摘要：嵌入式系統(tǒng)已成為制造業(yè)的核心技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、系統(tǒng)仿真、醫(yī)療設(shè)備、家用電器、通信設(shè)備等眾多領(lǐng)域。圍繞嵌入式系統(tǒng)展開研究和開發(fā)，已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)發(fā)展最活躍的方向之一。本文就嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了探討。
　　關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；微處理器；操作系統(tǒng)；開發(fā)工具
　　中圖分類號(hào)：TP336 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　
　　嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其主要由嵌入式處理器、 相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成。使用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的集成優(yōu)化，而且具有多任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)化功能。
　　嵌入式系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物 ,是一種技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。
　　
　　1嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)
　　
　　嵌入式系統(tǒng)由構(gòu)成軟件基本運(yùn)行環(huán)境的硬件和操作系統(tǒng)兩部分組成。其運(yùn)行環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)合決定了嵌入式系統(tǒng)有別于其它系統(tǒng)。
　　1.1嵌入式處理器
　　嵌入式處理器可以分為三類：嵌入式微控制器MCU、嵌入式微處理器MPU、嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器DSP 。
　　嵌入式微控制器又稱為單片機(jī)，它將CPU、存儲(chǔ)器 、I/O接口封裝于同一片集成電路，常用的是以8051為內(nèi)核的各種單片機(jī)。嵌入式微處理器就是和通用計(jì)算機(jī)的微處理器對(duì)應(yīng)的CPU，應(yīng)用中一般將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，在母板上保留與嵌入式有關(guān)的功能，以滿足嵌入式系統(tǒng)體積小和功耗低的要求。嵌入式DSP專門用來(lái)對(duì)離散時(shí)間信號(hào)進(jìn)行高速處理 ，多用于數(shù)字濾波、FFT、圖像處理等領(lǐng)域 。
　　1.2微內(nèi)核結(jié)構(gòu)
　　多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)采用了微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，內(nèi)核只提供基本的功能，如：任務(wù)的調(diào)度、任務(wù)之間的通信與同步、內(nèi)存管理、時(shí)鐘管理等。其它的應(yīng)用組件，如：網(wǎng)絡(luò)功能、文件系統(tǒng)、GUI系統(tǒng)等均工作在用戶態(tài)，以系統(tǒng)進(jìn)程或函數(shù)調(diào)用的方式工作。因而系統(tǒng)都是可裁減的，用戶可以根據(jù)自己的需要選用相應(yīng)的組件。
　　1.3任務(wù)調(diào)度
　　大多數(shù)的嵌入式操作系統(tǒng)支持多任務(wù)，依靠CPU在多個(gè)任務(wù)之間切換、調(diào)度，每個(gè)任務(wù)都有其優(yōu)先級(jí)。 任務(wù)的調(diào)度有三種方式：可搶占式調(diào)度、不可搶占式調(diào)度和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)采用基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度法，對(duì)相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)則采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法。
　　1.4硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)
　　對(duì)時(shí)間要求較高的嵌入式系統(tǒng)，稱為實(shí)時(shí)系統(tǒng)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)分為軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)和硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)并不要求限定某一任務(wù)必須在一定的時(shí)間內(nèi)完成，只要求各任務(wù)運(yùn)行得越快越好；硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求，一旦系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不能滿足，就可能引起系統(tǒng)崩潰或致命的錯(cuò)誤。工業(yè)控制多采用硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。
　　1.5內(nèi)存管理
　　多數(shù)嵌入式系統(tǒng)針對(duì)沒(méi)有內(nèi)存管理單元MMU的處理器設(shè)計(jì)，故不能采用虛擬內(nèi)存管理技術(shù),而是實(shí)存儲(chǔ)器管理策略。對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)是直接的，對(duì)地址的訪問(wèn)不需要經(jīng)過(guò)MMU，而是直接發(fā)送至地址線輸出，所有程序中訪問(wèn)的地址都是實(shí)際的物理地址。多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存空間沒(méi)有保護(hù)，各個(gè)進(jìn)程共享一個(gè)運(yùn)行空間。一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行前系統(tǒng)必須為它分配足夠的連續(xù)地址空間，然后全部載入主存儲(chǔ)器的連續(xù)空間。
　　
　　2嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路
　　
　　從圖1可知，嵌入式系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)分成三個(gè)階段：分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。
　�。�1）分析階段：確定要解決的問(wèn)題及需要完成的目標(biāo)；
　�。�2）設(shè)計(jì)階段：主要解決如何在給定的約束條件下完成用戶的要求；
　�。�3）實(shí)現(xiàn)階段：主要解決如何在所選擇的硬件和軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行整個(gè)軟、硬件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)。
　　嵌入式系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)包括：處理器、硬件部件、操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言、軟件開發(fā)工具、硬件調(diào)試工具、軟件組件等內(nèi)容。
　　2.1建立硬件平臺(tái)
　　2.1.1選擇處理器
　　嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部件。目前全世界嵌入式處理器的品種總量已超過(guò)一千種，流行系列有三十多個(gè)，僅32位的CPU就有100種以上嵌入式微處理器。鑒于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的差異性很大，故而選擇是多樣化的。Motorola、Intel、AMD、ARM、MIPS等公司均生產(chǎn)微處理器，其中ARM是近年來(lái)在嵌入式系統(tǒng)有影響力的微處理器制造商。
　　選擇處理器時(shí)要考慮的主要因素有：
　�。�1）處理性能
　　處理器的性能取決于時(shí)鐘頻率、內(nèi)部寄存器、指令是否對(duì)等處理所有的寄存器等多個(gè)因素。要選取能夠完成作業(yè)的處理器和I/O子系統(tǒng)，不在于挑選速度最快的處理器。
　�。�2）技術(shù)指標(biāo)
　　許多嵌入式處理器都集成了外圍設(shè)備的功能，減少了芯片的數(shù)量，降低了整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用。首先考慮的是，系統(tǒng)所要求的一些硬件能否無(wú)需過(guò)多的膠合邏輯(GL，Glue Logic)就可以連接到處理器上。其次是考慮該處理器的一些支持芯片，如DMA控制器、內(nèi)存管理器、中斷控制器、串行設(shè)備、時(shí)鐘等的配套。
　　（3）功耗
　　嵌入式微處理器最大并且增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)是手持設(shè)備、電子記事本、PDA、手機(jī)、GPS導(dǎo)航器、智能家電等消費(fèi)類電子產(chǎn)品。這些產(chǎn)品中選購(gòu)的微處理器典型的特點(diǎn)是要求高性能、低功耗，使用普通電池供電即可。若用于工業(yè)控制領(lǐng)域，則可不考慮這方面因數(shù)。
　　（4）軟件支持工具
　　較好的軟件開發(fā)工具是必不可少的。 比如，交叉編譯器。
　　（5）內(nèi)置調(diào)試工具
　　處理器如果內(nèi)置調(diào)試工具，可以大大縮小調(diào)試周期，降低調(diào)試的難度。
　�。�6）軟件對(duì)硬件的依賴性
　　軟件是否可以在硬件沒(méi)有到位的時(shí)候并行設(shè)計(jì)或先行開發(fā)。
　　2.1.2盡量選擇普通硬件
　　在 CPU 及架構(gòu)的選擇上，總原則為：只要有可替代的方案，盡量不要選擇 Linux 尚不支持的硬件平臺(tái)。
　　2.2建立軟件平臺(tái)
　　嵌入式的軟件開發(fā)主要為：代碼編程、交叉編譯、交叉連接、下載到目標(biāo)板和及調(diào)試等步驟，因此軟件平臺(tái)的選擇也涉及到以下幾個(gè)方面：低端無(wú)MMU(Memory Management Unit，存儲(chǔ)器管理單元)的CPU，要使用uClinux 操作系統(tǒng)；相對(duì)高端的硬件，則可以用普通的嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)。
　　選擇操作系統(tǒng)應(yīng)考慮的因素：
　�。�1）操作系統(tǒng)提供的開發(fā)工具
　　有些實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)只支持該系統(tǒng)供應(yīng)商的開發(fā)工具，因此，還必須向操作系統(tǒng)供應(yīng)商獲取編譯器、調(diào)試器等；而有些操作系統(tǒng)使用廣泛，且有第三方工具可用。
　�。�2）操作系統(tǒng)向硬件接口移植的難度
　　操作系統(tǒng)到硬件的移植是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)能否完成的一個(gè)關(guān)鍵因素。因此,要選擇那些可移植性程度高的操作系統(tǒng)，避免操作系統(tǒng)難以向硬件移植而帶來(lái)的種種困難，加速系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)度。
　�。�3）操作系統(tǒng)的內(nèi)存要求
　　考慮是否需要擴(kuò)充RAM或EEPROM來(lái)滿足操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的需求。
　�。�4）對(duì)操作系統(tǒng)的熟悉程度
　　（5）操作系統(tǒng)是否提供硬件的驅(qū)動(dòng)程序
　�。�6）操作系統(tǒng)的可剪裁性
　　有些操作系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可剪裁性，如嵌入式Linux、Tornado/VxWorks。
　　（7）操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能
　　2.3選擇編程語(yǔ)言
　　編程語(yǔ)言的選擇主要考慮以下因素：
　�。�1）通用性
　　匯編語(yǔ)言不通用；
　　高級(jí)語(yǔ)言與具體機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)聯(lián)系較少，通用性較好。
　�。�2）可移植性
　　匯編語(yǔ)言與具體的微處理器密切相關(guān)，移植性差；
　　高級(jí)語(yǔ)言對(duì)所有微處理器都是通用的，可移植性較好。
　　（3）執(zhí)行效率
　　匯編語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)，編程復(fù)雜、開發(fā)周期長(zhǎng)；
　　越高級(jí)的語(yǔ)言，其編譯器和開銷就越大，應(yīng)用程序就越大、越慢。
　　因此，必須在開發(fā)時(shí)間和運(yùn)行性能間進(jìn)行權(quán)衡、取舍。
　�。�4）可維護(hù)性
　　匯編語(yǔ)言可維護(hù)性不高；
　　高級(jí)語(yǔ)言程序通常采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊之間的接口是固定的，模塊化設(shè)計(jì)便于系統(tǒng)功能的擴(kuò)充和升級(jí)。
　　應(yīng)用較多的高級(jí)語(yǔ)言有：Ada、C/C++、Modula-2和Java等。C語(yǔ)言具有廣泛的庫(kù)程序支持，目前在嵌入式系統(tǒng)中是應(yīng)用最廣泛的編程語(yǔ)言。
　　2.4集成開發(fā)環(huán)境的選擇
　　集成開發(fā)環(huán)境IDE(Integrated Development Environment)主要考慮以下因素：
　�。�1）系統(tǒng)調(diào)試器的功能
　　系統(tǒng)調(diào)試及遠(yuǎn)程調(diào)試。
　�。�2）支持庫(kù)函數(shù)
　　庫(kù)函數(shù)和模板代碼。
　�。�3）編譯器是否能持續(xù)升級(jí)
　　（4）連接程序是否支持所有的文件格式和符號(hào)格式。
　　2.5選擇硬件調(diào)試工具
　　好的硬件調(diào)試工具會(huì)有事半功倍之效。常用的硬件調(diào)試工具有：
　�。�1）實(shí)時(shí)在線仿真器ICE (In-Circuit Emulator)
　　ICE是一個(gè)可被控制的MCU。ICE支持常規(guī)的調(diào)試操作，如單步運(yùn)行、斷點(diǎn)、反匯編、內(nèi)存檢查、源程序級(jí)的調(diào)試等。
　�。�2）邏輯分析儀
　　邏輯分析儀常用于硬件調(diào)試，亦可用于軟件調(diào)試，主要用于監(jiān)視系統(tǒng)總線的事件。
　�。�3）ROM仿真器
　　ROM仿真器用于仿真ROM芯片。將程序下載到ROM仿真器中，然后調(diào)試目標(biāo)程序。
　�。�4）在線調(diào)試OCD(On-Chip Debugging)或在線仿真(on-chip emulator)
　　2.6軟件組件的選擇
　　免費(fèi)軟件可靠性稍差；
　　授權(quán)軟件費(fèi)用一般較高，但經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試，可靠性高，調(diào)試時(shí)間短。
　　
　　3結(jié)語(yǔ)
　　
　　嵌入式技術(shù)是計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要分支，其設(shè)計(jì)、開發(fā)、應(yīng)用是一個(gè)長(zhǎng)期的課題。以信息家電為代表的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，嵌入式產(chǎn)品不僅為嵌入式市場(chǎng)展現(xiàn)了美好前景，注人了新的生命，同時(shí)也對(duì)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也將獲得更廣闊的發(fā)展空間。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　�。�1］ 王田苗主編.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開發(fā)［M］.北京：清華大學(xué)出版社,2005.
　�。�2］ 田澤．嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.
　　（本文審稿陳兵）

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