嵌入式和單片機(jī)的概念和區(qū)別

單片機(jī)和嵌入式，其實(shí)沒有什么標(biāo)準(zhǔn)的定義來區(qū)分他們，對(duì)于進(jìn)行過單片機(jī)和嵌入式開發(fā)的開發(fā)者來說，都有他們自己的定義，接下來，就談?wù)勥@兩個(gè)概念的理解。

什么是單片機(jī)

首先明確概念，什么是單片機(jī)，單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域。

什么是嵌入式

那么什么是嵌入式呢，一般說嵌入式都是指嵌入式系統(tǒng)，IEEE（InsTItuteof Electrical and ElectronicsEngineers，美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義：“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”。

嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。通常，嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)控制程序存儲(chǔ)在ROM中的嵌入式處理器控制板。

嵌入式系統(tǒng)是將應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)、和計(jì)算機(jī)硬件連接在一起的系統(tǒng)，是指以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，其針對(duì)的用戶應(yīng)用對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗和使用環(huán)境有特殊要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

嵌入式的硬件層

硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用設(shè)備接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。在一片嵌入式處理器基礎(chǔ)上添加電源電路、時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)器電路，就構(gòu)成了一個(gè)嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以固化在ROM中。

其中核心就是微處理器，嵌入式處理器和一般的電腦CPU還有區(qū)別，嵌入式微處理器大多工作在特定設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，比如TI或者Atmel公司都有很多定位不同的處理器，atmel的SAM系列是專門為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的，AVR則由于性能突出，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

嵌入式微處理器有各種不同的體系，即使在同一體系中也可能具有不同的時(shí)鐘頻率和數(shù)據(jù)總線寬度，或集成了不同的外設(shè)和接口。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式微處理器已經(jīng)超過1000多種，體系結(jié)構(gòu)有30多個(gè)系列，其中主流的體系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。

但與全球PC市場不同的是，沒有一種嵌入式微處理器可以主導(dǎo)市場，僅以32位的產(chǎn)品而言，就有100種以上的嵌入式微處理器。嵌入式微處理器的選擇是根據(jù)具體的應(yīng)用而決定的。

在嵌入式領(lǐng)域，可以說ARM架構(gòu)的處理器占據(jù)了半壁江山，而ARM公司也成為著名的科技公司，而它卻沒有生產(chǎn)任何處理器，而只是提供了IP，可以看出一流公司做標(biāo)準(zhǔn)。而其他用的比較多的架構(gòu)就是MIPS，sparc、powerpc等。

比如ARM公司有各種各樣的處理器架構(gòu)，最經(jīng)典的cortex系列，它屬于ARMv7架構(gòu)，這是到2010年為止ARM公司最新的指令集架構(gòu)。ARMv7架構(gòu)定義了三大分工明確的系列：“A”系列面向尖端的基于虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用；“R”系列針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)；“M”系列對(duì)微控制器。

嵌入式系統(tǒng)和外界交互需要一定形式的通用設(shè)備接口，如A/D、D/A、I/O等，外設(shè)通過和片外其他設(shè)備的或傳感器的連接來實(shí)現(xiàn)微處理器的輸入/輸出功能。每個(gè)外設(shè)通常都只有單一的功能，它可以在芯片外也可以內(nèi)置芯片中。外設(shè)的種類很多，可從一個(gè)簡單的串行通信設(shè)備到非常復(fù)雜的802.11無線設(shè)備。

嵌入式系統(tǒng)中常用的通用設(shè)備接口有A/D（模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口）、D/A（數(shù)/模轉(zhuǎn)換接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太網(wǎng)接口）、USB（通用串行總線接口）、音頻接口、VGA視頻輸出接口、I2C（現(xiàn)場總線）、SPI（串行外圍設(shè)備接口）和IrDA（紅外線接口）等。這一點(diǎn)其實(shí)和單片機(jī)類似。

嵌入式的軟件層

也就是操作系統(tǒng)了，包括內(nèi)核和文件系統(tǒng)，還有就是更為頂層的應(yīng)用程序，嵌入式操作系統(tǒng)一般都是Linux或者其他類Unix，還有一些實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）比如VxWorks、RTEMS、ucOS等。

其中Linux還包括不同的distribuTIon，比如Ubuntu、Redhat、Debian、centos等，他們都是采用Linux的內(nèi)核，不同的是上面的software和tools，當(dāng)然不用太過于擔(dān)心標(biāo)準(zhǔn)問題，這些Linux發(fā)行版選擇的軟件幾乎都是比較通用的，比如網(wǎng)頁服務(wù)器的Apache、電子郵件服務(wù)器的postfix、sendmail、文件服務(wù)器的Samba等。此外還有Linuxstandard base等標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范開發(fā)者。類Unix主要是FreeBSD以及Solaris等。

嵌入式領(lǐng)域最常用的之一是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的核心就是實(shí)時(shí)性，本質(zhì)就是任務(wù)處理所花費(fèi)的時(shí)間的可預(yù)測性，即任務(wù)需要在規(guī)定時(shí)限內(nèi)完成。IEEE對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的定義是“那些正確性不僅取決于計(jì)算的邏輯結(jié)果也取決于產(chǎn)生結(jié)果所花費(fèi)時(shí)間的系統(tǒng)”。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)之分，硬實(shí)時(shí)要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)必須完成操作，這是在操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)保證的; 軟實(shí)時(shí)則只要按照任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，盡可能快地完成操作即可。我們通常使用的操作系統(tǒng)在經(jīng)過一定改變之后就可以變成實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和Linux這種分時(shí)操作系統(tǒng)的區(qū)別列舉如下：

（1）多路性。實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)一樣具有多路性。系統(tǒng)按分時(shí)原則為多個(gè)終端用戶服務(wù); 而對(duì)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，其多路性則主要表現(xiàn)在經(jīng)常對(duì)多路的現(xiàn)場信息進(jìn)行采集以及對(duì)多個(gè)對(duì)象或多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。

（2）獨(dú)立性。實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)一樣具有獨(dú)立性。每個(gè)終端用戶在向分時(shí)系統(tǒng)提出服務(wù)請(qǐng)求時(shí)，是彼此獨(dú)立的操作，互不干擾;而在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中信息的采集和對(duì)對(duì)象的控制，也彼此互不干擾。

（3）及時(shí)性。實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求與分時(shí)系統(tǒng)類似，都是以人所能接受的等待時(shí)間來確定;而實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的及時(shí)性，則是以控制對(duì)象所要求的開始截止時(shí)間或完成截止時(shí)間來確定的，一般為秒級(jí)、百毫秒級(jí)直至毫秒級(jí)，甚至有的要低于100微秒。

（4）交互性。實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)具有交互性，但這里人與系統(tǒng)的交互，僅限于訪問系統(tǒng)中某些特定的專用服務(wù)程序。它不像分時(shí)系統(tǒng)那樣能向終端用戶提供數(shù)據(jù)處理服務(wù)、資源共享等服務(wù)。

（5）可靠性。分時(shí)系統(tǒng)要求系統(tǒng)可靠，相比之下，實(shí)時(shí)系統(tǒng)則要求系統(tǒng)高度可靠。因?yàn)槿魏尾铄e(cuò)都可能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至無法預(yù)料的災(zāi)難性后果。因此，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，采取了多級(jí)容錯(cuò)措施來保證系統(tǒng)的安全及數(shù)據(jù)的安全。

由于更加可靠和及時(shí)。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)更加廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、航空航天、軍工等領(lǐng)域，比如美國航天局NASA近幾年發(fā)射的火星探測器等都是采用的RTEMS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

嵌入式的中間層

所謂的中間層就是軟件層和硬件層之間的接口層，其實(shí)嚴(yán)格而言也屬于軟件層。一般開發(fā)者稱之為BSP，這一層主要負(fù)責(zé)的是向下提供硬件的驅(qū)動(dòng)，硬件的配置等操作，向上則向軟件開發(fā)者提供標(biāo)準(zhǔn)API，進(jìn)行中間層開發(fā)的開發(fā)者通常稱為嵌入式驅(qū)動(dòng)工程師。

從這里也可以看出來，嵌入式設(shè)計(jì)和軟硬都分不開，既要掌握底層硬件的特性以及如何驅(qū)動(dòng)其工作，也要了解操作系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)，才可以編寫相應(yīng)功能的應(yīng)用。

因此看一個(gè)操作系統(tǒng)是否支持某個(gè)芯片或者某個(gè)開發(fā)板，只要看其源碼中是否包含相應(yīng)芯片或開發(fā)板的板級(jí)支持包。

嵌入式系統(tǒng)應(yīng)該跑在什么樣的硬件上

談起嵌入式硬件或者開發(fā)板，我想很多人第一印象就是RaspberryPi，是一塊只有信用卡大小的微型電腦，別看其外表“嬌小”，內(nèi)“芯”卻很強(qiáng)大，視頻、音頻等功能通通皆有，可謂是“麻雀雖小，五臟俱全”。樹莓派推出后，很多廠商爭相推出類似產(chǎn)品，比如香蕉派之類的。

還有TI的Beagleboneblack板子，體積大小和樹莓派類似，外設(shè)包括有USB host和USB mini以及網(wǎng)卡接口，背面還有一個(gè)sd卡槽和HDMI接口。BBB的處理器采用的是當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)中最流行的ARMv7指令集。采用當(dāng)今廣泛使用的指令集的處理器可以被更多的軟件支持。例如，一些操作系統(tǒng)已經(jīng)不支持在ARMv6指令集上運(yùn)行，例如，Ubuntu在2012年4月放棄了對(duì)ARMv6指令集的支持。

ARMv7相對(duì)與ARMv6指令集的另一個(gè)優(yōu)勢在于，使用ARMv7的處理器的實(shí)際性能更加強(qiáng)勁。ARMv7相對(duì)與ARMv6的優(yōu)勢還有很多，比如一些顯著的改進(jìn)：實(shí)現(xiàn)了超標(biāo)量架構(gòu)、包含了SIMD操作指令、改進(jìn)了分支預(yù)測算法從而極大的提高了某些性能。

總結(jié)

以上就是一塊基本的嵌入式核心板所具有的性能參數(shù)，和上面說到的單片機(jī)的性能參數(shù)相比較，單片機(jī)的處理能力較低，主頻大多在幾十M上下，和嵌入式動(dòng)輒上百上千M的處理速度還是相差較多，此外單片機(jī)并不具有圖形界面的處理能力，也就是GPU的缺乏導(dǎo)致單片機(jī)幾乎不可能帶動(dòng)圖形界面。

單片機(jī)的存儲(chǔ)空間和嵌入式處理器也不是一個(gè)等級(jí)的，單片機(jī)通常片內(nèi)存儲(chǔ)只有幾k大小，而由于外設(shè)的限制也不太可能大范圍增加外設(shè)emmc，而嵌入式處理器通常有幾百兆的RAM，如此巨大的差別導(dǎo)致單片機(jī)幾乎不可能像嵌入式處理器那樣運(yùn)行操作系統(tǒng)，甚至連TCP/IP協(xié)議棧和USB協(xié)議棧都跑不起來，一些高端的單片機(jī)比如ST公司的STM32系列，可能可以跑一些輕量級(jí)的系統(tǒng)os和嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，比如IwIP協(xié)議棧。

嵌入式處理器豐富強(qiáng)大的性能決定它能完成更多單片機(jī)不能完成的應(yīng)用，比如網(wǎng)絡(luò)通信功能，視頻傳輸處理功能等，而當(dāng)外設(shè)存儲(chǔ)增加后，嵌入式處理器能夠輕松運(yùn)行各種Linux系統(tǒng)，以及圖形GUI界面。