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1、嵌入式系统设计浅谈嵌入式系统浅谈 摘 要： 近年来微电子技术迅速发展，处理器增长速度加快，嵌入式领域也发生了翻天覆地的变化。尤其是SOC技术的迅猛发展使得嵌入式处理器在性能、功耗、体积等方面有了很大的进步，另外Internet技术与嵌入式技术的结合大大增强了嵌入式系统多方面的实用性。 目前，嵌入式系统已经拥有了很大的市场。在当今世界范围内嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元。目前从事嵌入式开发的软件企业超过30。国内嵌入式市场的发展重点在于对应用范围的拓展，而手持设备，信息家电和工业控制则是近期市场的三大热点。 关键词：嵌入式系统；实用性；Internet ；嵌入式技术 一、引言 在现
2、在日益信息化的社会中，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个角落。对于我们每个人，需要的已经不再仅仅是那种放在桌上处理文档，进行工作管理和生产控制的计算机机器；各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过通用计算机，任何一个普通人可能拥有从大到小的各种使用嵌入式技术的电子产品，小到mp3，PDA等微型数字化产品，大到网络家电，智能家电，车载电子设备。而在工业和服务领域中，使用嵌入式技术的数字机床，智能工具，工业机器人，服务机器人也将逐渐改变传统的工业和服务方式。 近几年，嵌入式系统产品日臻完善，并在全世界各行业得到广泛应用。嵌入式系统产品的研制和应用已经成为我国信息化带动工业化、工
3、业化促进信息化发展的新的国民经济增长点。 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式技术将全面展开，现在嵌入式已经成为通信和消费类产品的共同发展方向。总体来说，嵌入式系统分别在硬件和软件方面获得发展。嵌入式系统必将成为当今IT界的又一焦点，开发自主知识产权的嵌入式处理器和嵌入式操作系统，对于我们国家的民族IT产业来讲具有十分重要的战略意义。从国内IT市场来看，嵌入式系统及其产品在由家电产品和Internet衍生出来的新型市场中占有主导地位和独特份额。 嵌入式系统的英文叫做Embedded System，是一种包括硬件和软件的完整的计算机系统，但又跟通用计算机系统不同。嵌入式系统是以应用为中心，以
4、计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。它具有以下特点： 1、与应用密切相关：嵌入式系统作为机器或设备的组成部分，与具体的应用密切相关。 2、实时性：嵌入式系统必须在实时方式下工作，若在规定的时间内某一请求得不到处理或者处理没有结束，可能会带来严重的后果。 3、复杂的算法：对不同的应用，嵌入式系统有不同的算法。 4、制造成本：在某些情况下，制造成本决定了含有嵌入式系统的设备或产品能否在市场上被成功地销售。 5、功耗：许多嵌入式系统采用电池供电，因此对功耗有严格的要求。 6、开发和调试：必须有相应的开发环境、开发工具和调试工具
5、，才能进行开发和调试。 7、可靠性：嵌入式系统应该能够可靠地运行，比如能在规定的温度、湿度环境下连续运行、有一定的抗干扰能力。 8、体积：嵌入式系统一般都要求体积尽可能地小。 嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，自底向上包含有3个部分： 硬件环境：是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台，硬件平台包括嵌入式处理器和外围设备。嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。 嵌入式操作系统：完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。具有内核较精简、可配置、与高层应用紧密关联等特点。嵌入式操作系统具有相对不变性。 嵌入式应用程序：运行于操作系统之上，利用操作系统提供的机制完成特
6、定功能的嵌入式应用。不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。 二、嵌入式系统应用 1、家庭中的数字电视、机顶盒、DVD、超级VCD智能手机等 2、办公室中的复印机、打印机、扫描仪、键盘等 3、手持设备：MP3、GPS手机、数码相机、数码摄像机等 4、汽车电子产品：时速、发动机转速和油量的信号采集与数字显示设备，行驶状态和故障记录的数字设备，电子地图、导航、车载GPS和无线上网设备等。 5、军事、航空和航天领域中的设备，如美国的F16战斗机、FA18战斗机等。 6、其他领域，如工业控制和仪器仪表、通信、网络、移动计算、机器人等。 目前嵌入式系统的发展已日渐成熟。32位的处理器也正在被逐渐广泛应用
7、，现在仍大量应用的是8位和16位的微处理器。嵌入式微处理器分为四类：嵌入式微控制器，嵌入式数字信号处理器，嵌入式微处理器，嵌入式片上系统。基于ARM系列处理器核的微处理器目前占据了32位RISC微处理器75%以上的市场份额，是使用最为广泛的微处理器。MIPS也是一种处理器的内核标准，具有良好的可扩展性，并且能够满足超低功耗微处理器的要求。Power PC是一种品种较多应用也比较广泛的处理器。另外，Intel公司的嵌入式微处理器Geode SPISC10、Motororla 公司的68xxx、Compaq公司的Alpha等嵌入式微处理器也有着广泛的应用。 随着计算机技术、信息技术和数据技术的发展
8、，嵌入式系统的将向着更加小、更快速、功耗更低以及互联网的方向发展。 三、应用概述 嵌入式系统主要由嵌入式微处理器和操作系统组成。硬件主要包括：微处理器，ROM,DRAM，人机交互接口，A/D、D/A转换电路、触摸屏等。 嵌入式系统的开发是需要开发工具和环境，通用计算机具有完善的人机接口界面,在上面增加一些开发应用程序和环境即可进行对自身的开发。而嵌入式系统本身不具备自举开发能力,即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的,必须有一套开发工具和环境才能进行开发,这些工具和环境是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。 嵌入式系统软件需要RTOS 开发平台
9、。通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口(API) ,是计算机基本组成不可分离的一部分,应用程序的开发以及完成后的软件都在操作系统(OS) 平台上面运行,但一般不是实时的。嵌入式系统则不同,应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行;但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口,用户必须自行选配RTOS 开发平台,这样才能保证程序执行的实时性、可靠性,并减少开发时间,保障软件质量。 嵌入式系统的开发环境是嵌入式操作系统，它具有以下特点：实时性、可移植、内核小型化、可裁剪。目前流行的操作系统有数十种：Vxworks、QNX、WindowsCE Palm os、嵌入式Li
10、nux uc/os-II等。其中免费的、开放源代码的Linux和uc/os-II在国内教学科研单位应用广泛。 其中ADS1.2是基于uc/os-II实现的。RTOS是32位嵌入式CPU的软件基础，提供CPU的管理、任务管理等。具有源码公布，可移植性强、可固化、多任务等特点。 四、嵌入式系统的设计方法 总体结构设计包括：要求分析、规则说明、体系结构设计、构件设计、系统集成。 嵌入式系统组成：硬件层、中间层、软件层和功能层。硬件层除了嵌入式微处理器、ROM和DRAM外，其他的可以增减。中间层处于硬件层和软件层之间。被称为硬件抽象层或板级支持包，与PC的输入输出系统相似。软件层中，根据不同的要求可以
11、不使用操作系统，可以有选择的使用文件系统、图形用户接口或任务管理程序。功能层由应用程序检测传感器的信号，计算并通过驱动器实现对被控对象的控制需要提供友好的人机界面。系统设计方法有统一建模语言、框架图。编程语言主要是C语言。 嵌入式系统开发环境三要素：主机，通信通道，目标机。主机开发软件工具，IDE、编辑器调试器。通信通道，JTAG/BDM并口、串口USB、网口CPU支持等。目标机，开发对象运行目标程序，调试支持硬件或软件。 五、嵌入式系统综合设计 Bootloader是一段初始化程序。在操作系统内核运行前运行，初始化硬件设备，建立内存空间的映射图，使系统进入正常的工作状态。对实验平台，boot
12、loader是一段可执行程序，将操作系统的可执行文件转移到内存中，然后将控制权交给操作系统，以实现其他操作，配置系统。没有bootloader系统不能启动。 嵌入式系统设计的大体步骤：1、分析设计要求；2、确定系统的结构；3、构造模块；4、画出电路图；5、在开发环境下编制调试系统软件程序；6、调试仿真；7、烧录；8、现场调试。 六、结论 随着计算机技术，电子工程技术，和微电子技术的发展，嵌入式系统无疑是当前最热门最有发展前途的IT应用领域之一，可应用在工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理、网络及电子商务、环境检测和机器人等方面。采用RISC结构的ARM体系是目前嵌入式处理器中比较成功并且有蓬勃生命力的体系结构。基于ARM体系的嵌入式系统开发技术研究对提高系统开发效率和质量有着非常重要的作用 正如我国资深嵌入式系统专家沈绪榜院士的预言, “未来十年将会产生头大小、具有超过一亿次运算能力的嵌入式智能芯片”,将为我们提供无限的创造空间。总之，嵌入式微控制器或者说单片机好象是一个黑洞,会把当今很多技术和成果吸引进来。我们有理由相信，未来的电子技术就是嵌入式系统技术的天下。
