，和模擬電路結(jié)合越來越多。

　　5 結(jié) 語

　　隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展及系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的提高，嵌入式微控制器還會(huì)不斷的產(chǎn)生變化和進(jìn)步，最終人們可能發(fā)現(xiàn)：嵌入式微控制器與微機(jī)系統(tǒng)之間的距離越來越小，而功能更大，因而將會(huì)更加廣泛地滲入到各類設(shè)備和產(chǎn)品中去。