嵌入式系统论文

1嵌入式系统论文基于ARM9的无线智能家居控制（智能监控）系统设计林敦杰摘要：目前，在嵌入式系统应用领域中，不少人对什么是嵌入式系统不甚了解。有些人搞了十多年的单片机应用，不知道单片机就是一个最典型的嵌入式系统；也有些人在解释什么是嵌入式系统时，不是从定义出发，而是列举了嵌入式系统的一些特点，往往不知所云。因此，有必要从现代计算的发展历史，了解嵌入式系统的由来，从学科建设的角度来探讨嵌入式系统较为准确的定义。关键词：高速电子系统时代单片微型计算机内核智能家居引言:智能家居（SmartHome）是利用计算机技术、网络通信技术、综合布线技术和传感技术等，依照人体工程学原理，将家居生活中的各类电子设备有机的结合2在一起，通过网络化综合智能控制和管理的一种嵌入式系统。电子、通信、传感和网络技术的不断发展和人们生活质量的提高，家居生活中的电子产品不但种类越来越多，功能更加完善，应用更加普遍，而且越来越智能化，最普遍的家居生活电子产品种类达数百种，实现对如此之多的家居电子产品的综合控制是智能家居发展的必然趋势。文中提出的基于ARM9的无线智能家居控制系统，以ARM9微处理器为核心，结合ZigBee和GPRS通信技术，根据实际需要实现对家居电子设备进行本地和远程两种方式的无线控制，本地控制是指在本地通过互联网将控制指令传输给控制系统来实现各种家居电器的监控，远程控制是指用计算机网络或手机短信将控制指令传输给控制系统实现对各种家居电器的远距离监控，这两种控制方式的结合将给我们的工作和生活带来极大的便捷，是未来智能化家居生活发展的必然趋势。第一章：嵌入式系统发展历史目前，在嵌入式系统应用领域中，不少人对什么是嵌入式系统不甚了解。有些人搞了十多年的单片机应用，不知道单片机就是一个最典型的嵌入式系统；也有些人在解释什么是嵌入式系统时，不是从定义出发，而是列举了嵌入式系统的一些特点，往往不知所云。因此，有必要从现代计算的发展历史，了解嵌入式系统的由来，从学科建设的角度来探讨嵌入式系统较为准确的定义。嵌入式系统诞生于微型机时代，嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去，这些是理解嵌入式系统的基本出发点。由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制，因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。而嵌入式计算机系统的技术要求则是3对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路，这条独立发展的道路就是单芯片化道路。它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士，接过起源于计算机领域的嵌入式系统，承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务，迅速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代。在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是：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计算机系统。它一般由嵌入式微处器、处围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的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。如果我们了解了嵌入式（计算机）系统的由来与发展，对嵌入式系统就不会产生过多的误解，而能历史地、本质地、普遍适用地定义嵌入式系统。1、嵌入式系统的定义按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入式系统应定义为：“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。2、嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点与定义不同，它是由定义中的三个基本要素衍生出来的。不同的嵌入式系统其特点会有所差异。与“嵌入性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境要求，如物理环境（小型）、电气/气氛环境（可靠）、成本（价廉）等要求。与“专用性”的相关特点：软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬件配置等。与“计算机系统”的相关特点：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适4应的接口电路。另外，在理解嵌入式系统定义时，不要与嵌入式设备相混淆。嵌入式设备是指内部有嵌入式系统的产品、设备，例如，内含单片机的家用电器、仪器仪表、工控单元、机器人、手机、PDA等。3、嵌入式系统的种类与发展按照上述嵌入式系统的定义，只要满足定义中三要素的计算机系统，都可称为嵌入式系统。嵌入式系统按形态可分为设备级（工控机）、板级（单板、模块）、芯片级（MCU、SoC）。有些人把嵌入式处理器当作嵌入式系统，但由于嵌入式系统是一个嵌入式计算机系统，因此，只有将嵌入式处理器构成一个计算机系统，并作为嵌入式应用时，这样的计算机系统才可称作嵌入式系统。嵌入式系统与对象系统密切相关，其主要技术发展方向是满足嵌入式应用要求，不断扩展对象系统要求的外围电路（如ADC、DAC、PWM、日历时钟、电源监测、程序运行监测电路等），形成满足对象系统要求的应用系统。因此，嵌入式系统作为一个专用计算机系统，要不断向计算机应用系统发展。因此，可以把定义中的专用计算机系统引伸成，满足对象系统要求的计算机应用系统。4、嵌入式系统的实时性响应时间：是实时系统从识别出一个外部事件到做出响应的时间；生存时间：是数据的有效等待时间，数据只有在这段时间内才是有效的；吞吐量：是在给定的时间内系统能够处理的事件总数，吞吐量通常比平均响应时间的倒数要小一点。实时系统根据响应时间可以分为弱实时系统、一般实时系统和强实时系统三种。弱实时系统在设计时的宗旨是使各个任务运行得越快越好，但没有严格限定某一任务必须在多长时间内完成，弱实时系统更多关注的是程序运行结果的正确与否，以及系统安全性能等其他方面，对任务执行时间的要求相对来讲较为宽松，一般响应时间可以是数十秒或者更长。一般实时系统是弱实时系统和强实时系统的一种折衷，它的响应时间可以在秒的数量级上，广泛应用于消费电子设备中。5强实时系统则要求各个任务不仅要保证执行过程和结果的正确性，同时还要保证在限定的时间内完成任务，响应时间通常要求在毫秒甚至微秒的数量级上，这对涉及到医疗、安全、军事的软硬件系统来说是至关重要的。第二章Java技术对于服务器，个人电脑和嵌入式系统来说是一项伟大的技术。由于其具有跨平台等特性。Java在服务器和桌面电脑方面的应用是非常成功的。然而在GUI方面，Java只用非常有限的一些特征去构建图形用户界面。其思想就是采用平台无关的Java应用程序接口打包到不同的操作系统来开发本地图形用户界面，被称之为抽象的窗口工具(AWT)。仅有普通的部件如文件域、文本区、选择框、单选按钮、列表框和按钮被AWT支持，图形和图像的特性支持非常有限，也就是说，只足够构建简单的applet程序。认识到需要更高级的图形用户界面组件和图形能力，Sun公司开发了Swing，Java2D，Java3D，图像的输入/输出，以及Java高级图像(JAI)。Swing是用来构建Java图形界面的标准API(应用程序接口)，一些AWT类由Swing基础而来。它有一套完全的组件从按钮到文件域、表格、树型和文件编辑器。这些组件不依赖于操作系统本地的部件，而是用原始的图形像直线、矩形、文字画出。这种画代表感观插件，它能够模仿本地的感观。SWT是基于Java开发的，它的设计理念是最大化了操作系统的图形构件的API，就是说只要操作系统提供了相应图形的构件，那么SWT只是简单应用JNI技术调用它们，只有那些操作系统中不提供的构件，SWT才自己去做一个模拟的实现。另外SWT还提供对操作系统本地图形用户界面的直接访问，因此，基于SWT的Java应用程序拥有本地的图形用户界面并且可以和本地别的应用程序和部件集成在一起。使用SWT开发包，简单、跨平台、可靠等这些Jaya语言本身所具有的优点正渐渐融合到图形界面的应用程序开发中去。Java语言的另一扇成功之门正在逐渐打开。第三章：嵌入式系统的两种应用模式嵌入式系统的嵌入式应用特点，决定了它的多学科交叉特点。作为计算机的内含，要求计算机领域人员介入其体系结构、软件技术、工程应用方面的研究。然而，了解对象系统的控制要求，实现系统控制模式必须具备对象领域的专业知识。因此，从嵌入式系统发展的历史过程，以及嵌入式应用的多样性中，可以了6解到客观上形成的两种应用模式。1、客观存在的两种应用模式嵌入式计算机系统起源于微型机时代，但很快就进入到独立发展的单片机时代。在单片机时代，嵌入式系统以器件形态迅速进入到传统电子技术领域中，以电子技术应用工程师为主体，实现传统电子系统的智能化，而计算机专业队伍并没有真正进入单片机应用领域。因此，电子技术应用工程师以自己习惯性的电子技术应用模式，从事单片机的应用开发。这种应用模式最重要的特点是：软、硬件的底层性和随意性；对象系统专业技术的密切相关性；缺少计算机工程设计方法。虽然在单片机时代，计算机专业淡出了嵌入式系统领域，但随着后PC时代的到来，网络、通信技术得以发展；同时，嵌入式系统软、硬件技术有了很大的提升，为计算机专业人士介入嵌入式系统应用开辟了广阔天地。计算机专业人士的介入，形成的计算机应用模式带有明显的计算机的工程应用特点，即基于嵌入式系统软、硬件平台，以网络、通信为主的非嵌入式底层应用。2、两种应用模式的并存与互补由于嵌入式系统最大、最广、最底层的应用是传统电子技术领域的智能化改造，因此，以通晓对象专业的电子技术队伍为主，用最少的嵌入式系统软、硬件开销，以8位机为主，带有浓重的电子系统设计色彩的电子系统应用模式会长期存在下去。另外，计算机专业人士会愈来愈多地介入嵌入式系统应用，但囿于对象专业知识的隔阂，其应用领域会集中在网络、通信、多媒体、商务电子等方面，不可能替代原来电子工程师在控制、仪器仪表、机械电子等方面的嵌入式应用。因此，客观存在的两种应用模式会长期并存下去，在不同的领域中相互补充。电子系统设计模式应从计算机应用设计模式中，学习计算机工程方法和嵌入式系统软件技术；计算机应用设计模式应从电子系统设计模式中，了解嵌入式系统应用的电路系统特性、基本的外围电路设计方法和对象系统的基本要求等。3、嵌入式系统应用的高低端7由于嵌入式系统有过很长的一段单片机的独立发展道路，大多是基于8位单片机，实现最底层的嵌入式系统应用，带有明显的电子系统设计模式特点。大多数从事单片机应用开发人员，都是对象系统领域中的电子系统工程师，加之单片机的出现，立即脱离了计算机专业领域，以“智能化”器件身份进入电子系统领域，没有带入“嵌入式系统”概念。因此，不少从事单片机应用的人，不了解单片机与嵌入式系统的关系，在谈到“嵌入式系统”领域时，往往理解成计算机专业领域的，基于32位嵌入式处理器，从事网络、通信、多媒体等的应用。这样，“单片机”与“嵌入式系统”形成了嵌入式系统中常见的两个独立的名词。但由于“单片机”是典型的、独立发展起来的嵌入式系统，从学科建设的角度出发，应该把它统一成“嵌入式系统”。考虑到原来单片机的电子系统底层应用特点，可以把嵌入式系统应用分成高端与低端，把原来的单片机应用理解成嵌入式系统的低端应用，含义为它的底层性以及与对象系统的紧耦合。第四章：嵌入式系统的组成一个嵌入式系统装置一般都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，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。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。执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型的电机，当手机处于震动接收状态时打开；也可以很复杂，如ＳＯＮＹ智能机器狗，上面集成了多个微上控制电机和多种传感器，从而可以执行各种复杂的动作和感受种状态信息。下面对嵌入式计算机系统的组成进行介绍。1、硬件层硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、RO