嵌入式系统研究与应用

姓名：陈木生 班级：08自动化1 学号：200830460103

摘要: 嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统, 它具有自己的特点和优势。该文介绍了嵌入式系统的应用、特点和体系结构, 论述了嵌入式系统的发展, 最后阐述了嵌入式系统的发展趋势以及已经应用实际的一些具体例子。

关键词: 嵌入式系统、发展、应用实例从计算机到 1嵌入式系统的发展概述

信息技术的使用和纳米微电子技术的突破，正有力推动着21 世

纪工业生产、商业活动、科学实验和家庭生活等领域的自动化和信息化进程。全过程自动化产品制造、大范围电子商务活动、高度协同科学实验以及现代化家庭起居，这就为计算机的发展带来前所未有的机遇。

以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性特点,

迅速走向普及。基于高速数值解算能力的微型机, 表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣, 要求将微型机嵌入到一个对象体系中, 实现对象体系的智能化控制。这样一来, 计算机便失去了原来的形态及通用的计算机功能。为了区别于原有的通用计算机系统, 把嵌入到对象体系中, 实现对象体系智能化控制的计算机, 称作嵌入式系统。因此, 嵌入式系统诞生于微型机时代, 嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去。由于嵌入式系统要嵌入到

对象体系中, 实现的是对象的智能化控制, 因此, 它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向, 它是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各行业的具体运用相结合的产物。

随着以计算机和软件为核心的数字化技术的迅速发展, 多媒体

技术与互联网Internet的应用迅速普及。计算机﹑通讯﹑消费电子一体化的趋势日趋明显。作为新型智能3C合一的嵌入式系统与技术进入智能化﹑网络化的发展阶段。目前, 嵌入式系统在工业、农业、家庭等各个领域中的应用已越来越广。

2嵌入式系统的定义以及组成 定义

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁

剪，适用于应用系统对功能，对可靠性、成本、体积、功耗有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和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 嵌入式系统的组成和结构

一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组

成，如图1所示，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。

执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的

控制命令，执行所规定的操作或任务。

硬件层包含嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和I/O 接口

（A/D、D/A、I/O等）。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。

硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层或板级支持包，

将系统上层件与底层硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据中间层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。

系统软件层由实时多任务操作系统、文件系统、图形用户接口、

网络系统及通用组件模块组成。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的软件、硬件的资源分配、任务调度、控制协调。

应用软件层用来实现对被控对象的控制功能，由所开发的应用程

序组成。为方便用户操作，通常需要提供一个友好的人机界面。

嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中

去，这些是理解嵌入式系统的基本出发点。由分立器件构成嵌入式系统设计使用各种独立的集成电路块（如处理器、RAM、ROM、译码逻辑、接口芯片、专用芯片等），通过印刷电路板上的走线相互连接，构成一个系统。

3嵌入式硬件系统

嵌入式系统的硬件部分，包括处理器／微处理器、存储器及外

设器件和1/0端口、图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用

EPROM、EEPROM或闪存(Flash Memory)作为存储介质。软件部分包括操作系统软件（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。

3.1嵌入式处理器

嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备

4个特点：一是对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度；二是具有功能很强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断；三是可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处理器：四是嵌入式微处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能为mW甚至μW级。

3.2总线

总线是指一组进行互连和传输信息（指令、数据和地址）的信

号线，是连接系统各个部件的桥梁。采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其是制定了统一的总线标准后更容易使不同的设备之间实现互连。

嵌入式系统的总线一般分为片内总线和片外总线。片内总线就是嵌入式微处理器内的CPU与片内其他部件连接的总线：片外总线集

成在嵌入式为处理器内或外接芯片扩展上，用于连接外部设备。现在ARM的片内总线AMBA和片外总线PCI总线近几年已在嵌入式系统广泛应用。

3.3存储器

嵌入式系统的存储器分三种：高速缓存

片外）和外存。

高速缓冲存储器中存放的是当前使用最多的程序代码和数据，即主存中部分内容的副本。主存是处理器能直接访问的存储器，用来存放系统和用户的程序和数据。嵌入式系统的主存可位于处理器内和处理器外。片内存储器存储容容量小、速度快；片外存储器容量大。外存是处理器不能直接访问的存储器，用来存放用户的各种信息，容量大，存取速度相对于主存要慢的多，但它可以用来长期保存用户信息。

Cache、主存（片内和

3.4输入，输出接口和设备

嵌入式是面向应用的，不同的应用所需的接口和外设不同。在

嵌入式系统中通常大多数接口和部分外设已经集成到嵌入式处理器上，如Timer，RTC，UART，USB，A/D，D/A，DMA控制器和终端控制器等等。

4嵌入式软件系统

嵌入式软件就是嵌入在硬件中的操作系统和开发工具软件，它

在产业中的关联关系体现为：芯片设计制造一嵌入式系统软件一嵌入式电子设备开发、制造。

嵌入式软件与嵌入式系统是密不可分的，嵌入式系统是“控制、

监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”，就是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。而嵌入式软件就是基于嵌入式系统设计的软件，它也是计算机软件的一种，同样由程序及其文档组成，可细分成系统软件、支撑软件、应用软件三类，是嵌入式系统的重要组成部分。

嵌入式软件是计算机软件的一种。它有以下特点：规模小，开发难度大；快速启动，直接运行；实时性和可靠性高；程序一体化；开发平台和运行平台各不相同。

4.1嵌入式软件分类

1)嵌入式操作系统：嵌入式操作系统EOS (Embedded Operating

System)是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。现在国际上有名的嵌入式操作系统有Windows CE、Palm OS、Linux、VxWorks、pSOS、QNX、OS-9、LynxOS等，已进入我国市场的国外产品有WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等。 2)嵌入式支撑软件：支撑软件是用于帮助和支持软件开发的软件，通常包括数据库和开发工具，其中以数据库最为重要。国际上主要的嵌入式移动数据库系统有Sybase、Oracle等。

3)嵌入式应用软件：嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到用户预期目标的计算机软件。

4.2嵌入式软件的特点

1)嵌入式软件具有独特的实用性。嵌入式软件是为嵌入式系统

服务的，这就要求它与外部硬件和设备联系紧密。嵌入式系统以应用为中心，嵌入式软件是应用系统，根据应用需求定向开发，面向产业、面向市场，需要特定的行业经验。每种嵌入式软件都有自己独特的应用环境和实用价值。

2）嵌入式软件应有灵活的适用性。嵌入式软件通常可以认为是一种模块化软件，它应该能非常方便灵活的运用到各种嵌入式系统中，而不能破坏或更改原有的系统特性和功能。首先它要小巧，不能占用大量资源；其次要使用灵活，应尽量优化配置，减小对系统的整体继承性，升级更换灵活方便。

3）嵌入式软件发展趋势

进入20世纪90年代以来，以计算机技术、通信技术和软件技术为核心的信息技术取得了更加迅猛的发展，各种装备与设备上嵌入式计算与系统的广泛应用大大地推动了行业的渗透性应用。嵌入式系统被描述为：“以应用为中心、软件硬件可裁剪的、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格综合性要求的专用计算机系统”，由嵌入式硬件和嵌入式软件两部分组成。硬件是支撑，软件是灵魂，几乎所有的嵌入式产品中都需要嵌入式软件来提供灵活多样、而且应用特制的功能。由于嵌入式系统应用广泛，嵌入式软件在整个软件产业中占据了重要地位，并受到世界各国的广泛关注；如今已成为信息产业中最为耀眼的“明星”之一。

5嵌入式系统的特点

系统内核小。

由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有

限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如Enea公司的OSE分布式系统，内核只有5K。 专用性强。

嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧

密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改。 系统精简。

嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其

功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。

高实时性的系统软件是嵌入式软件的基本要求。

而且软件要求固态存储，以提高速度；软件代码要求高质量和高

可靠性。

嵌入式软件开发标准化。

嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但

是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS（Real－Time Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保

障软件质量。

嵌入式系统开发需要开发工具和环境。

由于其本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。

6嵌入式系统发展趋势

6.1 系统化

嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持。随着互联网技术的成熟、带宽的提高，网上信息日趋丰富，应用项目多种多样，像手机、掌上电脑等嵌入式设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足功能的不断升级，设计师一方面要采用更强大的嵌入式处理器如32 位、64 位RISC 芯片或信号处理器DSP 增强处理能力；同时还要采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术，简化应用程序设计，保障软件质量和缩短开发周期。目前，国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的有Windriver，Microsoft，QNX 和Nuclear 等。我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科银(CoreTek)公司的嵌入式软件开发平台DeltaSystem，它不仅包括DeltaCore 嵌入式实时操作系统，而且还包括LamdaTools 交叉开发工具套件、测试工具、应用组件等；此外，中科院也推出了Hopen

嵌入式操作系统。 6.2 开源化

随着嵌入式Linux 系统的产生，越来越多的嵌入式产品采用开源嵌入式操作体统。由于Linux 系统本身所具备的特点，使得开源嵌入式操作系统很容易推广并且得到不断的完善。相信不久的将来，开源的完善的嵌入式系统会在嵌入式系统应用中占据更重要的地位。 6.3 人性化

嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，原因是它们具有与使用者之间的亲和力和自然的人机交互界面。人们与信息终端交互要求以GU I 屏幕为中心的多媒体界面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形图像处理已经取得初步成效。目前一些先进的PDA 在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，但离掌式语言同声翻译还有一定的距离。相信随着科技的进步和用户需求的进一步提高，这方面会在不久的将来得到完善。 6.4 节能化

随着嵌入式产品设计者提高了对嵌入式软件设计技术的要求，如选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用Java 编程模式，优化编译器性能等。可以降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片，从而使得嵌入式产品支持小型电子设备，实现小尺寸、微功耗和低成本。

6.5 网络化

与互联网相连已成为必然趋势。为适应嵌入式分布处理需求，面

向21 世纪的嵌入式系统要求配备标准的网络通信接口。针对联网要求，嵌入设备必须配有通信接口，相应需要TCP / IP 协议软件支持；由于家用电器相互关联(如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息)及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394，USB，CAN，Bluetooth 或IrDA通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式，如Web 或无线Web编程模式，还需要相应的浏览器，如HTML，WML 等。

7嵌入式系统的各种社会应用

7.1嵌入式系统技术在医学领域的应用

嵌入式系统在医疗仪器中的应用是医疗仪器设备的最新发展趋势。越来越多的好消息出现在医疗仪器设备领域。近期,德国、澳大利亚都分别明确表示要在儿童医疗和全民医疗领域加大投入。而我国和墨西哥这样的发展中人口大国也将继续备受世人瞩目的医疗改革。这些政府级别的投入将增加全社会对医疗仪器设备的需求。随着生活水平的不断提高,人们对于自身健康的关注也提升到一个前所未有的高度。今天,越来越多的高科技手段开始运用到医疗仪器的设计中[15]。心电图、脑电图等生理参数检测设备,各类型的监护仪器、超声波、X射线成影设备、核磁共振仪器以及各式各样的物理治疗仪都开始在各地医院广泛使用。远程医疗、病人呼叫中心、数字化

医院等先进理念的出现和应用,使医院的管理比以往任何时候都更加

完善和高效,同时病人享受到更加快捷方便和人性化的服务 图3 医疗设备

嵌入式系统已经大量的应用于医疗设备方面,如CT、磁共振、加速器等大型设备;彩超、经颅多普勒、动态心电、脑电、心电等电子

设备;全自动生化分析系统及免疫测试系统等检测设备,以及心脏起搏器、手术室的呼吸麻醉监控系统,药剂控制及配药系统等方面。

在医疗仪器的设计方面,有3个设计策略非常重要:

(1)采用模块化设计方法,采用这种方法可以在基本的平台上设计出不同型号的产品;

(2)背板设计方法,每个大系统一般都会有背板,上面可以插入很多不同的板,它可以使系统的速度很快;

(3)便携产品。由于嵌入式系统具有的特点,上述医疗仪器设计策略都可以采用嵌入式系统实现。

7.2军用嵌入式计算机发展的趋势

由于科技的高速发展和在军事领域的重要作用，嵌入式计算机的发展

趋势主要呈现以下几个特点：

1）体积更小、重量更轻、性能更高。未来部队装备转型将趋于轻型化和微型化，易于部署，因此嵌入式计算机在武器装备里面能够利用的空间是十分有限的。这就要求设计者必须减小嵌入式计算机的体积，减轻其重量，同时必须不断提高其性能来满足日益增长的需要。

2）实现武器装备的网络化。未来战争将会是网络化的战争，无论是在外层空间，还是天地一体化联网，最终都将通过信息手段实现嵌入式计算机联

网。嵌入计算机联网后，在战场侦察，环境监控，人员与装备定位及

部队防护等方面要比目前的计算机强大得多。 图4 军品级的解决方案

3）武器装备更加智能化。美军目前推广的通用访问卡，就是使用嵌入式计算机芯片的智能识别卡，能够对访问军用计算机网络和系统的人员进行识别和授权，嵌入式计算机将更加智能化和自动化。 4）是软件功能将会更加强大未来嵌入式软件的功能将越来越强大，执行的功能将越来越多。

7.3嵌入式应用在汽车与电力系统电源管理技术

随着基于cpu的汽车电子设备要求电源提供更多变化电压、更低电压和更强的功能, 电源管理变得越来越重要, 对电源管理要求也

在不断发生着变化。汽车电子设备的显示屏变得更大, 分辨率变得更高, 但是与此同时它们的体积却更小。所有这些新兴应用都将需要高集成度、高性能和高效率的电源管理。车载电源在延长便携式设备电池使用时间的同时,还需要尽量

消除汽车开关电源对敏感电路的干扰。

电力系统中, 变电站点多面广, 同时为适应减员增效和现代化管理的要求, 很大一部分变电站都是无人值班变电站, 也为基于嵌入式网络服务器的设备配置管理技术提供了良好的条件。能够大大减轻了设备运行人员的劳动, 使得设备管理部门能够及时了解变电站

运行信息, 图5 汽车的嵌入式电脑 对设备故障的处理也更加快速有效。伴随着国家电网的发展, 基于嵌入式网络服务器的设备维护将比以往基于远程拨号的维护方式更加优越。

7.4嵌入式应用在智能手机

外出时, 用手机钱包购物。旅游中, 用手机上的GPS看地图导航。都是在发达国家已经成型的网络, 这需要双模、多模手机在一个手机终端中包含多个嵌入式调制模块, 支持全世界范围内两个或两个以上的复杂空中接口标准。

虽然我国手机业发展嵌入式软件起步较晚, 但从技术上看, 比较其他软件领域, 我国嵌入式软件开发和应用与国际水平差距不大。在嵌入式手机领域, 目前还没有形成明显的垄断。嵌入式软件与手机已形成密不可分的两部分。

7.5嵌入式系统应用在高清数字电视

高清数字电视和机顶盒是信息家电领域嵌入式应用的亮点。据有关机构预测, 2007年, 中国数字电视市场将会全面启动, 至2015年, 目前的模拟网络将逐渐被数字网络取代。据估计, 到2008年, 中国有线数字电视用户规模将超过3980 万户, 以销售额计算, 包含机顶盒与数字电视机在内, 数字电视终端未来五年的市场总规模将达

到3689亿元。

1 结语

我国嵌入式行业正飞速发展, 并期待着在各种行业的深入渗透。我国具有雄厚的制造业基础, 嵌入式系统与传统的制造业结合之后有着巨大的市场空间。同时, 基于嵌入式技术的应用和技术创新, 又将推动制造业的大发展。在巨大的市场需求和新的产业契机的推动下, 嵌入式软件将成为中国软件业的一次难得的机遇。嵌入式在汽车与电力系统电源管理、高清数字电视以及数字机顶盒、智能手机和具有联网功能的智能化工业设备、终端设备等各方面的应用, 将是这次机遇中重要的切入点, 机遇与挑战并存。

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