1.嵌入式系統的定義

? ? ? ? 嵌入式系統已經深入到我們生活的每一個角落，手機、游戲機、電磁爐、洗衣機、電動自行車、電視機、汽車電子、水下機器人……，它所涉及的領域達到甚至超過我們個人所能想象的范圍。嵌入式系統（Embedded system）的定義說法很多，認可度較高的定義是：以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶的應用程序等四個部分組成，用于實現對其他設備的控制、監視或管理等功能。

表1.1 嵌入式系統與通用計算機的對比

? ? ? ? 嵌入式系統是面向用戶、面向產品、面向應用的，它必須與具體應用相結合才會具有生命力、才更具有優勢。因此可以這樣理解上述三個面向的含義，即嵌入式系統是與應用緊密結合的，它具有很強的專用性，必須結合實際系統需求進行合理的裁減利用，如微波爐、電視機、汽車電子等都使用嵌入式系統實在系統的控制、監視或管理，而非使用通用計算機，嵌入式系統與通用計算機的對比如表1.1。

? ? ? ? 嵌入式系統是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術和各個行業的具體應用相結合后的產物，這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統。所以，介入嵌入式系統行業，必須有一個正確的定位。例如Palm之所以在PDA領域占有70%以上的市場，就是因為其立足于個人電子消費品，著重發展圖形界面和多任務管理；而風河的Vxworks之所以在火星車上得以應用，則是因為其高實時性和高可靠性。

? ? ? ? 嵌入式系統必須根據應用需求對軟硬件進行裁剪，滿足應用系統的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以，如果能建立相對通用的軟硬件基礎，然后在其上開發出適應各種需要的系統，是一個比較好的發展模式。目前的嵌入式系統的核心往往是一個只有幾k到幾十k微內核，需要根據實際的使用進行功能擴展或者裁減，但是由于微內核的存在，使得這種擴展能夠非常順利的進行。

2. 嵌入式系統的特點

從上面的定義，可以看出嵌入式系統的幾個重要特征：

1．系統內核小。由于嵌入式系統一般是應用于小型電子裝置的，系統資源相對有限，所以內核較之傳統的操作系統要小得多。一般常用的面向ARM的linux內核在數MB范疇，而通用計算機的內核往往都要幾百MB甚至更多。

2．專用性強。嵌入式系統的個性化很強，其中的軟件系統和硬件的結合非常緊密，一般要針對硬件進行系統的移植，即使在同一品牌、同一系列的產品中也需要根據系統硬件的變化和增減不斷進行修改。同時針對不同的任務，往往需要對系統進行較大更改，程序的編譯下載要和系統相結合，這種修改和通用軟件的“升級”是完全兩個概念。

3．系統精簡。嵌入式系統一般沒有系統軟件和應用軟件的明顯區分，不要求其功能設計及實現上過于復雜，這樣一方面利于控制系統成本，同時也利于實現系統安全。

4．高實時性的系統軟件是嵌入式軟件的基本要求。而且軟件要求固態存儲，以提高速度；軟件代碼要求高質量和高可靠性。

5．嵌入式軟件開發要想走向標準化，就必須使用多任務的操作系統。嵌入式系統的應用程序可以沒有操作系統直接在芯片上運行；但是為了合理地調度多任務、利用系統資源、系統函數以及和專家庫函數接口，用戶必須自行選配RTOS（Real－Time Operating System）開發平臺，這樣才能保證程序執行的實時性、可靠性，并減少開發時間，保障軟件質量。

6．嵌入式系統開發需要開發工具和環境。目前，由于其本身不具備開發能力，即使設計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改的，必須有一套開發工具和環境才能進行開發，這些工具和環境一般是基于通用計算機上的軟硬件設備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。開發時往往有主機和目標機的概念，主機用于程序的開發，目標機作為最后的執行機，開發時需要交替結合進行。

7．嵌入式系統與具體應用有機結合在一起，升級換代也是同步進行。因此，嵌入式系統產品一旦進入市場，具有較長的生命周期。

8．為了提高運行速度和系統可靠性，嵌入式系統中的軟件一般都固化在存儲器芯片中。

3. 嵌入式系統的發展歷程

? ? ? ? 從20世紀七十年代單片機的出現到各式各樣的嵌入式微處理器，微控制器的大規模應用，嵌入式系統已經有了近30年的發展歷史。

? ? ? ? 嵌入式系統的出現最初是基于單片機的。70年代單片機的出現，使得汽車、家電、工業機器、通信裝置以及成千上萬種產品可以通過內嵌電子裝置來獲得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。這些裝置已經初步具備了嵌入式的應用特點，但是這時的應用只是使用8位的芯片，執行一些單線程的程序，還談不上“系統”的概念。

????????最早的單片機是Intel公司的8048，它出現在1976年。Motorola同時推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，這些早期的單片機均含有256字節的RAM、4K的ROM、4個8位并口、1個全雙工串行口、兩個16位定時器。之后在80年代初，Intel又進一步完善了8048，在它的基礎上研制成功了8051，這在單片機的歷史上是值得紀念的一頁，迄今為止，51系列的單片機仍然是最為成功的單片機芯片，在各種產品中有著非常廣泛的應用。

????????從80年代早期開始，嵌入式系統的程序員開始用商業級的“操作系統”編寫嵌入式應用軟件，這使得可以獲取更短的開發周期，更低的開發資金和更高的開發效率，“嵌入式系統”真正出現了。確切點說，這個時候的操作系統是一個實時核，這個實時核包含了許多傳統操作系統的特征，包括任務管理、任務間通訊、同步與相互排斥、中斷支持、內存管理等功能。

????????其中比較著名的有Ready System公司的VRTX、Integrated System Incorporation (ISI)的PSOS和IMG的VxWorks、QNX公司的QNX等。這些嵌入式操作系統都具有嵌入式的典型特點：它們均采用占先式的調度，響應的時間很短，任務執行的時間可以確定；系統內核很小，具有可裁剪，可擴充和可移植性，可以移植到各種處理器上；較強的實時和可靠性，適合嵌入式應用。這些嵌入式實時多任務操作系統的出現，使得應用開發人員得以從小范圍的開發解放出來，同時也促使嵌入式有了更為廣闊的應用空間。

????????上個世紀90年代以后，隨著對實時性要求的提高，軟件規模不斷上升，實時核逐漸發展為實時多任務操作系統（RTOS），并作為一種軟件平臺逐步成為目前國際嵌入式系統的主流。這時候更多的公司看到了嵌入式系統的廣闊發展前景，開始大力發展自己的嵌入式操作系統。除了上面的幾家老牌公司以外，還出現了Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，Nucleux，以及國內的Hopen，Delta Os等嵌入式操作系統。隨著嵌入式技術的發展前景日益廣闊，相信會有更多的嵌入式操作系統軟件出現。

????????信息時代、數字時代使得嵌入式產品獲得了巨大的發展契機，為嵌入式市場展現了美好的前景，同時也對嵌入式生產廠商提出了新的挑戰，從中可以看出未來嵌入式系統的幾大發展趨勢：

1．嵌入式開發是一項系統工程，因此要求嵌入式系統廠商不僅要提供嵌入式軟硬件系統本身，同時還需要提供強大的硬件開發工具和軟件包支持。

目前很多廠商已經充分考慮到這一點，在主推系統的同時，將開發環境也作為重點推廣。比如三星在推廣ARM芯片的同時還提供開發板和板級支持包（BSP），而WindowCE在主推系統時也提供Embedded VC++作為開發工具，還有Vxworks的Tonado開發環境等等，都是這一趨勢的典型體現。當然，這也是市場競爭的結果。

2．網絡化、信息化的要求。隨著因特網技術的成熟、帶寬的日益提高，使得以往單一功能的設備如電話、手機、冰箱、微波爐等功能不再單一，結構更加復雜。

這就要求芯片設計廠商在芯片上集成更多的功能，為了滿足應用功能的升級，設計師們一方面采用更強大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片或信號處理器DSP增強處理能力，同時增加功能接口，如USB，擴展總線類型，如CAN BUS，加強對多媒體、圖形等的處理，逐步實施片上系統（SOC）的概念。軟件方面采用實時多任務編程技術和交叉開發工具技術來控制功能復雜性，簡化應用程序設計、保障軟件質量和縮短開發周期。

3．網絡互聯成為必然趨勢。未來的嵌入式設備為了適應網絡發展的要求，必然要求硬件上提供各種網絡通信接口。傳統的單片機對于網絡支持不足，而新一代的嵌入式處理器已經開始內嵌網絡接口，除了支持TCP/IP協議，還有的支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth通信接口中的一種或者幾種，同時也需要提供相應的通信組網協議軟件和物理層驅動軟件。軟件方面系統系統內核支持網絡模塊，甚至可以在設備上嵌入Web瀏覽器，真正實現隨時隨地用各種設備上網。

4．精簡系統內核、算法，降低功耗和軟硬件成本。未來的嵌入式產品是軟硬件緊密結合的設備，為了減低功耗和成本，需要設計者盡量精簡系統內核，只保留和系統功能緊密相關的軟硬件，利用最低的資源實現最適當的功能，這就要求設計者選用最佳的編程模型和不斷改進算法，優化編譯器性能。因此，既要軟件人員有豐富的硬件知識，又需要發展先進嵌入式軟件技術。

5．提供友好的多媒體人機界面。嵌入式設備能與用戶親密接觸，最重要的因素就是它能提供非常友好的用戶界面。圖像界面，靈活的控制方式，使得人們感覺嵌入式設備就像是一個熟悉的老朋友。這方面的要求使得嵌入式軟件設計者要在圖形界面，多媒體技術上痛下苦功。手寫文字輸入、語音撥號上網、收發電子郵件以及彩色圖形、圖像都會使使用者獲得自由的感受。一些先進的PDA在顯示屏幕上已實現漢字寫入、短消息語音發布，但一般的嵌入式設備距離這個要求還有很長的路要走。

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總結

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