什么是嵌入式系統(tǒng)？(精華)

一 什么是嵌入式系統(tǒng) 　　　　

嵌入式系統(tǒng)一般指非 PC 系統(tǒng)，有計(jì)算機(jī)功能但又不稱之為計(jì)算機(jī)的設(shè)備或器材。它是以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁減的，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)集系統(tǒng)的應(yīng)用軟件與硬件于一體，類似于 PC 中 BIOS 的工作方式，具有軟件代碼小、高度自動(dòng)化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，特別適合于要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)的體系。

嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成，它是可獨(dú)立工作的“器件”。 　　

嵌入式系統(tǒng)幾乎包括了生活中的所有電器設(shè)備，如掌上 PDA 、移動(dòng)計(jì)算設(shè)備、電視機(jī)頂盒、手機(jī)上網(wǎng)、數(shù)字電視、多媒體、汽車、微波爐、數(shù)字相機(jī)、家庭自動(dòng)化系統(tǒng)、電梯、空調(diào)、安全系統(tǒng)、自動(dòng)售貨機(jī)、蜂窩式電話、消
費(fèi)電子設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化儀表與醫(yī)療儀器等。 　　

嵌入式系統(tǒng)的硬件部分，包括處理器 / 微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和 I/O 端口、圖形控制器等。嵌入式系統(tǒng)有別于一般的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，它不具備像硬盤那樣大容量的存儲(chǔ)介質(zhì)，而大多使用 EPROM 、 EEPROM 或閃存 (Flash Memory) 作為存儲(chǔ)介質(zhì)。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件 ( 要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作 ) 和應(yīng)用程序編程。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為；而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。

二 嵌入式處理器　　

嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般具備 4 個(gè)特點(diǎn)： (1) 對(duì)實(shí)時(shí)和多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度； (2) 具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)也有利于軟件診斷； (3) 可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以能迅速地?cái)U(kuò)展出滿足應(yīng)用的高性能的嵌入式微處理器； (4) 嵌入式微處理器的功耗必須很低，尤其是用于便攜式的無(wú)線及移動(dòng)的計(jì)算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，功耗只能為 mW 甚至μ W 級(jí)。 　　
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過(guò) 1000 種，流行的體系結(jié)構(gòu)有 30 多個(gè)系列。其中 8051 體系占多半，生產(chǎn)這種單片機(jī)的半導(dǎo)體廠家有 20 多個(gè)，共 350 多種衍生產(chǎn)品，僅 Philips 就有近 100 種。現(xiàn)在幾乎每個(gè)半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器，越來(lái)越多的公司有自己的處理器設(shè)計(jì)部門。嵌入式處理器的尋址空間一般從 64kB 到 16MB ，處理速度為 0.1~2000MIPS ，常用封裝 8~144 個(gè)引腳。　　　　

根據(jù)現(xiàn)狀，嵌入式計(jì)算機(jī)可分成下面幾類。

(1) 嵌入式微處理器 (Embedded Microprocessor Unit, EMPU) 　　

嵌入式微處理器采用“增強(qiáng)型”通用微處理器。由于嵌入式系統(tǒng)通常應(yīng)用于環(huán)境比較惡劣的環(huán)境中，因而嵌入式微處理器在工作溫度、電磁兼容性以及可靠性方面的要求較通用的標(biāo)準(zhǔn)微處理器高。但是，嵌入式微處理器在功能方面與標(biāo)準(zhǔn)的微處理器基本上是一樣的。根據(jù)實(shí)際嵌入式應(yīng)用要求，將嵌入式微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的主板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的主板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)的體積和功耗。和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器組成的系統(tǒng)具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但在其電路板上必須包括 ROM 、 RAM 、總線接口、各種外設(shè)等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術(shù)保密性也較差。由嵌入式微處理器及其存儲(chǔ)器、總線、外設(shè)等安裝在一塊電路主板上構(gòu)成一個(gè)通常所說(shuō)的單板機(jī)系統(tǒng)。嵌入式處理器目前主要有 Am186/88 、 386EX 、 SC-400 、 Power PC 、 68000 、 MIPS 、 ARM 系列等。

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201706/353538.htm(2) 嵌入式微控制器 (Microcontroller Unit, MCU) 　　

嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，它將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某種微處理器內(nèi)核為核心，根據(jù)某些典型的應(yīng)用，在芯片內(nèi)部集成了 ROM/EPROM 、 RAM 、總線、總線邏輯、定時(shí) / 計(jì)數(shù)器、看門狗、 I/O 、串行口、脈寬調(diào)制輸出、 A/D 、 D/A 、 Flash RAM 、 EEPROM 等各種必要功能部件和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，對(duì)功能的設(shè)置和外設(shè)的配置進(jìn)行必要的修改和裁減定制，使得一個(gè)系列的單片機(jī)具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都相同，不同的是存儲(chǔ)器和外設(shè)的配置及功能的設(shè)置。這樣可以使單片機(jī)最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，從而減少整個(gè)系統(tǒng)的功耗和成本。

和嵌入式微處理器相比，微控制器的單片化使應(yīng)用系統(tǒng)的體積大大減小，
從而使功耗和成本大幅度下降、可靠性提高。由于嵌入式微控制器目前在產(chǎn)品的品種和數(shù)量上是所有種類嵌入式處理器中最多的，而且上述諸多優(yōu)點(diǎn)決定了微控制器是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。通常，嵌入式微處理器可分為通用和半通用兩類，比較有代表性的通用系列包括 8051 、 P51XA 、 MCS-251 、 MCS-96/196/296 、 C166/167 、 68300 等。而比較有代表性的半通用系列，如支持 USB 接口的 MCU 8XC930/931 、 C540 、 C541 ；支持 I2C 、 CAN 總線、 LCD 等的眾多專用 MCU 和兼容系列。目前 MCU 約占嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)份額的 70% 。

(3) 嵌入式 DSP 處理器 (Embedded Digital Signal Processor, EDSP 　　

在數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用中，各種數(shù)字信號(hào)處理算法相當(dāng)復(fù)雜，這些算法的復(fù)雜度可能是 O(nm) 的，甚至是 NP 的，一般結(jié)構(gòu)的處理器無(wú)法實(shí)時(shí)的完成這些運(yùn)算。由于 DSP 處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。在數(shù)字濾波、 FFT 、譜分析等方面， DSP 算法正大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域， DSP 應(yīng)用正從在通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn) DSP 功能，過(guò)渡到采用嵌入式 DSP 處理器。嵌入式 DSP 處理器有兩類：

(1)DSP 處理器經(jīng)過(guò)單片化、 EMC 改造、增加片上外設(shè)成為嵌入式 DSP 處理器，TI 的 TMS320C2000 / C5000 等屬于此范疇；

(2) 在通用單片機(jī)或 SOC 中增加 DSP 協(xié)處理器，例如 Intel 的 MCS-296 和 Infineon(Siemens) 的 TriCore 。

另外，在有關(guān)智能方面的應(yīng)用中，也需要嵌入式 DPS 處理器，例如各種帶有智能邏輯的消費(fèi)類產(chǎn)品，生物信息識(shí)別終端，帶有加解密算法的鍵盤， ADSL 接入、實(shí)時(shí)語(yǔ)音壓解系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實(shí)顯示等。這類智能化算法一般都是運(yùn)算量較大，特別是向量運(yùn)算、指針線性尋址等較多，而這些正是 DSP 處理器的優(yōu)勢(shì)所在。嵌入式 DSP 處理器比較有代表性的產(chǎn)品是 TI 的 TMS320 系列和 Motorola 的 DSP56000 系列。 TMS320 系列處理器包括用于控制的 C2000 系列、移動(dòng)通信的 C5000 系列，以及性能更高的 C6000 和 C8000 系列。 DSP56000 目前已經(jīng)發(fā)展成為 DSP56000 、 DSP56100 、 DSP56200 和 DSP56300 等幾個(gè)不同系列的處理器。另外， Philips 公司最近也推出了基于可重置嵌入式 DSP 結(jié)構(gòu)，采用低成本、低功耗技術(shù)制造的 R. E. A. L DSP 處理器，其特點(diǎn)是具備雙 Harvard 結(jié)構(gòu)和雙乘 / 累加單元，應(yīng)用目標(biāo)是大批量消費(fèi)類產(chǎn)品。

(4) 嵌入式片上系統(tǒng) (System On Chip, SOC) 　　

隨著 EDI 的推廣和 VLSI 設(shè)計(jì)的普及化，以及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，可以在一塊硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)，這就產(chǎn)生了 SOC 技術(shù)。各種通用處理器內(nèi)核將作為 SOC 設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，和其他許多嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為 VLSI 設(shè)計(jì)中一種標(biāo)準(zhǔn)的器件，用標(biāo)準(zhǔn)的 VHDL 、 Verlog 等硬件語(yǔ)言描述，存儲(chǔ)在器件庫(kù)中。用戶只需定義出其整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過(guò)后就可以將設(shè)計(jì)圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除某些無(wú)法集成的器件以外，整個(gè)嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡(jiǎn)單，對(duì)于減小整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)體積和功耗、提高可靠性非常有利。

SOC 可分為通用和專用兩類，通用 SOC 如 Infineon(Siemens) 的 TriCore 、 Motorola 的 M-Core ，以及某些 ARM 系列器件，如 Echelon 和 Motorola 聯(lián)合研制的 Neuron 芯片等；專用 SOC 一般專用于某個(gè)或某類系統(tǒng)中，如 Ph
ilips 的 Smart XA ，它將 XA 單片機(jī)內(nèi)核和支持超過(guò) 2048 位復(fù)雜 RSA 算法的 CCU 單元制作在一塊硅片上，形成一個(gè)可加載 Java 或 C 語(yǔ)言的專用 SOC ，可用于互聯(lián)網(wǎng)安全方面。

三 嵌入式操作系統(tǒng)　　

嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng) ( 包括硬、軟件系統(tǒng) ) 極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等 Browser 。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，如能夠有效管理越來(lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)資源；能夠把硬件虛擬化，使得開(kāi)發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動(dòng)程序移植和維護(hù)中解脫出來(lái)；能夠提供庫(kù)函數(shù)、驅(qū)動(dòng)程序、工具集以及應(yīng)用程序 。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。　　　　

1. 嵌入式操作系統(tǒng)的種類 　　

一般情況下，嵌入式操作系統(tǒng)可以分為兩類，一類是面向控制、通信等領(lǐng)域的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如 WindRiver 公司的 VxWorks 、 ISI 的 pSOS 、 QNX 系統(tǒng)軟件公司的 QNX 、 ATI 的 Nucleus 等；另一類是面向消費(fèi)電子產(chǎn)品的非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，這類產(chǎn)品包括個(gè)人數(shù)字助理 (PDA) 、移動(dòng)電話、機(jī)頂盒、電子書、 WebPhone 等。

a. 非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)　　

早期的嵌入式系統(tǒng)中沒(méi)有操作系統(tǒng)的概念，程序員編寫嵌入式程序通常直接面對(duì)裸機(jī)及裸設(shè)備。在這種情況下，通常把嵌入式程序分成兩部分，即前臺(tái)程序和后臺(tái)程序。前臺(tái)程序通過(guò)中段來(lái)處理事件，其結(jié)構(gòu)一般為無(wú)限循環(huán)；后臺(tái)程序則掌管整個(gè)嵌入式系統(tǒng)軟、硬件資源的分配、管理以及任務(wù)的調(diào)度，是一個(gè)系統(tǒng)管理調(diào)度程序。這就是通常所說(shuō)的前后臺(tái)系統(tǒng)。一般情況下，后臺(tái)程序也叫任務(wù)級(jí)程序，前臺(tái)程序也叫事件處理級(jí)程序。在程序運(yùn)行時(shí)，后臺(tái)程序檢查每個(gè)任務(wù)是否具備運(yùn)行條件，通過(guò)一定的調(diào)度算法來(lái)完成相應(yīng)的操作。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求特別嚴(yán)格的操作通常由中斷來(lái)完成，僅在中斷服務(wù)程序中標(biāo)記事件的發(fā)生，不再做任何工作就退出中斷，經(jīng)過(guò)后臺(tái)程序的調(diào)度，轉(zhuǎn)由前臺(tái)程序完成事件的處理，這樣就不會(huì)造成在中斷服務(wù)程序中處理費(fèi)時(shí)的事件而影響后續(xù)和其他中斷。　　

實(shí)際上，前后臺(tái)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性比預(yù)計(jì)的要差。這是因?yàn)榍昂笈_(tái)系統(tǒng)認(rèn)為所有的任務(wù)具有相同的優(yōu)先級(jí)別，即是平等的，而且任務(wù)的執(zhí)行又是通過(guò) FIFO 隊(duì)列排隊(duì)，因而對(duì)那些實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)不可能立刻得到處理。另外，由于前臺(tái)程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)的結(jié)構(gòu)，一旦在這個(gè)循環(huán)體中正在處理的任務(wù)崩潰，使得整個(gè)任務(wù)隊(duì)列中的其他任務(wù)得不到機(jī)會(huì)被處理，從而造成整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。由于這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，幾乎不需要 RAM/ROM 的額外開(kāi)銷，因而在簡(jiǎn)單的嵌入式應(yīng)用被廣泛使用。

　b. 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)　　

實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指能在確定的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行其功能并對(duì)外部的異步事件做出響應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其操作的正確性不僅依賴于邏輯設(shè)計(jì)的正確程度，而且與這些操作進(jìn)行的時(shí)間有關(guān)。“在確定的時(shí)間內(nèi)”是該定義的核心。也就是說(shuō)，實(shí)時(shí)系統(tǒng)是對(duì)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求的?！　?
實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)邏輯和時(shí)序的要求非常嚴(yán)格，如果邏輯和時(shí)序出現(xiàn)偏差將會(huì)引起嚴(yán)重后果。實(shí)時(shí)系統(tǒng)有兩種類型：軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)和硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)僅要求事件響應(yīng)是實(shí)時(shí)的，并不要求限定某一任務(wù)必須在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)完成；而在硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，不僅要求任務(wù)響應(yīng)要實(shí)時(shí)，而且要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成事件的處理。通常，大多數(shù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)是兩者的結(jié)合。實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)一般比非實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)困難。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵是如何保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。　　

實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)是指具有實(shí)時(shí)性、能支持實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。其首要任務(wù)是調(diào)度一切可利用的資源完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)，其次才著眼于提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的使用效率，重要特點(diǎn)是要滿足對(duì)時(shí)間的限
制和要求。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有如下功能：任務(wù)管理 ( 多任務(wù)和基于優(yōu)先級(jí)的任務(wù)調(diào)度 ) 、任務(wù)間同步和通信 ( 信號(hào)量和郵箱等 ) 、存儲(chǔ)器優(yōu)化管理 ( 含 ROM 的管理 ) 、實(shí)時(shí)時(shí)鐘服務(wù)、中斷管理服務(wù)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：規(guī)模小，中斷被屏蔽的時(shí)間很短，中斷處理時(shí)間短，任務(wù)切換很快?！　?

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可分為可搶占型和不可搶占型兩類。對(duì)于基于優(yōu)先級(jí)的系統(tǒng)而言，可搶占型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是指內(nèi)核可以搶占正在運(yùn)行任務(wù)的 CPU 使用權(quán)并將使用權(quán)交給進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)，是內(nèi)核搶了 CPU 讓別的任務(wù)運(yùn)行。不可搶占型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使用某種算法并決定讓某個(gè)任務(wù)運(yùn)行后，就把 CPU 的控制權(quán)完全交給了該任務(wù)，直到它主動(dòng)將 CPU 控制權(quán)還回來(lái)。中斷由中斷服務(wù)程序來(lái)處理，可以激活一個(gè)休眠態(tài)的任務(wù)，使之進(jìn)入就緒態(tài)；而這個(gè)進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)還不能運(yùn)行，一直要等到當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)主動(dòng)交出 CPU 的控制權(quán)。使用這種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性比不使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)性能好，其實(shí)時(shí)性取決于最長(zhǎng)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。不可搶占型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的缺點(diǎn)也恰恰是這一點(diǎn)，如果最長(zhǎng)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間不能確定，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性就不能確定。　　

可搶占型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性好，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)只要具備了運(yùn)行的條件，或者說(shuō)進(jìn)入了就緒態(tài)，就可以立即運(yùn)行。也就是說(shuō)，除了優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，其他任務(wù)在運(yùn)行過(guò)程中都可能隨時(shí)被比它優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)中斷，讓后者運(yùn)行。通過(guò)這種方式的任務(wù)調(diào)度保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，但是，如果任務(wù)之間搶占 CPU 控制權(quán)處理不好，會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)崩潰、死機(jī)等嚴(yán)重后果?！　　　　　　　?

2. 嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展 　　

嵌入式操作系統(tǒng)伴隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了 4 個(gè)比較明顯的階段?！　　　?

第一階段是無(wú)操作系統(tǒng)的嵌入算法階段，是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)，同時(shí)具有與監(jiān)測(cè)、伺服、指示設(shè)備相配合的功能。這種系統(tǒng)大部分應(yīng)用于一些專業(yè)性極強(qiáng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，一般沒(méi)有操作系統(tǒng)的支持，通過(guò)匯編語(yǔ)言編程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直接控制，運(yùn)行結(jié)束后清除內(nèi)存。這一階段系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能都相對(duì)單一，處理效率較低，存儲(chǔ)容量較小，幾乎沒(méi)有用戶接口。由于這種嵌入式系統(tǒng)使用簡(jiǎn)便、價(jià)格很低，以前在國(guó)內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍，但是已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)高效的、需要大容量存儲(chǔ)介質(zhì)的現(xiàn)代化工業(yè)控制和新興的信息家電等領(lǐng)域的需求。　　

第二階段是以嵌入式 CPU 為基礎(chǔ)、以簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。這一階段系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是： CPU 種類繁多，通用性比較差；系統(tǒng)開(kāi)銷小， 效率高；一般配備系統(tǒng)仿真器，操作系統(tǒng)具有一定的兼容性和擴(kuò)展性；應(yīng)用軟件較專業(yè)，用戶界面不夠友好；系統(tǒng)主要用來(lái)控制系統(tǒng)負(fù)載以及監(jiān)控應(yīng)用程序運(yùn)行。

第三階段是通用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段，是以嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。這一階段系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：嵌入式操作系統(tǒng)能運(yùn)行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好；操作系統(tǒng)內(nèi)核精小、效率高，并且具有高度的模塊化和擴(kuò)展性；具備文件和目錄管理、設(shè)備支持、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；具有大量的應(yīng)用程序接口 (API) ，開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序簡(jiǎn)單；嵌入式應(yīng)用軟件豐富。　　第四階段是以基于 Internet 為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)，這是一個(gè)正在迅速發(fā)展的階段。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于 Internet 之外，但隨著 Internet 的發(fā)展以及 Internet 技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等結(jié)合日益密切，嵌入式設(shè)備與 Internet 的結(jié)合將代表著嵌入式技術(shù)的真正未來(lái)。

3. 使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的必要性 　　

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應(yīng)用中用得越來(lái)越廣泛，尤其在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐大的應(yīng)用中顯得愈來(lái)愈重要。　　

首先，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性。在控制系統(tǒng)中，出于安全方面的考慮，要求系統(tǒng)起碼不能崩潰，而且還要有自愈能力。不僅要求在硬件設(shè)計(jì)方面提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性，而且
也應(yīng)在軟件設(shè)計(jì)方面提高系統(tǒng)的抗干擾性，盡可能地減少安全漏洞和不可靠的隱患。長(zhǎng)期以來(lái)的前后臺(tái)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在遇到強(qiáng)干擾時(shí)，使得運(yùn)行的程序產(chǎn)生異常、出錯(cuò)、跑飛，甚至死循環(huán)，造成了系統(tǒng)的崩潰。而實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)管理的系統(tǒng)，這種干擾可能只是引起若干進(jìn)程中的一個(gè)被破壞，可以通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行的系統(tǒng)監(jiān)控進(jìn)程對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。通常情況下，這個(gè)系統(tǒng)監(jiān)視進(jìn)程用來(lái)監(jiān)視各進(jìn)程運(yùn)行狀況，遇到異常情況時(shí)采取一些利于系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的措施，如把有問(wèn)題的任務(wù)清除掉。　　

其次，提高了開(kāi)發(fā)效率，縮短了開(kāi)發(fā)周期。在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)環(huán)境下，開(kāi)發(fā)一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用程序，通常可以按照軟件工程中的解耦原則將整個(gè)程序分解為多個(gè)任務(wù)模塊。每個(gè)任務(wù)模塊的調(diào)試、修改幾乎不影響其他模塊。商業(yè)軟件一般都提供了良好的多任務(wù)調(diào)試環(huán)境。 再次，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)充分發(fā)揮了 32 位 CPU 的多任務(wù)潛力。 32 位 CPU 比 8 、 16 位 CPU 快，另外它本來(lái)是為運(yùn)行多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，特別適于運(yùn)行多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)。 32 位 CPU 采用利于提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)，使其更容易做到不崩潰。例如， CPU 運(yùn)行狀態(tài)分為系統(tǒng)態(tài)和用戶態(tài)。將系統(tǒng)堆棧和用戶堆棧分開(kāi)，以及實(shí)時(shí)地給出 CPU 的運(yùn)行狀態(tài)等，允許用戶在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中從硬件和軟件兩方面對(duì)實(shí)時(shí)內(nèi)核的運(yùn)行實(shí)施保護(hù)。如果還是采用以前的前后臺(tái)方式，則無(wú)法發(fā)揮 32 位 CPU 的優(yōu)勢(shì)?！　?

從某種意義上說(shuō)，沒(méi)有操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī) ( 裸機(jī) ) 是沒(méi)有用的。在嵌入式應(yīng)用中，只有把 CPU 嵌入到系統(tǒng)中，同時(shí)又把操作系統(tǒng)嵌入進(jìn)去，才是真正的計(jì)算機(jī)嵌入式應(yīng)用。

4. 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn) 　　

在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)環(huán)境下開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序使程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，不需要大的改動(dòng)就可以增加新的功能。通過(guò)將應(yīng)用程序分割成若干獨(dú)立的任務(wù)模塊，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過(guò)程大為簡(jiǎn)化；而且對(duì)實(shí)時(shí)性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。通過(guò)有效的系統(tǒng)服務(wù)，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)資源得到更好的利用。但是，使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)還需要額外的 ROM/RAM 開(kāi)銷， 2~5% 的 CPU 額外負(fù)荷，以及內(nèi)核的費(fèi)用。