隨著我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級的加速，人們對設(shè)備越來越高的應(yīng)用需求已無法滿足當(dāng)前和未來高性能的應(yīng)用與發(fā)展需求。同時，激烈的市場競爭和技術(shù)競爭，要求產(chǎn)品的開發(fā)周期越來越短，顯然，嵌入式系統(tǒng)的軟、硬件技術(shù)和開發(fā)手段，正日益受到重視，成為各領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的重要基礎(chǔ)。

根據(jù)IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）的定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機器和車間運行的裝置”。

目前國內(nèi)一個普遍被認同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。

與通用計算機系統(tǒng)的不同：嵌入式系統(tǒng)是不同于常見計算機系統(tǒng)的一種計算機系統(tǒng)，它不以獨立設(shè)備的物理形態(tài)出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)的部件根據(jù)主體設(shè)備及其應(yīng)用的需要，嵌入在主體設(shè)備內(nèi)部，發(fā)揮著運算、處理、存儲及控制的作用，是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置”。

可以這樣認為，嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計算機系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用程序4個部分組成。“嵌入性”、“專用性”與“計算機系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的三個基本要素，對象系統(tǒng)則是指嵌入式系統(tǒng)所嵌入的宿主系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)的組成

嵌入式系統(tǒng)通常由包含有嵌入式處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和外圍設(shè)備接口的嵌入式計算機系統(tǒng)和執(zhí)行裝置（被控對象）組成。嵌入式計算機系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心，可以分為硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層。執(zhí)行裝置接受嵌入式計算機系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。

1．嵌入式計算機系統(tǒng)的硬件層

硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用設(shè)備接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。硬件層通常是一個以嵌入式處理器為中心的，包含有電源電路、時鐘電路和存儲器電路的電路模塊，其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都固化在模塊的ROM中。

1.1 嵌入式微處理器

嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件層的核心，嵌入式微處理器將通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成到芯片內(nèi)部，從而有利于系統(tǒng)設(shè)計趨于小型化、高效率和高可靠性。嵌入式微處理器大多工作在為特定用戶群所專門設(shè)計的系統(tǒng)中。n嵌入式微處理器的體系結(jié)構(gòu)可以采用馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)或哈佛體系結(jié)構(gòu)，指令系統(tǒng)可以選用精簡指令系統(tǒng)（Reduced Instruction SetComputer，RISC）和復(fù)雜指令集系統(tǒng)CISC（Complex Instruction SetComputer, CISC）。

嵌入式微處理器有各種不同的體系，目前全世界嵌入式微處理器已經(jīng)超過1000多種，體系結(jié)構(gòu)有30多個系列，其中主流的體系有ARM、MIPS、PowerPC、X86等。即使在同一體系中，也可以具有不同的時鐘頻率、數(shù)據(jù)總線寬度、接口和外設(shè)。目前沒有一種嵌入式微處理器可以主導(dǎo)市場，嵌入式微處理器的選擇是根據(jù)具體的應(yīng)用而決定的。

1.2 存儲器

嵌入式系統(tǒng)的存儲器包含Cache、主存儲器和輔助存儲器，用來存放和執(zhí)行代碼。

①Cache是一種位于主存儲器和嵌入式微處理器內(nèi)核之間的快速存儲器陣列，存放的是最近一段時間微處理器使用最多的程序代碼和數(shù)據(jù)。

Cache一般集成在嵌入式微處理器內(nèi)，可分為數(shù)據(jù)Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的存儲容量大小依不同處理器而定。

②主存儲器用來存放系統(tǒng)和用戶的程序及數(shù)據(jù)，是嵌入式微處理器能直接訪問的存儲器。主存儲器包含有ROM和RAM，可以位于微處理器的內(nèi)部或外部。常用的ROM類存儲器有NOR Flash、EPROM和PROM等，RAM類存儲器有SRAM、DRAM和SDRAM等，容量為256KB～1GB。

③輔助存儲器通常指硬盤、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等，用來存放大數(shù)據(jù)量的程序代碼或信息，一般容量較大，但讀取速度與主存相比要慢一些。

1.3 通用設(shè)備接口和I/O接口

嵌入式系統(tǒng)通常具有與外界交互所需要的通用設(shè)備接口，如GPIO、A/D（模／數(shù)轉(zhuǎn)換接口）、D/A（數(shù)／模轉(zhuǎn)換接口）、RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太網(wǎng)接口）、USB（通用串行總線接口）、音頻接口、VGA視頻輸出接口、I2C（現(xiàn)場總線）、SPI（串行外圍設(shè)備接口）和IrDA（紅外線接口）等。

2．中間層

中間層也稱為硬件抽象層（Hardware Abstract Layer，HAL）或板級支持包（Board Support Package，BSP），位于硬件層和軟件層之間，將系統(tǒng)上層軟件與底層硬件分離開來。

BSP作為上層軟件與硬件平臺之間的接口，需要為操作系統(tǒng)提供操作和控制具體硬件的方法。不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu)，BSP需要為不同的操作系統(tǒng)提供特定的硬件接口形式。BSP使上層軟件開發(fā)人員無需關(guān)心底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP層提供的接口即可進行開發(fā)。

BSP是一個介于操作系統(tǒng)和底層硬件之間的軟件層次，包括了系統(tǒng)中大部分與硬件聯(lián)系緊密的軟件模塊。BSP一般包含相關(guān)底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入／輸出操作和硬件設(shè)備的配置等功能。

2.1 嵌入式系統(tǒng)硬件初始化

系統(tǒng)初始化過程按照自底向上、從硬件到軟件的次序依次可以分為片級初始化、板級初始化和系統(tǒng)級初始化3個主要環(huán)節(jié)。

①片級初始化是一個純硬件的初始化過程，包括設(shè)置嵌入式微處理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微處理器核心工作模式和嵌入式微處理器的局部總線模式等。

②板級初始化是一個同時包含軟硬件兩部分在內(nèi)的初始化過程，完成嵌入式微處理器以外的其他硬件設(shè)備的初始化，設(shè)置某些軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，為隨后的系統(tǒng)級初始化和應(yīng)用程序的運行建立硬件和軟件環(huán)境。

③系統(tǒng)級初始化主要進行操作系統(tǒng)的初始化。BSP將對嵌入式微處理器的控制權(quán)轉(zhuǎn)交給嵌入式操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)完成余下的初始化操作。最后，操作系統(tǒng)創(chuàng)建應(yīng)用程序環(huán)境，并將控制權(quán)交給應(yīng)用程序的入口。

2.2 硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序

nnBSP中包含硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序，但是這些設(shè)備驅(qū)動程序通常不直接由BSP使用，而是在系統(tǒng)初始化過程中由BSP將他們與操作系統(tǒng)中通用的設(shè)備驅(qū)動程序關(guān)聯(lián)起來，并在隨后的應(yīng)用中由通用的設(shè)備驅(qū)動程序調(diào)用，實現(xiàn)對硬件設(shè)備的操作。

3．系統(tǒng)軟件層

系統(tǒng)軟件層通常包含有嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded Operating System，EOS） 、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。

3.1 嵌入式操作系統(tǒng)

EOS除具備了一般操作系統(tǒng)最基本的任務(wù)調(diào)度、同步機制、中斷處理、文件處理等功能外，還具有如下特點：

強實時性；

支持開放性和可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)，具有可裁減性；

提供統(tǒng)一的設(shè)備驅(qū)動接口；

支持TCP/IP協(xié)議及其他協(xié)議，提供TCP/UDP/IP/PPP協(xié)議支持及統(tǒng)一的MAC訪問層接口，提供強大的網(wǎng)絡(luò)功能；

嵌入式操作系統(tǒng)的用戶接口通過系統(tǒng)的調(diào)用命令向用戶程序提供服務(wù)；

嵌入式系統(tǒng)一旦開始運行就不需要用戶過多的干預(yù)；

嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件被固化在嵌入式系統(tǒng)計算機的ROM中；

具有良好的硬件適應(yīng)性（可移植性）。

3.2 文件系統(tǒng)

嵌入式文件系統(tǒng)主要提供文件存儲、檢索和更新等功能。嵌入式文件系統(tǒng)通常支持FAT32、JFFS2、YAFFS等幾種標準的文件系統(tǒng)，一些嵌入式文件系統(tǒng)還支持自定義的實時文件系統(tǒng)。

嵌入式文件系統(tǒng)以系統(tǒng)調(diào)用和命令方式提供文件的各種操作，如設(shè)置、修改對文件和目錄的存取權(quán)限，提供建立、修改、改變和刪除目錄等服務(wù)，提供創(chuàng)建、打開、讀寫、關(guān)閉和撤銷文件等服務(wù)。

4．應(yīng)用軟件層

應(yīng)用軟件層用來實現(xiàn)對被控對象的控制功能，由所開發(fā)的應(yīng)用程序組成，面向被控對象和用戶。

嵌入式實時操作系統(tǒng)

RTOS與通用計算機系統(tǒng)不同，要求系統(tǒng)中的任務(wù)不但執(zhí)行結(jié)果要正確，而且必須在一定的時間約束（Deadline）內(nèi)完成。在RTOS中，一個邏輯上正確的計算結(jié)果，若其產(chǎn)生的時間晚于某個規(guī)定的時間，那么也認為系統(tǒng)的行為是不正確的。

1．實時系統(tǒng)RTOS的定義

RTOS是指能夠在指定或者確定的時間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和對外部或內(nèi)部、同步或異步時間做出響應(yīng)的系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠處理和存儲控制系統(tǒng)所需要的大量數(shù)據(jù)。RTOS的正確性不僅依賴于系統(tǒng)計算的邏輯結(jié)果，還依賴于產(chǎn)生這個結(jié)果的時間。

2．RTOS的特點

2.1 約束性

RTOS任務(wù)的約束包括時間約束、資源約束、執(zhí)行順序約束和性能約束。

RTOS的任務(wù)具有時間約束性。時間約束性可分為“硬實時”和“軟實時”。

資源約束是指多個實時任務(wù)共享有限的資源時，必須按照一定的資源訪問控制協(xié)議進行同步，以避免死鎖和高優(yōu)先級任務(wù)被低優(yōu)先級任務(wù)堵塞的時間（即優(yōu)先級倒置時間）不可預(yù)測。

性能約束是指必須滿足如可靠性、可用性、可預(yù)測性、服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）等性能指標。

2.2 可預(yù)測性

可預(yù)測性是指RTOS完成實時任務(wù)所需要的執(zhí)行時間應(yīng)是可知的。

2.3 可靠性

大多數(shù)RTOS要求有較高的可靠性，要求系統(tǒng)在最壞情況下都能正常工作或避免損失。可靠性是RTOS的重要性能指標。

n（4）交互性n外部環(huán)境是RTOS不可缺少的一個組成部分，外部環(huán)境往往是被控子系統(tǒng)，兩者相互作用構(gòu)成完整的實時系統(tǒng)。

3．RTOS調(diào)度

給定一組實時任務(wù)和系統(tǒng)資源，確定每個任務(wù)何時何地執(zhí)行的整個過程就是調(diào)度。而RTOS中調(diào)度的目的則是要盡可能地保證每個任務(wù)滿足它們的時間約束，及時對外部請求做出響應(yīng)。

4．RTOS分類

RTOS主要分為強實時（Hard Real-Time）系統(tǒng)和弱實時（Soft Real-Time）系統(tǒng)兩類。強實時系統(tǒng)應(yīng)用在航空航天、軍事、核工業(yè)等領(lǐng)域中，弱實時系統(tǒng)如視頻點播系統(tǒng)、信息采集與檢索系統(tǒng)等。

嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)

1．馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)

1.1 馮·諾依曼（Von Neumann）結(jié)構(gòu)

馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的計算機由CPU和存儲器構(gòu)成，其程序和數(shù)據(jù)共用一個存儲空間，程序指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置；采用單一的地址及數(shù)據(jù)總線，程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同。程序計數(shù)器（PC）是CPU內(nèi)部指示指令和數(shù)據(jù)的存儲位置的寄存器。

CPU通過程序計數(shù)器提供的地址信息，對存儲器進行尋址，找到所需要的指令或數(shù)據(jù)，然后對指令進行譯碼，最后執(zhí)行指令規(guī)定的操作。處理器執(zhí)行指令時，先從儲存器中取出指令解碼，再取操作數(shù)執(zhí)行運算，即使單條指令也要耗費幾個甚至幾十個周期，在高速運算時，在傳輸通道上會出現(xiàn)瓶頸效應(yīng)。

使用馮．諾依曼結(jié)構(gòu)的CPU和微控制器有Intel公司的8086系列及其他CPU，ARM公司的ARM7、MIPS公司的MIPS處理器等。

1.2 哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)

哈佛結(jié)構(gòu)的主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址、獨立訪問。系統(tǒng)中具有程序的數(shù)據(jù)總線與地址總線，數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線與地址總線。

這種分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線可允許在一個機器周期內(nèi)同時獲取指令字（來自程序存儲器）和操作數(shù)（來自數(shù)據(jù)存儲器），從而提高執(zhí)行速度，提高數(shù)據(jù)的吞吐率。又由于程序和數(shù)據(jù)存儲器在兩個分開的物理空間中，因此取指和執(zhí)行能完全重疊，具有較高的執(zhí)行效率。

目前使用哈佛結(jié)構(gòu)的CPU和微控制器品種有很多，有摩托羅拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11等。

2 . 精簡指令集計算機

早期的計算機采用復(fù)雜指令集計算機（Complex Instruction Set Computer，CISC）體系。在CISC中，為了支持目標程序的優(yōu)化，支持高級語言和編譯程序，增加了許多復(fù)雜的指令，控制邏輯極不規(guī)整，給VLSI工藝造成很大困難。

精簡指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer，RISC）體系結(jié)構(gòu)是在CISC的基礎(chǔ)上產(chǎn)生并發(fā)展起來的，RISC的著眼點不是簡單地放在簡化指令系統(tǒng)上，而是通過簡化指令系統(tǒng)使計算機的結(jié)構(gòu)更加簡單合理，從而提高運算效率。

采用Load/Store指令訪問存儲器，其余指令的操作都在寄存器之間進行；增加CPU中通用寄存器數(shù)量，算術(shù)邏輯運算指令的操作數(shù)都在通用寄存器中存取；大部分指令控制在一個或小于一個機器周期內(nèi)完成；以硬布線控制邏輯為主，不用或少用微碼控制；采用高級語言編程，重視編譯優(yōu)化工作，以減少程序執(zhí)行時間。

3 . 流水線技術(shù)

流水線技術(shù)應(yīng)用于計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的各個方面， 是將一個重復(fù)的時序分解成若干個子過程，而每一個子過程都可有效地在其專用功能段上與其他子過程同時執(zhí)行。實現(xiàn)子過程的功能所需時間盡可能相等。形成流水處理，需要一段準備時間。指令流發(fā)生不能順序執(zhí)行時，會使流水線過程中斷，再形成流水線過程則需要時間。

4 . 信息存儲的字節(jié)順序

4.1 大端和小端存儲法

對于一個多字節(jié)類型的數(shù)據(jù)，在存儲器中有兩種存放方法。n低字節(jié)數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存低地址處，高字節(jié)數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存高地址處，稱為小端字節(jié)順序存儲法；

高字節(jié)數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存低地址處，低字節(jié)數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存高地址處，稱為大端字節(jié)順序存儲法。

4.2 可移植性問題

當(dāng)在不同存儲順序的微處理器間進行程序移植時，要特別注意存儲模式的影響。把從軟件得到的二進制數(shù)據(jù)寫成一般的數(shù)據(jù)格式往往會涉及到存儲順序的問題。

4.3 通信中的存儲順序問題

在網(wǎng)絡(luò)通信中，Internet協(xié)議（即IP協(xié)議）定義了標準的網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序。該字節(jié)順序被用于所有設(shè)計使用在IP協(xié)議上的數(shù)據(jù)包、高級協(xié)議和文件格式上。n很多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也存在存儲順序問題：即字節(jié)中的位采用大端法（最重要的位優(yōu)先）或小端法（最不重要的位優(yōu)先）發(fā)送。這取決于OSI模型最底層的數(shù)據(jù)鏈路層。

4.4 數(shù)據(jù)格式的存儲順序

嵌入式處理器的類型

1 . 嵌入式微控制器（MCU）

又稱為單片機，芯片內(nèi)部集成ROM、EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時／計數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出（PWM）、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。

嵌入式微控制器具有單片化、體積小、功耗和成本低，可靠性高等特點，約占嵌入式系統(tǒng)市場份額的70％。

2 . 嵌入式微處理器（MPU）

由通用計算機中的CPU發(fā)展而來，嵌入式微處理器只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，以最低的功耗和資源實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。

3 . 嵌入式DSP

嵌入式DSP是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進行了特殊設(shè)計，具有很高的編譯效率和指令執(zhí)行速度。

4 . 嵌入式片上系統(tǒng)SoC

SoC，System onchip，或者 System on a chip。基本定義是：以知識產(chǎn)權(quán)核為設(shè)計基礎(chǔ)，在單個芯片上集成處理器、存儲器、各種接口等部件，組成一個部分完整的計算機系統(tǒng)，可以完成特定的應(yīng)用功能。

目前，大多數(shù)32位的嵌入式處理器芯片都是SoC。嵌入式SoC是追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件。絕大多數(shù)系統(tǒng)構(gòu)件都在一個系統(tǒng)芯片內(nèi)部。

5 . 多核處理器

將兩個或多個CPU核封裝在一個芯片內(nèi)部，可節(jié)省大量的晶體管和封裝成本，同時還能顯著提高處理器的性能。實現(xiàn)兩個或多個內(nèi)核協(xié)調(diào)工作.

嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展史

1 . 以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)。一般沒有操作系統(tǒng)的支持，通過匯編語言直接控制。

二十世紀七十年代1971年11月，世界上第一片微處理器Intel4004，嵌入式應(yīng)用發(fā)展最重要的里程碑。

2 . 以嵌入式CPU為基礎(chǔ)，以簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。

有簡單操作系統(tǒng)的支持，但通用性較弱。

二十世紀八十年代，出現(xiàn)了單片機–Intel進一步完善了8048，在它的基礎(chǔ)上研制成功了8051單片機–其后發(fā)展的DSP 產(chǎn)品更快地提升了嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)水平。

1981年，第1個商業(yè)嵌入式實時內(nèi)核(VTRX32)，隨后，出現(xiàn)了一些嵌入式操作系統(tǒng)。

3 . 以嵌入式操作系統(tǒng)為標志的嵌入式系統(tǒng)。

兼容性佳。

二十世紀九十年代至今。硬件方面，尤其是芯片方面的發(fā)展表現(xiàn)出三個特點：

軟件方面, 嵌入式操作系統(tǒng)出現(xiàn)了進一步的分化，誕生了一些嵌入式操作系統(tǒng)家族。

跨平臺的軟件開發(fā)技術(shù)從通用計算機上延展到嵌入式設(shè)備上

4 . 以Internet為標志的嵌入式系統(tǒng)。

與Internet相結(jié)合。

嵌入式控制器的應(yīng)用幾乎無處不在：移動電話、家用電器、汽車……無不有它的蹤影。嵌入控制器因其體積小、可靠性高、功能強、靈活方便等許多優(yōu)點,其應(yīng)用已深入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、教育、國防、科研以及日常生活等各個領(lǐng)域,對各行各業(yè)的技術(shù)改造、產(chǎn)品更新?lián)Q代、加速自動化化進程、提高生產(chǎn)率等方面起到了極其重要的推動作用。從上世紀90年代開始，嵌入式技術(shù)已全面展開，成為通信產(chǎn)品和消費類產(chǎn)品的共同發(fā)展方向，在通信領(lǐng)域、廣播電視領(lǐng)等得到廣泛應(yīng)用。個人領(lǐng)域嵌入式產(chǎn)品主要是個人商用，作為個人移動的數(shù)據(jù)處理和通訊軟件得到普及。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的空間是無比廣。

審核編輯：湯梓紅