嵌入式系统概述

2018-08-21 08:39:51

作者：电气事业部  邬若愚 王永晓

如今计算机在人们的日常生活中无处不在，使用者和计算机的数量已达到1:100的比例。其中通用计算机只占百分之五，另外的百分之九十五都是嵌入式计算机系统。

嵌入式系统出现于20世纪60年代，那个时候以晶体管、磁芯存储为基础的计算机开始用于航空等军用领域。而后在1965～1970年，当时计算机已开始采用集成电路，也就是第三代计算机。在军事、航空航天领域、工业控制的需求推动下，嵌入式系统开始兴起。在1973年后随着微处理器的问世，嵌入式系统开始进入发展时期，在微处理器出现的初期，为了保障嵌入式软件的时间、空间效率，软件只能用汇编语言编写。随着微电子技术的进步，对软件的时空效率的要求不再那么苛刻了，嵌入式计算机的软件开始使用PL/M、C等高级语言。 对于复杂的嵌入式系统来说除了需要高级语言开发工具外，还需要嵌入式实时操作系统的支持，80年代初开始出现了一批软件公司，推出商品化的嵌入式实时操作系统和各种开发工具。进入20世纪90年代后，在分布控制、柔性制造、数字化通信和数字化家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统的硬件、软件技术进一步加速发展、应用领域进一步扩大。我们日常生活中使用的手机、数码相机、电视、路由器等都是嵌入式系统。

嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、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。它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。嵌入式系统形式多样，一般按照应用领域来进行分类，总线和外部接口多集成在处理器内部，软硬件紧密集成在一起。采取交叉开发的方式，通用计算机作为开发平台，而嵌入式系统作为运行平台。

嵌入式系统一般由嵌入式硬件和软件组成，如图1所示。硬件以微处理器为核心的集成存储器和系统专用的输入输出设备。软件则包括了初始化代码及驱动、嵌入式操作系统和应用程序等，这些软件有机地结合在一起，形成系统特定的一体化软件。

图1 嵌入式系统的组成

嵌入式处理器包括了嵌入式微控制（MCU），嵌入式DSP处理器（DSP），嵌入式微处理器（MPU）以及嵌入式片上系统（SOC）。

嵌入式微控制器又称单片机，它是将整个计算机系统集成到一块芯片中。MCU一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、A/D、D/A、Flash RAM等各种必要功能和外设。比较有代表性的通用系列有8051、P51XA以及数目众多ARM芯片等。

图2 MCU的组成

嵌入式DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texas Instruments的TMS320系列和ADI的SHARC 系列。

嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将MPU装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如PC104等。

嵌入式片上系统SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且SOC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。比较典型的SOC产品是Philips的Smart?XA。

嵌入式系统是形式多样、面向特定应用的，它得到多种类型的处理器和体系结构的支持，通常极其关注成本，有实时性和可靠性的要求，使用的操作系统一般是适应多种处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的嵌入式操作系统，并且其开发需要专门工具和特殊方法。

以信息家电、移动终端、汽车电子、网络设备等为代表的互联网时代的嵌入式系统，不仅为嵌入式市场展现了美好前景，注入了新的生命，同时也对嵌入式系统技术，提出新的挑战：更加智能化，多媒体的信息处理、低功耗、人机界面友好互动，例如人脸图像识别云监控，云医疗等。