嵌入式系统介绍Development of Embedded System 蓝色向荣一，什么是嵌入式系统 嵌入式系统一般指非 PC 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。 简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。 一，什么是嵌入式系统 嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上 PDA 、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。 一，什么是嵌入式系统 嵌入式系统的硬件部分，包括处理器 / 微处理器、存储器及外设器件和 I/O 端口、图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用 EPROM 、 EEPROM 或闪存 (Flash Memory) 作为存储介质。 软件部分包括操作系统软件 ( 要求实时和多任务操作 ) 和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。二，嵌入式处理芯片(1) 嵌入式微处理器 (Embedded Microprocessor Unit, EMPU) 嵌入式微处理器采用“增强型”通用微处理器。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器组成的系统具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但在其电路板上必须包括 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。由嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路主板上构成一个通常所说的单板机系统。 嵌入式处理器目前主要有 Am186/88 、 386EX 、 SC-400 、 Power PC 、 68000 、 MIPS 、 ARM 系列等。 二，嵌入式处理芯片 (2) 嵌入式微控制器 (Microcontroller Unit, MCU) 嵌入式微控制器又称单片机，它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种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了 ROM/EPROM 、 RAM 、总线、总线逻辑、定时 / 计数器、看门狗、 I/O 、串行口、脉宽调制输出、 A/D 、 D/A 、 Flash RAM 、 EEPROM 等各种必要功能部件和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的单片化使应用系统的体积大大减小，从而使功耗和成本大幅度下降、可靠性提高。 通常，嵌入式微处理器可分为通用和半通用两类，比较有代表性的通用系列包括 8051 、 P51XA 、 MCS-251 、 MCS-96/196/296 、 C166/167 、 68300 等。而比较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 总线、 LCD 等的众多专用 MCU 和兼容系列。二，嵌入式处理芯片（3) 嵌入式 DSP 处理器 在数字信号处理应用中，各种数字信号处理算法相当复杂，在数字滤波、 FFT 、谱分析等方面， DSP 算法正大量进入嵌入式领域， DSP 应用正从在通用单片机中以普通指令实现 DSP 功能，过渡到采用嵌入式 DSP 处理器。嵌入式 DSP 处理器有两类： (1)DSP 处理器经过单片化、 EMC 改造、增加片上外设成为嵌入式 DSP 处理器， TI 的 TMS320C2000/C5000 等属于此范畴； (2) 在通用单片机或 SOC 中增加 DSP 协处理器，例如 Intel 的 MCS-296 和 Infineon(Siemens) 的 TriCore 。 嵌入式 DSP 处理器比较有代表性的产品是 TI 的 TMS320 系列和 Motorola 的 DSP56000 系列。 TMS320 系列处理器包括用于控制的 C2000 系列、移动通信的 C5000 系列，以及性能更高的 C6000 和 C8000 系列。 DSP56000 目前已经发展成为 DSP56000 、 DSP56100 、 DSP56200 和 DSP56300 等几个不同系列的处理器。二，嵌入式处理芯片(4) 嵌入式片上系统 (System On Chip, SOC) 随着 EDA（电子设计自动化）的推广和 VLSI （超大规模集成电路）设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，可以在一块硅片上实现一个更为复杂的系统，这就产生了 SOC 技术。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除某些无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简单，对于减小整个应用系统体积和功耗、提高可靠性非常有利。 SOC 可分为通用和专用两类，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 联合研制的 Neuron 芯片等；专用 SOC 一般专用于某个或某类系统中，如 Philips 的 Smart XA ，它将 XA 单片机内核和支持超过 2048 位复杂 RSA 算法的 CCU 单元制作在一块硅片上，形成一个可加载 Java 或 C 语言的专用 SOC ，可用于互联网安全方面。二，嵌入式处理芯片 ARM 微处理器目前包括下面几个系列，除了具有ARM 体系结构的共同特点以外，每一个系列的 ARM 微处理器都有各自的特点和应用领域。其目前有Classic系列、Cortex-M系列、Cortex-R系列、Cortex-A系列和Cortex-A50系列5个大类。 通常来说，作为工业控制处理器，可以选择Cortex-M系列处理器，其中M0比较简单便宜，适合用于替代51单片机，Cortex-R处理器可以取代ARM9作为具有带操作系统的控制系统；Cortex-A系列处理器更加常用的场合是消费电子。 1，Classic系列 该系列处理器由三个子系列组成： ARM7系列：基于ARMv3或ARMv4架构 ARM9系列：基于ARMv5架构 ARM11系列：基于ARMv6架构二，嵌入式处理芯片2，Cortex-M系列 该系列处理器包括Cortex-M0、Cortex-M0+、Cortex-M1、Cortex-M3、Cortex-M4共5个子系列。该系列主要针对成本和功耗敏感的应用，如智能测量、人机接口设备、汽车和工业控制系统、家用电器、消费性产品和医疗器械等。3，Cortex-R系列 该系列处理器包括Cortex-R4、Cortex-R5、Cortex-R7共3个子系列。面向如汽车制动系统、动力传动解决方案、大容量存储控制器等深层嵌入式实时应用。二，嵌入式处理芯片4，Cortex-A系列 该系列处理器包括Cortex-A5、Cortex-A7、Cortex-A8、Cortex-A9、Cortex-A12和Cortex-A15共6个子系列，用于具有高计算要求、运行丰富操作系统及提供交互媒体和图形体验的应用领域，如智能手机、平板电脑、汽车娱乐系统、数字电视等。三，嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统 ( 包括硬、软件系统 ) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等 。 嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序 。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。三，嵌入式操作系统三，嵌入式操作系统嵌入式系统与普通PC机的对比：软件上的对比：三，嵌入式操作系统硬件上的对比：三，嵌入式操作系统 一般情况下，嵌入式操作系统可以分为两类，一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统，如 WindRiver 公司的 VxWorks 、 ISI 的 pSOS 、 QNX 系统软件公司的 QNX 、 ATI 的 Nucleus 等； 另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，这类产品包括个人数字助理 (PDA) 、移动电话、机顶盒、电子书、 WebPhone 等。 目前在嵌入式领域广泛使用的操作系统有：嵌入式实时操作系统C/OS-II、嵌入式Linux、Windows Embedded、VxWorks等，以及应用在智能手机和平板电脑的Android、iOS等。三，嵌入式操作系统 Linux是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统，是一个基于POSIX（可移植操作系统接口）和UNIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。它能运行主要的UNIX工具软件、应用程序和网络协议。它支持32位和64位硬件。Linux继承了Unix以网络为核心的设计思想，是一个性能稳定的多用户网络操作系统。三，嵌入式操作系统linux操作系统的几个特点：1，基本思想 Linux的基本思想有两点：第一，一切都是文件；第二，每个软件都有确定的用途。其中第一条详细 来讲就是系统中的所有都归结为 一个文件，包括命令、硬件和软件设备 、操作系统、进程等等对于操作系统内核而言，都被视为拥 有各自特性或类型的文件。2，完全免费 Linux是一款免费的操作系统，用户可以通过网络或其他途径免费获 得，并可以任意修改其源代码。3，完全兼容POSIX1.0标准 这使得可以在Linux下通过相应的模拟器运行常见的DOS、Windows的程序。这为 用户从Windows转到Linux奠定了基础。三，嵌入式操作系统4，多用户、多任务 Linux支持多用户，各个用户对 于自己的文件设备 有自己特殊的权利，保证了各用户之间互不影响。多任务则 是现在电脑 最主要的一个特点，Linux可以使多个程序同时并独立地运行。 5，良好的界面 Linux同时具有字符界面和图形界面。在字符界面用户可以通过键盘输 入相应的指令来进行操作。它同时也提供了类似Windows图形界面的X-Window系统，用户可以使用鼠标对其进行操作。在X-Window环境中就和在Windows中相似，可以说是一个Linux版的Windows。6，支持多种平台 Linux可以运行在多种硬件平台上，如具有x86、680 x0、SPARC、Alpha等处理器的平台。此外Linux还是一种嵌入式操作系统，可以运行在掌上电脑 、机顶盒或游戏机上。三，嵌入式操作系统 Ubuntu（友帮拓、优般图、乌班图）是一个以桌面应用为主的开源GNU/Linux操作系统，Ubuntu 是基于Debian GNU/Linux，支持x86、amd64（即x64）和ppc架构，由全球化的专业 开发团队 （Canonical Ltd）打造的。三，嵌入式操作系统什么样的芯片可以运行操作系统： 对于嵌入式芯片的要求就是，他的ram和rom区要足够大，能够存得下系统运行的所有数据，运行嵌入式linux的芯片要求要高于us/os，如果裁剪得当的话，51单片机也可以运行us/os。 它对于外设要求不高，主要是对cpu及RAM有要求，拿arm体系结构来说吧： S3C44B0是arm7核，它没有mmu，所以不能跑完整linux系统，但是可以跑uclinux（针对没有mmu芯片）、ucOS；如果要跑完整的linux，S3C2440就可以，它是arm9核，主频500左右，外设配置60M RAM。 li