嵌入式系統(tǒng)的定義與發(fā)展歷史

　　嵌入式系統(tǒng)誕生于微型機時代，經(jīng)歷了漫長的獨立發(fā)展的單片機道路。下面是小編整理的關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的定義與發(fā)展歷史，希望大家認真分析!

　　現(xiàn)代計算機的技術(shù)發(fā)展史

　　(1) 始于微型機時代的嵌入式應(yīng)用

　　電子數(shù)字計算機誕生于1946年，在其后漫長的歷史進程中，計算機始終是供養(yǎng)在特殊的機房中，實現(xiàn)數(shù)值計算的大型昂貴設(shè)備。直到20世紀70年代，微處理器的出現(xiàn)，計算機才出現(xiàn)了歷史性的變化。以微處理器為核心的微型計算機以其小型、價廉、高可靠性特點，迅速走出機房;基于高速數(shù)值解算能力的微型機，表現(xiàn)出的智能化水平引起了控制專業(yè)人士的興趣，要求將微型機嵌入到一個對象體系中，實現(xiàn)對象體系的智能化控制。例如，將微型計算機經(jīng)電氣加固、機械加固，并配置各種外圍接口電路，安裝到大型艦船中構(gòu)成自動駕駛儀或輪機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。這樣一來，計算機便失去了原來的形態(tài)與通用的計算機功能。為了區(qū)別于原有的通用計算機系統(tǒng)，把嵌入到對象體系中，實現(xiàn)對象體系智能化控制的計算機，稱作嵌入式計算機系統(tǒng)。因此，嵌入式系統(tǒng)誕生于微型機時代，嵌入式系統(tǒng)的嵌入性本質(zhì)是將一個計算機嵌入到一個對象體系中去，這些是理解嵌入式系統(tǒng)的基本出發(fā)點。

　　(2) 現(xiàn)代計算機技術(shù)的兩大分支

　　由于嵌入式計算機系統(tǒng)要嵌入到對象體系中，實現(xiàn)的是對象的智能化控制，因此，它有著與通用計算機系統(tǒng)完全不同的技術(shù)要求與技術(shù)發(fā)展方向。

　　通用計算機系統(tǒng)的技術(shù)要求是高速、海量的數(shù)值計算;技術(shù)發(fā)展方向是總線速度的無限提升，存儲容量的無限擴大。 而嵌入式計算機系統(tǒng)的技術(shù)要求則是對象的智能化控制能力;技術(shù)發(fā)展方向是與對象系統(tǒng)密切相關(guān)的嵌入性能、控制能力與控制的可靠性。

　　早期，人們勉為其難地將通用計算機系統(tǒng)進行改裝，在大型設(shè)備中實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用。然而，對于眾多的對象系統(tǒng)(如家用電器、儀器儀表、工控單元……)，無法嵌入通用計算機系統(tǒng)，況且嵌入式系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向完全不同，因此，必須獨立地發(fā)展通用計算機系統(tǒng)與嵌入式計算機系統(tǒng)，這就形成了現(xiàn)代計算機技術(shù)發(fā)展的兩大分支。

　　如果說微型機的出現(xiàn)，使計算機進入到現(xiàn)代計算機發(fā)展階段，那么嵌入式計算機系統(tǒng)的誕生，則標志了計算機進入了通用計算機系統(tǒng)與嵌入式計算機系統(tǒng)兩大分支并行發(fā)展時代，從而導(dǎo)致20世紀末，計算機的高速發(fā)展時期。

　　(3) 兩大分支發(fā)展的里程碑事件

　　通用計算機系統(tǒng)與嵌入式計算機系統(tǒng)的專業(yè)化分工發(fā)展，導(dǎo)致20世紀末、21世紀初，計算機技術(shù)的飛速發(fā)展。計算機專業(yè)領(lǐng)域集中精力發(fā)展通用計算機系統(tǒng)的軟、硬件技術(shù)，不必兼顧嵌入式應(yīng)用要求，通用微處理器迅速從286、386、486到奔騰系列;操作系統(tǒng)則迅速擴張計算機基于高速海量的數(shù)據(jù)文件處理能力，使通用計算機系統(tǒng)進入到盡善盡美階段。

　　嵌入式計算機系統(tǒng)則走上了一條完全不同的道路，這條獨立發(fā)展的道路就是單芯片化道路。它動員了原有的傳統(tǒng)電子系統(tǒng)領(lǐng)域的廠家與專業(yè)人士，接過起源于計算機領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)，承擔起發(fā)展與普及嵌入式系統(tǒng)的歷史任務(wù)，迅速地將傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)發(fā)展到智能化的現(xiàn)代電子系統(tǒng)時代。

　　因此，現(xiàn)代計算機技術(shù)發(fā)展的兩大分支的里程碑意義在于：它不僅形成了計算機發(fā)展的專業(yè)化分工，而且將發(fā)展計算機技術(shù)的任務(wù)擴展到傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)領(lǐng)域，使計算機成為進入人類社會全面智能化時代的有力工具。

　　嵌入式系統(tǒng)的定義與特點

　　如果我們了解了嵌入式(計算機)系統(tǒng)的由來與發(fā)展，對嵌入式系統(tǒng)就不會產(chǎn)生過多的誤解，而能歷史地、本質(zhì)地、普遍適用地定義嵌入式系統(tǒng)。

　　(1) 嵌入式系統(tǒng)的定義

　　按照歷史性、本質(zhì)性、普遍性要求，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)定義為：“嵌入到對象體系中的專用計算機系統(tǒng)”�！扒度胄浴�、“專用性”與“計算機系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的三個基本要素。對象系統(tǒng)則是指嵌入式系統(tǒng)所嵌入的宿主系統(tǒng)。

　　(2) 嵌入式系統(tǒng)的特點

　　嵌入式系統(tǒng)的特點與定義不同，它是由定義中的三個基本要素衍生出來的。不同的嵌入式系統(tǒng)其特點會有所差異。

　　與“嵌入性”的相關(guān)特點：由于是嵌入到對象系統(tǒng)中，必須滿足對象系統(tǒng)的環(huán)境要求，如物理環(huán)境(小型)、電氣/氣氛環(huán)境(可靠)、成本(價廉)等要求。

　　與“專用性”的相關(guān)特點：軟、硬件的裁剪性;滿足對象要求的最小軟、硬件配置等。

　　與“計算機系統(tǒng)”的相關(guān)特點：嵌入式系統(tǒng)必須是能滿足對象系統(tǒng)控制要求的計算機系統(tǒng)。與上兩個特點相呼應(yīng)，這樣的計算機必須配置有與對象系統(tǒng)相適應(yīng)的接口電路。

　　另外，在理解嵌入式系統(tǒng)定義時，不要與嵌入式設(shè)備相混淆。嵌入式設(shè)備是指內(nèi)部有嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品、設(shè)備，例如，內(nèi)含單片機的家用電器、儀器儀表、工控單元、機器人、手機、PDA等。

　　(3) 嵌入式系統(tǒng)的種類與發(fā)展

　　按照上述嵌入式系統(tǒng)的定義，只要滿足定義中三要素的計算機系統(tǒng)，都可稱為嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)按形態(tài)可分為設(shè)備級(工控機)、板級(單板、模塊)、芯片級(MCU、SoC)。

　　有些人把嵌入式處理器當作嵌入式系統(tǒng)，但由于嵌入式系統(tǒng)是一個嵌入式計算機系統(tǒng)，因此，只有將嵌入式處理器構(gòu)成一個計算機系統(tǒng)，并作為嵌入式應(yīng)用時，這樣的計算機系統(tǒng)才可稱作嵌入式系統(tǒng)。

　　嵌入式系統(tǒng)與對象系統(tǒng)密切相關(guān)，其主要技術(shù)發(fā)展方向是滿足嵌入式應(yīng)用要求，不斷擴展對象系統(tǒng)要求的外圍電路(如ADC、DAC、PWM、日歷時鐘、電源監(jiān)測、程序運行監(jiān)測電路等)，形成滿足對象系統(tǒng)要求的應(yīng)用系統(tǒng)。因此，嵌入式系統(tǒng)作為一個專用計算機系統(tǒng)，要不斷向計算機應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展。因此，可以把定義中的專用計算機系統(tǒng)引伸成，滿足對象系統(tǒng)要求的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。

　　種類

　　嵌入式微處理器

　　嵌入式微處理器（Embedded Microprocessor Unit，EMPU）是以通用計算機中的標準CPU為微處理器，并將其裝配在專門設(shè)計的電路板上，且僅保留與嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)。與通用計算機相比，其系統(tǒng)體積和功耗大幅度減小，而工作溫度的范圍、抗電磁干擾能力、系統(tǒng)的可靠性等方面均有提高。

　　在EMPU中，微處理器是整個系統(tǒng)的核心，通常由3大部分組成：控制單元、算術(shù)邏輯單元和寄存器。

　　嵌入式微控制器

　　嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，MCU）又稱單片機。它以某一種微處理器為核心，芯片內(nèi)部集成有一定容量的存儲器（ROM/EPROM、RAM）、I/O接口（串行接口、并行接口）、定時器/計數(shù)器、看門狗、脈寬調(diào)制輸出、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、總線、總線邏輯等。與嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化、體積小、功耗低、可靠性較高。微控制器是嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。

　　嵌入式處理器

　　嵌入式數(shù)字信號處理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進行了特殊設(shè)計，使其適合執(zhí)行 DSP算法，編譯效率高，指令執(zhí)行速度也較快，在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面，DSP算法已廣泛應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正從在單片機中以普通指令實現(xiàn)DSP功能，過渡到采用EDSP。

　　嵌入式片上系統(tǒng)

　　嵌入式片上系統(tǒng)（System onChip，SoC）是集系統(tǒng)性能于一塊芯片上的系統(tǒng)組芯片。它通常含有一個或多個微處理器IP核（CPU），根據(jù)需求也可增加一個或多個DSP IP核，相應(yīng)的外圍特殊功能模塊，以及一定容量的存儲器（RAM、ROM）等，并針對應(yīng)用所需的性能將其設(shè)計集成在芯片上，成為系統(tǒng)操作芯片。其主要特點是嵌入式系統(tǒng)能夠運行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好，操作系統(tǒng)的內(nèi)核小，效果好。

　　軟件體系

　　嵌入式系統(tǒng)的軟件體系是面向嵌入式系統(tǒng)特定的硬件體系和用戶要求而設(shè)計的，是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。嵌入式系統(tǒng)軟件的特征包括：（1）軟件要求固態(tài)化存儲；（2）軟件代碼質(zhì)量高、可靠性好；（3）操作系統(tǒng)軟件實時性強。

　　嵌入式系統(tǒng)軟件體系和通用計算機軟件體系類似，分成驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層、中間件層和應(yīng)用層等四層，各有其特點。

　　驅(qū)動層

　　驅(qū)動層是直接與硬件打交道的一層，它為操作系統(tǒng)和應(yīng)用提供硬件驅(qū)動或底層核心支持。在嵌入式系統(tǒng)中，驅(qū)動程序有時也稱為板級支持包(BSP)。BSP具有在嵌入式系統(tǒng)上電后初始化系統(tǒng)的基本硬件環(huán)境的功能,基本硬件包括微處理器、存儲器、中斷控制器、DMA、定時器等。驅(qū)動層--般可以有三種類型的程序，即板級初始化程序、標準驅(qū)動程序和應(yīng)用驅(qū)動程序。

　　操作系統(tǒng)層

　　嵌入式系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)具有一般操作系統(tǒng)的核心功能，負責嵌入式系統(tǒng)的全部軟硬件資源的分配、調(diào)度工作控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動。它仍具有嵌入式的特點，屬于嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded Operating System,EOS)。主流的嵌入式操作系統(tǒng)有Windows CE、Palm：OS、Linux、VxWorks.pSOS.QNX.LynxOS等。有了嵌入式操作系統(tǒng)，編寫應(yīng)用程序就更加快速、高效、穩(wěn)定。

　　中間件層

　　中間件是用于幫助和支持應(yīng)用軟件開發(fā)的軟件，通常包括數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、圖形支持及相應(yīng)開發(fā)工具等，例如：MySQL、TCP/IP、GU1等都屬于這一類軟件。

　　應(yīng)用層

　　嵌入式應(yīng)用軟件是針對特定應(yīng)用領(lǐng)域，用來實現(xiàn)用戶預(yù)期目標的軟件。嵌入式應(yīng)用軟件和普通應(yīng)用軟件有一定的區(qū)別，它不僅要求在準確性、安全性和穩(wěn)定性等方面能夠滿足實際應(yīng)用的需要，而且還要盡可能地進行優(yōu)化，以減少對系統(tǒng)資源的消耗，降低硬件成本。嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件是最活躍的力量，每種應(yīng)用軟件均有特定的應(yīng)用背景。盡管規(guī)模較小，但專業(yè)性較強，所以嵌入式應(yīng)用軟件不像操作系統(tǒng)和支撐軟件那樣受制于國外產(chǎn)品，是我國嵌入式軟件的優(yōu)勢領(lǐng)域。

　　嵌入方式

　　嵌入式系統(tǒng)是通過把CPU嵌入目標系統(tǒng)或被控系統(tǒng)中起作用的。但是在不同的嵌入式系統(tǒng)中，嵌入的形式和程度是各不相同的。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)和通用計算機連接關(guān)系的密切程度，嵌入形式可以分為全嵌入方式、半嵌入方式。

　　全嵌入方式

　　如果采用全嵌入方式，則嵌入式系統(tǒng)(或其核心功能)可以不依賴于通用計算機系統(tǒng)，即可單獨工作，典型實例有手機、MP4、車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)等。采用全嵌入方式的嵌入式系統(tǒng)有如下特點。

　　(1)具有獨立的處理器系統(tǒng)，且具有完整的輸入/輸出系統(tǒng)，能獨立完成系統(tǒng)的功能。

　　(2)高端CPU支持嵌入式操作系統(tǒng)，可以開發(fā)功能復(fù)雜的應(yīng)用程序。

　　(3)一般為便攜式手持式設(shè)備，其工作環(huán)境一般是無人值守、移動空間、高空或其他條件惡劣的環(huán)境。

　　(4)供電方式一般采用電池供電，有些情況下也可以直接采用市電220V供電，由系統(tǒng)自行設(shè)計轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓電路。較高端的設(shè)備往往會把兩種供電方式結(jié)合起來，讓用戶使用起來更加靈活。

　　(5)全嵌入方式適合任何不宜采用通用計算機的場合，如消費電子、家用電器、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工業(yè)控制、智能儀器、戰(zhàn)場電子對抗、航天航空武器等，其應(yīng)用范圍十分廣泛。

　　半嵌入方式

　　如果采用半嵌入方式，則嵌入式系統(tǒng)(或其核心功能)需要和通用計算機系統(tǒng)結(jié)合起來才能正常工作，典型實例有醫(yī)用B超系統(tǒng)、基于PCI卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。采用半嵌入方式的嵌入式系統(tǒng)有如下特點。

　　(1)一般沒有獨立的處理器，而是借用通用計算機系統(tǒng)的CPU完成計算和/或控制功能;有時即使具有自己的獨立處理器，但是處理器也只是完成一些有限的特定功能，而不具備控制全部系統(tǒng)的功能。

　　(2)嵌入式系統(tǒng)只是整個系統(tǒng)的一部分，只能完成整個系統(tǒng)的一部分功能，而其他功能需要在通用計算機上完成。通用計算機利用自己豐富的軟件和硬件資源，提供友好的人機操作界面和強大的數(shù)據(jù)處理能力。

　　(3)嵌入式系統(tǒng)的功能體對前端數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行對被控對象的控制，其中的數(shù)據(jù)分析、處理和存儲等功能由通用計算機系統(tǒng)完成。

　　(4)嵌入式系統(tǒng)一般采用各種規(guī)范的總線形式和通用計算機相連接。典型的實例有PCI總線、USB總線等，簡單的嵌入式系統(tǒng)還可以通過串口來連接。

　　(5)嵌入式系統(tǒng)是作為外設(shè)連接在通用計算機上的，因此在通用計算機中一般需要提供嵌入式系統(tǒng)的標準驅(qū)動程序。

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