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(济宁学院物理系)摘要：文章在给出了嵌入式系统具体定义的基础上，论述了嵌入式系统的结构、特点，给出了MCU、DSP、ARM等常用嵌入式处理器及VxWorks、Linux、WinCE等常用嵌入式操作系统的介绍，详细论述了关键词：嵌入式系统，嵌入式处理器，嵌入式操作系统SystemDevelopmentSummaryZhangYingLiPengChenLiFengGongYongGuang(JiningUniversityphysicsdepartment)papergivesspecificsystemssystemstructure，characteristics，givenMCU，DSP，commonlychipsVxWorks，Linux，WinCEcommonlyoperatingsystem，thesystemdevelopmentKeywords：EmbeddedSystem，Embeddedprocessorunit，Embeddedoperationsystem随着电子技术的快速发展，特别是大规模集成电路的产生而出现的微型机，使现代科学研究得到了质的飞跃，而嵌入式微控制器技术的出现则是给现代工业控制的系统，最明显的优势就是可以嵌入到任何微型或小型术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统，对功能、可技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就就包含了多个嵌入式微处理器，如键盘、硬盘、显示器、网卡、声卡等均是由嵌入式处理器控制的。现在，嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元，嵌入式计技术、兰牙技术、传感器和微型电子机电系统(MEMS)技术、各种智能算法等方面的突破，也是促使嵌入式系统的产品迅速占有市场的一个原因，所以目前它在移动通信、发展，嵌入式系统产品的应用技术及硅片上的知识含量均表示知识经济时代已经开始的端倪。总之，现在是处于嵌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，如图1所示。(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，不同的应用通常有不同的硬件环境。硬(2)嵌入式操作系统完成嵌入式应用的任务调度和(3)嵌入式应用程序运行于操作系统之上，利用操的应用环境，是嵌入式系统发展中所必须解决的关键问题。经过不断的发展，原先嵌入式系统的3层结构逐步演化成为一种4层结构。如图2所示，这个新增加的中间层次叫硬件抽象层，有时也叫板级支持包，是一个介于硬接口与操作系统进行交互，向操作系统硬件的直接操作。从某种意义上来说，通用计算机行业的技术是垄断的。嵌入式系统则不同，嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业，充满了竞争、机遇与创新，没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场，即便在体系结领域的产品和技术，必然是高度分散的，留给各个行业高新技术公司的创新余地很大。另外，社会上的各个应用领域是不断向前发展的，要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展，这也构成了推动嵌入式工业发展的强大嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，不能独立于应用自行发展，否则便会失去市场。嵌入式系统的核心部件，嵌入式微处理器的功耗、体积、成本、处理能力和电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，的硬件和软件设计都必须精心考虑，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，只有这样，才能在具体应用时对用户的具体需求，对芯片配置进行裁剪和添加才能达在一起，具有较长的生命周期。关键，对嵌入式处理器系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同，主要有以下几点：(1)软件要求固态化存储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嵌入式微控制器本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。(2)软件代码要求高质量、高可靠性尽管半导体技增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还量要高，以减小程序二进制代码长度、提高执行速度。(3)系统软件(OS)的高实时性是基本要求务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此系统软件(4)多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业化标准化道路的基础，嵌入式系统开发需要开发工具和环境嵌入式系统本身不具备开发能力，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(5)嵌入式系统软件需要实时多任务操作系统开发平台(RTOS)通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口，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、利用系统资源，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。(6)在嵌入式系统的软件开发过程中，采用C语言将语言，对于大型的结构化程序设计已经不能完全胜任了。简称单片机(SingleChipMicroContr01ler)。在CPU基础上，将输入输出(IO)接口电路、时钟发生器及一定容量的存储器等部件集成在一个芯片上，即是比较早期的单隔离等外围器件就构成计算机系统，主要就用于工业控制、智能化仪表、家用电器等方面，目前扩大到通信、高档电子玩具等方面。它具有体积小、个性突出(如控制功机系统简单)、价格低廉等特点，加之它是各个层次的技术院校学生教学的必修性，掌握此项技术的人力充足，易于动手，所以在国内比较普及。单片机的开发系统或称仿真机，是开发、培训的有效工具。它可以浏览和修改内语言等高级语言的编辑环境；具有单步、连续指令执行功能，具备跟踪执行功能，具备断点设置和取消功能等，以便于程序调试[2|。与MCU注重控制功能不同，DSP接受声音等模拟信号，注重数字化后的各种快速算法，通过数字信号处理，完成功能，所以它对处理速度、实时性能及运算能力等要求算法、数据压缩优势，所以DSP成为研制的热点。DSP主要播放器，这些产品订货量大：另外，就是用在需要行大量复为进行高速数字信号处理的微处理其结构如图3所示，这就是所谓改善的哈佛结构以提高运算速度，除此以外，还访(DMA)总线及其控制器、数据地址发生器(DAG定点DSP20世纪80年代DSP开发以来，以8位机为形成以TI、LUCEkF、MOTOROLA、AD四大公产品的格局。近年来，LUCENT和MOTOROLA司宣布成立一个联合的DSP核设计中心，开发发高性能DsP核：TI公司也与MIPS公司(该公司善长RISC技术)合作开发新列的DSP核。21世纪开始LUCENY公司发表TM320C64X。作为数字信号处理系统，DSP有其专门的开工具和软件，这不是一般高性能通用微处理器的统可以替代的。DSP仍以采用汇编语言进行软件制为主，其相关函数库等信号处理的算法，已成DSP技术(DigiSignalProcessing)的～部分。MPU(Mt)ARM(AdvancedMachines)公司从1991年推出第一种嵌入式RISC内核ARM6开始至今，经过十年多坚持不懈的打造，ARM已成为世界领先的嵌入式RISC处理器知识产权(IP)提供商。ARM公司是一个概念创新的公司，它首先提出知识产权公开出售授权的概念，它既不生产芯片，也不销售芯片，它的商业模式是搞设计和卖方案，ARM公司也出售软件和开发系统，还提供咨询、技术支持、维护和培训服务，以加快大家对ARM体系结构和产品的认知和接受，从而改变了世界半导体行业的格局。它借助于拥有的强大技术优势，在世界范围内与许多业界开发商、应用软件公司、电子设计自动化(EDA)工具供应商和系统公司建立合作关系，其中包括世界顶级的厂商Intel、NS、TI、Apple、Motorola、Mitsubishi、SUN、Lucent，Sanyo，Altera，Triscend，Agilent、Toshiba，Fujitsu，Sharp，ST，3COM，OKI，YAMAHA，Atmel，Rohm，Rockwell，Philips，Lucent，Samsung，Hyundai，Sony和Alcatel等56家公司。由此可见ARM技术具有不可抗拒的魅力，1999年采用ARM亿片，占RISC市场份额57．8％；2000年采用ARM片出货量更是增长到4亿片，RISC市场份额上升到74．3％，同期MIPS芯片占11．3％，PowerSOC(Systemp)随着EDA的推广和VLSI设计的普及化，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已来临，这就是SOC。各种通用处理器内核将作为SOC的标准库，和许多其他嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真后无法集成的器件外，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更简洁，对于减少体积和功耗、提高可靠性都非常有利[4]。River(风河)公司开发的。因出现稍早，实时性很强(据说可在Ims内响应外部事件请求)，并且内核可极微(据说最小可8K)，可靠性较高等，所以在北美，Vxworks占据了嵌入式系统的多半江山。特别是在通信设备等实时性要求较高的系统中，几乎4EVxworks莫属。Vxworks的很多概念和技术都和Linux很类似，主企业在开发产品时，Vxworks用得很多。但Vxworks因价格很高，所以一些小公司或小产品中往往用不起，价格在3万美元之上。此外，用VxwOrks[3J。付费。即所i胃Royalty。目前很多公司都在往嵌入式Linux转(听说华为目前正在这样转)。但无论如何，似的稍有名的实时操作系统还有pSOS、QNX、Nucleus等术及实时眭要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、B一2隐形轰炸机和爱国者导弹上，甚至连1997年7月在1996年12月4日，携带”旅居者”号火星车的美国”火星探路者”号探测器发射升空，1997年7月4日在火星阿瑞问世到现在，短短10几年时间，而它在全球计算机产业界的影响却超过了之前类是专为嵌入式设计的已被裁减过的Linux系统，最常用inux(不带MMU功能)，目前占较大应用份额，可在ARM7上跑；另一类是跑在ARM9上的，一般是将Li2．4．18内核移植在其上，可使用更多的Linux功能(当然uClinux更可跑在ARM9上)。很多人预测，嵌入式Linux预计将占嵌入式操作系统的50％以上份额，非常重要。Microsoft也看准了嵌入式的巨大市场，Ms永远是最厉害的，WinCE出来只有几年时间，但目前已占据了很大市场份额，特别是在PDA、手机、显示仪表等界面要求较高或者要求快速开发的场合，WinCE目前已很流行。WinCE目前主要为4．2版(．NET)CE是一种32位的多任务操作系统，它经过压缩，可以移植，能够开发适合多种企业和客户需要的设备。由于它是微软公司的”维纳斯计划’的核心，包含了Explorer的版本，可以和Internet实现连接，同步交换信息。如果开发者能熟悉Windows开发环境，可以现在嵌入式系统正处于高速发展阶段，未来几年内，和应用上网需求，面向21世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入式设备必须配有通信接口，相应需要TCP／IP协议簇软件支持；由于家用电器相互关联(如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息)及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备IEEEl394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件[5]。2、小尺寸、微功耗和低成本。为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存计技术要求。如：选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用3ava编程模式，优化编译器性能。因此，既要软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，如所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间的亲和力