嵌入式技术

学号：20120826姓名：郑培治班级名称：机1201-3班院系名称：机械工程学院任课教师：刘展威《嵌入式技术》结课报告嵌入式系统及其应用2015年12月12日第1页共9页摘要在今日，嵌入式ARM技术已经成为了一门比较热门的学科，无论是在电子类的什么领域，你都可以看到嵌入式ARM的影子。如果你还停留在单片机级别的学习，那么实际上你已经落下时代脚步了，ARM嵌入式技术正以几何的倍数高速发展，它几乎渗透到了几乎你所想到的领域。嵌入式微处理器技术的基础是通用计算机技术。现在许多嵌入式处理器也是从早期的PC机的应用发展演化过来的，如早期PC诸如TRS-80、AppleII和所用的Z80和6502处理器，至今仍为低端的嵌入式应用。在应用中，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。嵌入式处理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM等系列。嵌入式系统是以计算机技术为基础,以应用为中心，软硬件特点可裁剪，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特殊计算机系统。它由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式技术已经被广泛应用到很多的社会领域，很多的产品都可以定义为嵌入式系统。比如手机、电子字典、可视电话、数字相机（DC）、数字摄像机（DV）、U－Disk、机顶盒（SetTopBox）、高清电视（HDTV）、游戏机、智能玩具、交换机、路由器、数控设备或仪表、汽车电子、家电控制系统、医疗仪器、航天航空设备等。嵌入式的应用具有非常广阔的前景。本文概括性地介绍了嵌入式的基本组成及其应用。关键词：嵌入式系统；嵌入式特点；应用；发展趋势第2页共9页绪论IEEE（国际电气和电子工程师协会）对嵌入式系统的定义：“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。原文为：DevicesUsedtoControl，MonitororAssisttheOperationofEquipment，MachineryorPlants）。国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。具体系统得讲嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力和竞争力。并且它是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物。嵌入式系统是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是是由单个程序实现整个控制逻辑，一般都是选择相应简单的单片机进行程序的书写和编译。一、嵌入式系统的定义嵌入式系统(EmbeddedSystem)是一种包括硬件和软件的完整的计算机系统，它的定义是：“嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可剪裁，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。”嵌入式系统所用的计算机是嵌入到被控对象中的专用微处理器，但是功能比通用计算机专门化，具有通用计算机所不能具备的针对某个方面特别设计的、合适的运算速度、高可靠性和较低比较成本的专用计算机系统。二、嵌入式系统的架构嵌入式系统由嵌入式计算机系统和执行装置组成。嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，自底向上包含有3个部分：（1）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。（2）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。（3）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。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。嵌入式计算机系统负责控制整个的运行状况，根据预第3页共9页定的程序向被控对象发出相应的指令，被控对象根据计算机系统发出的指令做出相应的反应，执行预定的操作。嵌入式计算机系统一般都是根据需要选择相应的微处理器，字长可能是4位或者8位、16位、32位甚至是64位。并且有相应的存储部分，其中用以保存固件的ROM（非挥发性只读存储器）用来保存相应的程序部分，用以存程序数据的RAM（挥发性的随机访问存储器）一般用来保存相应的外部数据。还有用来和被控对象连接的接口，像传感器和蓝牙发送端，用户用来对微处理器控制和发送操作指令的输入设备，包括按键，开关等。嵌入式的被控系统一般都是机械设备，通过接受计算机系统发来的指令或者相应的操作来执行计算机系统对相应操作或者环境变化作出的反应。三、嵌入式系统的特点1.灵活性嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物，是一门综合技术学科。由于空间和各种资源相对不足，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。2.兼容性高一般的嵌入式系统都是硬件和软件的相应的结合，不需要处理器进行很复杂的计算，所以不需要PC那样高速的运行能力，这也就决定了嵌入式可以用自身的微处理器作出足够的处理。嵌入式本身就是一个相对独立的系统，只要接口的标准符合，就可以兼容。这也是嵌入式的优势所在。比如，嵌入式可以支持多种文件系统，像windows的fat32，ntfs和unix的ext系列等。3．实时性高对于实时性要求较高的系统，嵌入式能很好的处理。比如对冰箱的温度监测，如果用像PC那样大的软硬件资源是不切实际的，嵌入式就可以很好地胜任。有些嵌入式系统还支持自定义的实时文件系统，采用连续的文件储存方式。4．可移植性高嵌入式的优点还体现在它的移植性上面，对嵌入式系统的不同平台的移植比较容易，只需要修改相应的文件系统配置即可。同时可以裁减，添加相应的功能，以实现嵌入式系统的扩展和裁剪。5.对存储设备的要求为满足嵌入式系统在速度、体积和功耗上的要求，像操作系统、应用软件、第4页共9页特殊数据等需要长期保存的数据，通常不使用磁盘这类具有大容量且速度较慢的存储介质，而大多使用EPROM、EEPROM或闪存(FLASH)。其中，由于闪存具有在正常工作电压和电流的条件下进行擦除和重写的特点，系统可像使用磁盘那样“在线”地改变其内容，加之近年来闪存的容量越来越大，价格越来越低，所以现在嵌入式系统一般都采用闪存来作为永久性数据的存储介质。6.实用性嵌入式系统是一个软硬件高度结合的产物。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。片上系统，板上系统的实现，使得以pda等为代表的这类产品拥有更加熟悉的操作界面和操作方式，比着传统的商务通等功能更加完善，实用。7.需要专门的开发工具嵌入式系统本事不具有自主开发能力，设计完成之后，用户也不能随便修改，必须有一套独立的开发工具。三、嵌入式系统的分类从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分目前嵌入式处理器速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低，根据嵌入式系统的硬件复杂程度，可以将嵌入式系统分为以下四类：1.单个微处理器这类系统可以在小型设备中（如温度传感器、烟雾和气体探测器及断路器）找到。这类设备是供应商根据设备的用途来设计的。这类设备受Y2K影响的可能性不大。2.不带计时功能的微处理器装置这类系统可在过程控制、信号放大器、位置传感器及阀门传动器等中找到。这类设备也不太可能受到Y2K的影响。但是，如果它依赖于一个内部操作时钟，那么这个时钟可能受Y2K问题的影响。3.带计时功能的组件这类系统可见于开关装置、控制器、电话交换机、电梯、数据采集系统、医药监视系统、诊断及实时控制系统等。它们是一个大系统的局部组件，由它们的传感器收集数据并传递给该系统。这种组体可同PC机一起操作，并可包括某种数据库(如事件数据库)。4.在制造或过程控制中使用的计算机系统对于这类系统，计算机与仪器、机械及设备相连来控制这些装置的工作。这类系统包括自动仓储系统和自动发货系统。在这些系统中，计算机用于总体控制第5页共9页和监视，而不是对单个设备直接控制。过程控制系统可与业务系统连接（如根据销售额和库存量来决定定单或产品量）。另外，依据嵌入式系统的操作系统来分类，主要分为实时系统和分时系统。其中实时系统又分为两类：硬实时系统和软实时系统。实时嵌入系统为执行特定功能而设计的，可以严格的按时序执行功能。其最大的特征就是程序的执行具有确定性。在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务，会导致系统的全面失败，则系统被称为硬实时系统。而在软实时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命错误。一个硬实时系统往往在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片，而软实时系统则主要在软件方面通过编程实现时限的管理。比如WindowsCE就是一个多任务分时系统，而Ucos-II则是典型的实时操作系统。四、嵌入式系统的应用领域嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括：1．工业控制：基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展，目前已经有大量的8、16、32位嵌入式微控制器在应用中，网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途径，如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。在这些应用中，不需要很高的处理能力，但实时性要求比较高，容易修改，在PC没有广泛应用的时候，生产性的控制都是嵌入式系统进行控制。2．交通管理：在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌GPS模块，GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元，就可以随时随地找到你的位置。3．信息家电：这将称为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使你不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控制。在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。4．BOX应用：简单说，就是机顶盒、家用路由器、ADSLModem一类的应用，主要应用与小型应用场合的核心网络设备，或者广播电视设备，比如，家庭网络媒体中心、家用BT下载中心、数码相框等，这些都是一些简单的用品，不能成本很高，所以简单的嵌入式系统就可以完成这些功能，所以嵌入式系统在日常生活的这些小的领域有比较广阔的应用空间。5．家庭智能管理系统：水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高，更准确和更安全的性能。目前在服务领域，如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势。第6页共9页6.小型移动设备：这类的设备包括手机、游戏机、摄像机、照相机等小型手持设备或者便于移动，体积重量较轻的设备。这类设备不需要很强大的处理能力，由于便于携带，没有很强的续航能力，一般都是靠电池提供能源，系统功率不能很高，嵌入式就能很好的解决这个问题。7．POS网络及电子商务：公共交通无接触智能卡发行系统，公共电话卡发行系统，自动售货机，各种智能ATM终端将全面走入人们的生活。8.环境工程与自然：水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。在很多环境恶劣，地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。9.机器人：嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化，高智能方面优势更加明显，同时会大幅度降低机器人的价格，使其在