嵌入式系統(tǒng)概述
2018-08-21 08:39:51
作者：電氣事業(yè)部 鄔若愚 王永曉
如今計(jì)算機(jī)在人們的日常生活中無處不在，使用者和計(jì)算機(jī)的數(shù)量已達(dá)到1:100的比例。其中通用計(jì)算機(jī)只占百分之五，另外的百分之九十五都是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
嵌入式系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，那個(gè)時(shí)候以晶體管、磁芯存儲(chǔ)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)開始用于航空等軍用領(lǐng)域。而后在1965～1970年，當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)已開始采用集成電路，也就是第三代計(jì)算機(jī)。在軍事、航空航天領(lǐng)域、工業(yè)控制的需求推動(dòng)下，嵌入式系統(tǒng)開始興起。在1973年后隨著微處理器的問世，嵌入式系統(tǒng)開始進(jìn)入發(fā)展時(shí)期，在微處理器出現(xiàn)的初期，為了保障嵌入式軟件的時(shí)間、空間效率，軟件只能用匯編語言編寫。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)軟件的時(shí)空效率的要求不再那么苛刻了，嵌入式計(jì)算機(jī)的軟件開始使用PL/M、C等高級(jí)語言。 對(duì)于復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)來說除了需要高級(jí)語言開發(fā)工具外，還需要嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，80年代初開始出現(xiàn)了一批軟件公司，推出商品化的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和各種開發(fā)工具。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，在分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信和數(shù)字化家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統(tǒng)的硬件、軟件技術(shù)進(jìn)一步加速發(fā)展、應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫氖謾C(jī)、數(shù)碼相機(jī)、電視、路由器等都是嵌入式系統(tǒng)。
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)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。嵌入式系統(tǒng)形式多樣，一般按照應(yīng)用領(lǐng)域來進(jìn)行分類，總線和外部接口多集成在處理器內(nèi)部，軟硬件緊密集成在一起。采取交叉開發(fā)的方式，通用計(jì)算機(jī)作為開發(fā)平臺(tái)，而嵌入式系統(tǒng)作為運(yùn)行平臺(tái)。
嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式硬件和軟件組成，如圖1所示。硬件以微處理器為核心的集成存儲(chǔ)器和系統(tǒng)專用的輸入輸出設(shè)備。軟件則包括了初始化代碼及驅(qū)動(dòng)、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序等，這些軟件有機(jī)地結(jié)合在一起，形成系統(tǒng)特定的一體化軟件。
圖1 嵌入式系統(tǒng)的組成
嵌入式處理器包括了嵌入式微控制（MCU），嵌入式DSP處理器（DSP），嵌入式微處理器（MPU）以及嵌入式片上系統(tǒng)（SOC）。
嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，它是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。MCU一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、A/D、D/A、Flash RAM等各種必要功能和外設(shè)。比較有代表性的通用系列有8051、P51XA以及數(shù)目眾多ARM芯片等。
圖2 MCU的組成
嵌入式DSP處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正從在通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品是Texas Instruments的TMS320系列和ADI的SHARC 系列。
嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的CPU。在應(yīng)用中，將MPU裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。嵌入式微處理器及其存儲(chǔ)器、總線、外設(shè)等安裝在一塊電路板上，稱為單板計(jì)算機(jī)。如PC104等。
嵌入式片上系統(tǒng)SOC最大的特點(diǎn)是成功實(shí)現(xiàn)了軟硬件無縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。而且SOC具有極高的綜合性，在一個(gè)硅片內(nèi)部運(yùn)用VHDL等硬件描述語言，實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。比較典型的SOC產(chǎn)品是Philips的Smart?XA。
嵌入式系統(tǒng)是形式多樣、面向特定應(yīng)用的，它得到多種類型的處理器和體系結(jié)構(gòu)的支持，通常極其關(guān)注成本，有實(shí)時(shí)性和可靠性的要求，使用的操作系統(tǒng)一般是適應(yīng)多種處理器、可剪裁、輕量型、實(shí)時(shí)可靠、可固化的嵌入式操作系統(tǒng)，并且其開發(fā)需要專門工具和特殊方法。
以信息家電、移動(dòng)終端、汽車電子、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等為代表的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的嵌入式系統(tǒng)，不僅為嵌入式市場展現(xiàn)了美好前景，注入了新的生命，同時(shí)也對(duì)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，提出新的挑戰(zhàn)：更加智能化，多媒體的信息處理、低功耗、人機(jī)界面友好互動(dòng)，例如人臉圖像識(shí)別云監(jiān)控，云醫(yī)療等。