嵌入系統(tǒng),嵌入系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)是什么?

嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)
隨著信息產(chǎn)業(yè)和集成電路的發(fā)展，嵌入式應(yīng)用的發(fā)展也得到了蓬勃和快速的發(fā)展。其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:

(1) 多樣化，廣泛化；嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域已應(yīng)用到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域如信息家電、工業(yè)控制、通信和智能終端等

(2) 專用化，個(gè)性化；嵌入式應(yīng)用很多是面向特定的應(yīng)用，如實(shí)時(shí)控制、低功耗管理、可靠安全控制等，這些應(yīng)用領(lǐng)域使得嵌入式應(yīng)用具有專用性和個(gè)性特點(diǎn)。

嵌入式應(yīng)用的多樣化主要體現(xiàn)在嵌入式設(shè)備主控芯片和外圍設(shè)備的多樣化，目前，嵌入式設(shè)備的主控芯片類型包括四類:微控制器、嵌入式處理器、DSP處理器和片上系統(tǒng)SOC。嵌入式外圍設(shè)備種類繁多，而且不同的嵌入式應(yīng)用有不同的外掛設(shè)備，為了支持這些不同的外掛設(shè)備就必須有這些不同設(shè)備的板級(jí)支持包BSP (board support package).

嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用最早是基于單片機(jī)的簡(jiǎn)單控制應(yīng)用，因?yàn)閱纹瑱C(jī)上的資源有限，因此在程序上采用的是前后臺(tái)的控制設(shè)計(jì)。隨著嵌入式應(yīng)用越來越復(fù)雜化，現(xiàn)在很多嵌入式應(yīng)用又引進(jìn)了嵌入式操作系統(tǒng)，利用嵌入式操作系統(tǒng)提供的特有的機(jī)制來滿足嵌入式一些特定的應(yīng)用，例如，多任務(wù)調(diào)度，實(shí)時(shí)控制和可靠冗余處理等。嵌入式開發(fā)不同于桌面程序的開發(fā)，一般都是通過交叉調(diào)試模式來開發(fā)，因此對(duì)于嵌入式開發(fā)工具也有特殊的要求。

嵌入式的專用化和個(gè)性化一方面體現(xiàn)在嵌入式硬件有專用和個(gè)性的支持，另一方面體現(xiàn)在軟件上要提供相應(yīng)的支持。

嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)
嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)涉及兩個(gè)方面:硬件部分與軟件部分。硬件部分提供整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)可見的或可觸摸的“實(shí)體”，而軟件部分相當(dāng)于這個(gè)“實(shí)體”內(nèi)部的功能邏輯。這兩個(gè)部分是缺一不可的。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)對(duì)硬件要求非常高，這與其他類型系統(tǒng)的開發(fā)有所不同。許多嵌入式的開發(fā)都是針對(duì)具體的應(yīng)用，針對(duì)項(xiàng)目中特定的硬件資源，如微處理器、Flash存儲(chǔ)器、外圍接口等。這樣，開發(fā)人員就需要熟悉系統(tǒng)中的硬件資源，比如涉及到一些底層編程，就需要知道系統(tǒng)處理器提供的指令集;要對(duì)外設(shè)驅(qū)動(dòng)，就需了解外設(shè)的控制邏輯;要對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程，就需要知道Flash存儲(chǔ)器編程的指令序列和編程流程等。

1.嵌入式系統(tǒng)控制器

一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的目標(biāo)硬件平臺(tái)主要分三部分:處理器核心，片內(nèi)外圍電路，板級(jí)外圍電路.

處理器核心指的是整個(gè)芯片的核心電路即CPU的內(nèi)核。芯片內(nèi)的外圍電路是指封裝在芯片內(nèi)的一些電路如定時(shí)器分頻電路、串行接口電路等。板級(jí)外圍電路就是與處理器芯片交互的外圍電路，通常這些電路是根據(jù)處理器的特性和具體的 應(yīng)用而定制的外圍電路。

嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，嵌入式處理器作為系統(tǒng)的控制中樞，通過控制總線、數(shù)據(jù)總線和地址總線與各種外部接口相連。

就目前的現(xiàn)狀而言，嵌入式處理器可以分成四大類:嵌入式微處理器(EMU),微控制器(MCU),DSP處理器和片上系統(tǒng)(SOC)。

(1) 嵌入式微處理器(EMU)

嵌入式微處理器是經(jīng)過改造的通用計(jì)算機(jī)中的MPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上:然后在電路板上配上必要的擴(kuò)展外圍電路，如存儲(chǔ)器的擴(kuò)展電路、I/O的擴(kuò)展電路和一些專用的接口電路等，這樣就可完成嵌入式系統(tǒng)的一些功能。嵌入式微處理器雖然在功能上與標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本相同，但在降低功耗、邏輯密度、工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強(qiáng).與工控計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是，在電路板上必須包括ROM, RAM, Flash、總線接口、各種外設(shè)等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術(shù)保密性也較差。

總的來說，嵌入式微處理器一般具備以下幾個(gè)特點(diǎn):

1.對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度。

2.具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)也有利于軟件診斷。

3.可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以便能迅速地開發(fā)出滿足應(yīng)用的高性能的嵌入式微處理器。

4.嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動(dòng)的計(jì)算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mw 甚至μW級(jí)。

(2) 微控制器(MCU)

Microcontroller(微控制器)又可簡(jiǎn)稱MCU，也被稱為單芯片微控制器(Single Chip Microcontroller)，將ROM, RAM, CPU, I/O集合在同一個(gè)芯片中，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合做不同組合控制。微控制器在經(jīng)過這幾年不斷地研究，發(fā)展，歷經(jīng)4位、8位，到現(xiàn)在的16位及32位，甚至64位。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個(gè)系列的微控制器具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是相同的，不同的是存儲(chǔ)器和外設(shè)的配置及封裝。這樣，不同的微控制器就可以適合不同的應(yīng)用場(chǎng)合。與嵌入式微處理器相比，微控制器最大的特點(diǎn)是單片化、端口多、體積小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器的片上資源一般比較豐富，適合于控制，是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。

(3) DSP 處理器

DSP處理器即數(shù)字信號(hào)處理器，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特點(diǎn):

在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法。程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)。片內(nèi)具有快速RAM，通常可通過獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問。具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持?？焖俚闹袛嗵幚砗陀布O支持。具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器?？梢圆⑿袌?zhí)行多個(gè)操作。支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。 DSP的芯片可以按照以下的三種方式進(jìn)行分類。

按基礎(chǔ)特性分

這是根據(jù)DSP芯片的工作時(shí)鐘和指令類型來分類的。如果DSP芯片在某時(shí)鐘頻率范圍內(nèi)的任何頻率上能正常工作，除計(jì)算速度有變化外，沒有性能的下降，這類DSP芯片一般稱之為靜態(tài)DSP芯片。

如果有兩種或兩種以上的DSP芯片，它們的指令集和相應(yīng)的機(jī)器代碼及管腳結(jié)構(gòu)相互兼容，則這類DSP芯片稱之為一致性的DSP芯片。

按數(shù)據(jù)格式分

這是根據(jù) DSP芯片工作的數(shù)據(jù)格式來分類的。數(shù)據(jù)以定點(diǎn)格式工作的DSP芯片稱之為定點(diǎn)DSP芯片。以浮點(diǎn)格式工作的稱為浮點(diǎn)DSP芯片。不同的浮點(diǎn)DSP芯片所采用的浮點(diǎn)格式不完全一樣，有的DSP芯片采用自定義的浮點(diǎn)格式，有的DSP芯片則采用IEEE的標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式。

按用途分

按照 DSP芯片的用途來分，可分為通用型DSP芯片和專用型的DSP芯片。通用型DSP芯片適合普通的DSP應(yīng)用，如TI公司的一系列DSP芯片。專用型DSP芯片是為特定的DSP運(yùn)算而設(shè)計(jì)，更適合特殊的運(yùn)算，如數(shù)字濾波，卷積和FFT等。

現(xiàn)在DSP處理器已得到很快的發(fā)展與應(yīng)用，特別在嵌入式系統(tǒng)的智能化系統(tǒng)中。智能化算法一般都是運(yùn)算量較大，特別是向量計(jì)算、指針線性尋址等較多，而這些正是DSP處理器的長(zhǎng)處所在。

(4) 片上系統(tǒng)(SOC)

隨著EDA的推廣和大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)的普及，以及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)的時(shí)代己來臨，這就是System on Chip(SOC)。各種通用的嵌入式處理器內(nèi)核將作為SOC設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫，與許多其他嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)中一種標(biāo)準(zhǔn)的器件。它用標(biāo)準(zhǔn)的VHDL等語言描述，存儲(chǔ)在器件庫中。用戶只需定義整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(shè)計(jì)版圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣，除個(gè)別無法集成的器件以外，整個(gè)嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得簡(jiǎn)潔，對(duì)于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。

2.嵌入式外圍設(shè)備

嵌入式外圍設(shè)備是指在一個(gè)嵌入硬件系統(tǒng)中，除了中心控制部件(EMU,MCU, DSP, SOC)以外的完成存儲(chǔ)、通訊、保護(hù)、調(diào)試、顯示等輔助功能的其它部件。根據(jù)外圍設(shè)備的功能可分為以下三類:

存儲(chǔ)器類型:靜態(tài)易失型存儲(chǔ)器(RAM,SRAM)、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(DRAM),非易失型存儲(chǔ)器(ROM, EPROM, EEPROM, FLASH)。其中，F(xiàn)LASH以可擦寫次數(shù)多，存儲(chǔ)速度快，容量大，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)在嵌入式領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。

接口類型:目前存在的大多數(shù)計(jì)算機(jī)接口在嵌入式領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用，特別是RS232接口、irDA接口、I2C總線接口、USB接口和以太網(wǎng)接口應(yīng)用較廣泛。

顯示器件:CRT、LCD和觸摸屏等外圍顯示設(shè)備。

嵌入式系統(tǒng)軟件平臺(tái)
嵌入式系統(tǒng)軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、軟件開發(fā)工具和嵌入式應(yīng)用軟件四個(gè)層次。

由于嵌入式系統(tǒng)都是實(shí)時(shí)性系統(tǒng)，所以要求嵌入式系統(tǒng)的軟件應(yīng)具有實(shí)時(shí)性、異步事件的并發(fā)處理、應(yīng)用/操作系統(tǒng)一體化、應(yīng)用可固化、高可靠/高容錯(cuò)、靈活性、安全性。

在大型的嵌入式系統(tǒng)中，為了使開發(fā)更方便、快捷，需要相應(yīng)的管理存儲(chǔ)器分配、中斷處理、任務(wù)間通信和定時(shí)器響應(yīng)，并提供多任務(wù)處理等功能的穩(wěn)定、安全的軟件模塊集合，即嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度、控制和協(xié)調(diào)各部件的工作，嵌入式操作系統(tǒng)與一般操作系統(tǒng)相比，在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。嵌入式操作系統(tǒng)的引入大大提高了嵌入式系統(tǒng)的功能，方便了嵌入式應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，但同時(shí)也占有了寶貴的系統(tǒng)資源。一般在比較大型或極為復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合才考慮使用嵌入式操作系統(tǒng)。

目前，對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)的要求有:

實(shí)時(shí)性:嵌入式系統(tǒng)一般帶有實(shí)時(shí)性要求，因此嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)該具備實(shí)時(shí)特性。

系統(tǒng)可裁剪:由于嵌入式系統(tǒng)的資源限制，所采用的操作系統(tǒng)應(yīng)該有極強(qiáng)的針對(duì)性，因此對(duì)操作系統(tǒng)的功能要能夠配置。

輕量型網(wǎng)絡(luò)支持:當(dāng)今許多的嵌入式設(shè)備需要連接上網(wǎng)，所以嵌入式操作系統(tǒng)中要提供必要的輕量型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議找支持。

功能可擴(kuò)展;新型嵌入式設(shè)備功能的多樣化，要求嵌入式操作系統(tǒng)除能提供基本的內(nèi)核支持外，還能提供越來越多的可擴(kuò)展功能模塊。

由于嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)受到時(shí)間、空間開銷的限制，常常需要在專門的開發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行軟件的交叉開發(fā)。在這種獨(dú)立的軟件開發(fā)系統(tǒng)上，應(yīng)配備完整的軟件開發(fā)工具，如高級(jí)語言編譯器、在線調(diào)試器和在線仿真器等。嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境是嵌入式軟件開發(fā)中重要的系統(tǒng)軟件，一般與嵌入式操作系統(tǒng)一起，作為一種專用軟件，其技術(shù)含量高，價(jià)格也較貴。