嵌入系统,嵌入系统的组成及特点是什么?

嵌入系统,嵌入系统的组成及特点是什么?

嵌入系统的定义与组成
嵌入式系统(Embedded System)是以应用为中心，以计算机技术为基础，系统的软硬件可剪裁，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统主要分为两个部分:嵌入式硬件部分和嵌入式软件部分。嵌入式硬件部分主要由嵌入式处理器，嵌入式外围设备等构成;嵌入式软件部分主要由嵌入式操作系统，嵌入式开发调试环境和嵌入式应用软件构成。

嵌入式系统的特点
随着信息产业和集成电路的发展，嵌入式应用的发展也得到了蓬勃和快速的发展。其特点主要表现在两个方面:

(1) 多样化，广泛化；嵌入式应用领域已应用到社会的各个领域如信息家电、工业控制、通信和智能终端等

(2) 专用化，个性化；嵌入式应用很多是面向特定的应用，如实时控制、低功耗管理、可靠安全控制等，这些应用领域使得嵌入式应用具有专用性和个性特点。

嵌入式应用的多样化主要体现在嵌入式设备主控芯片和外围设备的多样化，目前，嵌入式设备的主控芯片类型包括四类:微控制器、嵌入式处理器、DSP处理器和片上系统SOC。嵌入式外围设备种类繁多，而且不同的嵌入式应用有不同的外挂设备，为了支持这些不同的外挂设备就必须有这些不同设备的板级支持包BSP (board support package).

嵌入式系统应用最早是基于单片机的简单控制应用，因为单片机上的资源有限，因此在程序上采用的是前后台的控制设计。随着嵌入式应用越来越复杂化，现在很多嵌入式应用又引进了嵌入式操作系统，利用嵌入式操作系统提供的特有的机制来满足嵌入式一些特定的应用，例如，多任务调度，实时控制和可靠冗余处理等。嵌入式开发不同于桌面程序的开发，一般都是通过交叉调试模式来开发，因此对于嵌入式开发工具也有特殊的要求。

嵌入式的专用化和个性化一方面体现在嵌入式硬件有专用和个性的支持，另一方面体现在软件上要提供相应的支持。

嵌入式系统硬件平台
嵌入式系统的开发涉及两个方面:硬件部分与软件部分。硬件部分提供整个系统开发可见的或可触摸的“实体”，而软件部分相当于这个“实体”内部的功能逻辑。这两个部分是缺一不可的。嵌入式系统的开发对硬件要求非常高，这与其他类型系统的开发有所不同。许多嵌入式的开发都是针对具体的应用，针对项目中特定的硬件资源，如微处理器、Flash存储器、外围接口等。这样，开发人员就需要熟悉系统中的硬件资源，比如涉及到一些底层编程，就需要知道系统处理器提供的指令集;要对外设驱动，就需了解外设的控制逻辑;要对Flash存储器编程，就需要知道Flash存储器编程的指令序列和编程流程等。

1.嵌入式系统控制器

一个嵌入式系统的目标硬件平台主要分三部分:处理器核心，片内外围电路，板级外围电路.

处理器核心指的是整个芯片的核心电路即CPU的内核。芯片内的外围电路是指封装在芯片内的一些电路如定时器分频电路、串行接口电路等。板级外围电路就是与处理器芯片交互的外围电路，通常这些电路是根据处理器的特性和具体的 应用而定制的外围电路。

嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式处理器作为系统的控制中枢，通过控制总线、数据总线和地址总线与各种外部接口相连。

就目前的现状而言，嵌入式处理器可以分成四大类:嵌入式微处理器(EMU),微控制器(MCU),DSP处理器和片上系统(SOC)。

(1) 嵌入式微处理器(EMU)

嵌入式微处理器是经过改造的通用计算机中的MPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上:然后在电路板上配上必要的扩展外围电路，如存储器的扩展电路、I/O的扩展电路和一些专用的接口电路等，这样就可完成嵌入式系统的一些功能。嵌入式微处理器虽然在功能上与标准微处理器基本相同，但在降低功耗、逻辑密度、工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强.与工控计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、功耗低、成本低等优点，但是，在电路板上必须包括ROM, RAM, Flash、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。

总的来说，嵌入式微处理器一般具备以下几个特点:

1.对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。

2.具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。

3.可扩展的处理器结构，以便能迅速地开发出满足应用的高性能的嵌入式微处理器。

4.嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mw 甚至μW级。

(2) 微控制器(MCU)

Microcontroller(微控制器)又可简称MCU，也被称为单芯片微控制器(Single Chip Microcontroller)，将ROM, RAM, CPU, I/O集合在同一个芯片中，为不同的应用场合做不同组合控制。微控制器在经过这几年不断地研究，发展，历经4位、8位，到现在的16位及32位，甚至64位。为适应不同的应用需求，一般一个系列的微控制器具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是相同的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样，不同的微控制器就可以适合不同的应用场合。与嵌入式微处理器相比，微控制器最大的特点是单片化、端口多、体积小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器的片上资源一般比较丰富，适合于控制，是目前嵌入式系统工业的主流。

(3) DSP 处理器

DSP处理器即数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特点:

在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。快速的中断处理和硬件UO支持。具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。可以并行执行多个操作。支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 DSP的芯片可以按照以下的三种方式进行分类。

按基础特性分

这是根据DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类的。如果DSP芯片在某时钟频率范围内的任何频率上能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类DSP芯片一般称之为静态DSP芯片。

如果有两种或两种以上的DSP芯片，它们的指令集和相应的机器代码及管脚结构相互兼容，则这类DSP芯片称之为一致性的DSP芯片。

按数据格式分

这是根据 DSP芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的DSP芯片称之为定点DSP芯片。以浮点格式工作的称为浮点DSP芯片。不同的浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式，有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式。

按用途分

按照 DSP芯片的用途来分，可分为通用型DSP芯片和专用型的DSP芯片。通用型DSP芯片适合普通的DSP应用，如TI公司的一系列DSP芯片。专用型DSP芯片是为特定的DSP运算而设计，更适合特殊的运算，如数字滤波，卷积和FFT等。

现在DSP处理器已得到很快的发展与应用，特别在嵌入式系统的智能化系统中。智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量计算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP处理器的长处所在。

(4) 片上系统(SOC)

随着EDA的推广和大规模集成电路设计的普及，以及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代己来临，这就是System on Chip(SOC)。各种通用的嵌入式处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，与许多其他嵌入式系统外设一样，成为大规模集成电路设计中一种标准的器件。它用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义整个应用系统，仿真通过后就可以将设计版图交给半导体工厂制作样品。这样，除个别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简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。

2.嵌入式外围设备

嵌入式外围设备是指在一个嵌入硬件系统中，除了中心控制部件(EMU,MCU, DSP, SOC)以外的完成存储、通讯、保护、调试、显示等辅助功能的其它部件。根据外围设备的功能可分为以下三类:

存储器类型:静态易失型存储器(RAM,SRAM)、动态存储器(DRAM),非易失型存储器(ROM, EPROM, EEPROM, FLASH)。其中，FLASH以可擦写次数多，存储速度快，容量大，价格便宜等优点在嵌入式领域中都有着广泛的应用。

接口类型:目前存在的大多数计算机接口在嵌入式领域中都有着广泛的应用，特别是RS232接口、irDA接口、I2C总线接口、USB接口和以太网接口应用较广泛。

显示器件:CRT、LCD和触摸屏等外围显示设备。

嵌入式系统软件平台
嵌入式系统软件包括嵌入式操作系统、设备驱动、软件开发工具和嵌入式应用软件四个层次。

由于嵌入式系统都是实时性系统，所以要求嵌入式系统的软件应具有实时性、异步事件的并发处理、应用/操作系统一体化、应用可固化、高可靠/高容错、灵活性、安全性。

在大型的嵌入式系统中，为了使开发更方便、快捷，需要相应的管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定时器响应，并提供多任务处理等功能的稳定、安全的软件模块集合，即嵌入式操作系统。嵌入式操作系统是一种用途广泛的系统软件，负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度、控制和协调各部件的工作，嵌入式操作系统与一般操作系统相比，在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。嵌入式操作系统的引入大大提高了嵌入式系统的功能，方便了嵌入式应用软件的设计，但同时也占有了宝贵的系统资源。一般在比较大型或极为复杂的应用场合才考虑使用嵌入式操作系统。

目前，对嵌入式操作系统的要求有:

实时性:嵌入式系统一般带有实时性要求，因此嵌入式操作系统应该具备实时特性。

系统可裁剪:由于嵌入式系统的资源限制，所采用的操作系统应该有极强的针对性，因此对操作系统的功能要能够配置。

轻量型网络支持:当今许多的嵌入式设备需要连接上网，所以嵌入式操作系统中要提供必要的轻量型网络协议找支持。

功能可扩展;新型嵌入式设备功能的多样化，要求嵌入式操作系统除能提供基本的内核支持外，还能提供越来越多的可扩展功能模块。

由于嵌入式系统的软件开发受到时间、空间开销的限制，常常需要在专门的开发平台上进行软件的交叉开发。在这种独立的软件开发系统上，应配备完整的软件开发工具，如高级语言编译器、在线调试器和在线仿真器等。嵌入式软件开发环境是嵌入式软件开发中重要的系统软件，一般与嵌入式操作系统一起，作为一种专用软件，其技术含量高，价格也较贵。

对于系统资源比较稀缺的嵌入式系统，开发人员往往不使用嵌入式操作系统提供的服务，而是直接与底层硬件打交道，这就需要自己编写代码管理硬件资源。在实际环境中，嵌入式系统处理的外部事件往往不是单一的，系统软件应对这些外部事件有效的进行处理，此处嵌入式系统实现的功能各不相同，所以嵌入式应用软件具有定制的特性，开发人员需要根据用户的需求在特定的硬件平台上进行应用软件开发。