对嵌入式系统的初步认识

《嵌入式系统软件开发》作业题目：对嵌入式系统的初步认识班级：硕班1097姓名：周晓爽学号：3111170055日期：2011.11.25对嵌入式系统的初步认识摘要电子技术、计算机技术和网络技术的飞速发展，极大的影响了人们的日常生活，甚至改变了人们的生活模式。人们到处可以见到电子设备的存在，而几乎所有的电子设备中都包含着嵌入式系统。本文大致介绍了什么是嵌入式系统，嵌入式系统的硬件设计和软件开发，以及软件的调试。引言在日常生活中，小到电子手表、电子体温计、翻译机等，大到冷气机、电冰箱、电视机，甚至是路上红绿灯的控制器、战斗机中的飞控系统、自动导航设备、汽车中控制燃油、汽车雷达、ABS等的微计算机系统，到医院中的医疗器材、工厂中的自动机械等，这一系列蕴含着科血技术含量的的嵌入式应用都给人们的生活带来了便捷。正文在接触嵌入式系统开发与应用这门课程之前，我从来对于什么是嵌入式系统，嵌入式系统有什么样的性能这种类似的问题没有一个明确的定义或是了解。因为我觉得这是离我比较遥远的东西，我还没有到达掌握那个知识领域的阶段。可是突然就这么要学习这门课程了，却发现我自己的以前的想法是大错特错，嵌入式系统无时无刻不环绕在我们身边，并且已经成为了人们生活中不可缺少的一部分了。嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器／微处理器、存储器及外设器件和I／O端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（OS）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4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心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，以能最迅速地开展出满足应用的最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。嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点：1)嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。2)嵌入式系统是将先进的计算机技术、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。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。3)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4)嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。5)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。6)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。嵌入式系统是嵌入到对象体中以嵌入式计算机为核心的专用计算机系统。以嵌入式计算机为核心的嵌入式系统是继IT网络技术之后，又一个新的技术发展方向。而被国内普遍认同的嵌入式系统的定义为：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、功耗严格要求的专用计算机系统。比较而言，国内的定义更全面一些，体现了嵌入式系统的“嵌入”、“专用性”、“计算机”的基本要素和特征。由于嵌入式系统是针对特定用途、应用于特定环境下，所以它不同于通用计算机系统。同样是计算机系统，嵌入式系统是针对特定应用而设计的“专用系统”。它的硬件和软件都必须高效率的设计，量体裁衣，去除冗余，力争在较少的资源上实现更高的性能。嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，然而，微型计算机的体积、价位、可靠性都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。这条道路就是芯片化道路。将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。单片机就是一个电脑，只不过是微型的，麻雀虽小，五脏俱全：它内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可,用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机，排烟罩VCD等等的家电里面都可以看到它的身影,它主要是作为控制部分的核心部件。它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的。在探索单片机的发展道路时，有过两种模式，即“Σ模式”与“创新模式”。“Σ模式”本质上是通用计算机直接芯片化的模式，它将通用计算机系统中的基本单元进行裁剪后，集成在一个芯片上，构成单片微型计算机；“创新模式”则完全按嵌入式应用要求设计全新的，满足嵌入式应用要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式等。Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照创新模式发展起来的单片形态的嵌入式系统（单片微型计算机）。MCS-51是在MCS-48探索基础上，进行全面完善的嵌入式系统。历史证明，“创新模式”是嵌入式系统独立发展的正确道路，MCS-51的体系结构也因此成为单片嵌入式系统的典型结构体系。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。提到嵌入式系统，自然离不开ARM技术。ARM（AdvancedRISCMachines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。ARM将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的ARM相关技术及服务。利用这种合伙关系，ARM很快成为许多全球性RISC标准的缔造者。目前，总共有30家半导体公司与ARM签订了硬件技术使用许可协议，其中包括Intel、IBM、LG半导体、NEC、SONY、菲利浦和国民半导体这样的大公司。至于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳和MRI等一系列知名公司。ARM架构是面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。ARM提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。由于所有产品均采用一个通用的软件体系，所以相同的软件可在所有产品中运行。ARM7TDMI内核中一共包括37个通用寄存器，这个与传统的CISC机器有非常大的区别，当然这也是ARM作为RISC处理器的一个非常重要的特征，寄存器多了就可以尽量减少对存储器的访问（比如传参，比如临时变量等等）。虽然在一个CPU状态下，我们能够看到的寄存器只有最多18个（r0~r15,CPSR,SPSR）,但是ARM的寄存器堆确实较X86或者68K要多了不少。AMR的另外一个特点是不管在ARM状态还是Thumb状态所有的指令都是等长的，ARM状态下是32位，Thumb状态下是16位。这一点也是ARM作为RISC机器的一个非常重要的特点。嵌入式系统从技术上来说，其实并不是一项新技术，从上世纪80年代，英特尔研制出了4004微处理器开始，就应该有嵌入式系统应用了，后来又出现了单片机，嵌入式系统应用就更广了。现在广泛使用的单片机和单板机应该算是老一代的嵌入式系统，他们在控制方面起到了智能化、程序化的作用。相比老一代的系统，现在的称为新一代的嵌入式系统。新、老一代嵌入式系统的区别在于软件方面有无操作系统支持；另外，新一代嵌入式系统在集成度方面也提高很多。这两个方面的发展，使新一代嵌入式系统的应用大大拓展了。目前在中国出现了很多自发组织嵌入式系统及操作系统方面的开发小组或工作室，他们多数是以个人兴趣为出发点的非营利组织，如：AKA嵌入式开发兴趣小组、SkyEyeProject、TM-LinuxGroup，等。嵌入式系统有着良好的市场前景中国机电设备目前的主流控制器是PLC，随着计算机技术的发展，嵌入式产品在这一领域迅速增长，并在一些特殊运用中取得优势地位，对小型PLC形成强大的竞争压力，在一些领域甚至出现取代PLC的趋势。例如：在塑料机械行业，基于嵌入式产品的塑料机械专用电脑已经占据了主导地位；而在电梯上，基于嵌入式产品的控制器已经占据了半壁江山，在客梯和高速电梯上更是占据了绝对优势，PLC仅仅在货梯和低速电梯上存有一席之地；在高端印刷机械上，基于嵌入式产品的印刷机械电脑系统是运用最多的控制方案。相对小型PLC而言，嵌入式控制器具有下面这些优势：1)运算处理能力强；2)与PC通讯方便、成本低（相对相同性能指标的PLC）；3)针对应用优化设计、用户使用方便。当然嵌入式控制器也存在一些问题：1)用户技术基础薄弱，不如PLC的应用开发工程师普遍；2)产品需要应用开发商开发；可靠性不如PLC；3)产品不像PLC随处可得；4)行业特性强，通用性差。嵌入式控制器通常是应用开发商提供，一些大的设备制造商自己开发相关的嵌入式实控制器。开发嵌入式专用控制器的成本较高，周期也比较长，因此目前嵌入式控制器目前仅仅用于大批量、控制功能相对固定的运用，对于批量小的非标设备，嵌