嵌入式系統的定義與發(fā)展歷史

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

　　現代計算機的技術(shù)發(fā)展史

　　(1) 始于微型機時(shí)代的嵌入式應用

　　電子數字計算機誕生于1946年，在其后漫長(cháng)的歷史進(jìn)程中，計算機始終是供養在特殊的機房中，實(shí)現數值計算的大型昂貴設備。直到20世紀70年代，微處理器的出現，計算機才出現了歷史性的變化。以微處理器為核心的微型計算機以其小型、價(jià)廉、高可靠性特點(diǎn)，迅速走出機房;基于高速數值解算能力的微型機，表現出的智能化水平引起了控制專(zhuān)業(yè)人士的興趣，要求將微型機嵌入到一個(gè)對象體系中，實(shí)現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成自動(dòng)駕駛儀或輪機狀態(tài)監測系統。這樣一來(lái)，計算機便失去了原來(lái)的形態(tài)與通用的計算機功能。為了區別于原有的通用計算機系統，把嵌入到對象體系中，實(shí)現對象體系智能化控制的計算機，稱(chēng)作嵌入式計算機系統。因此，嵌入式系統誕生于微型機時(shí)代，嵌入式系統的嵌入性本質(zhì)是將一個(gè)計算機嵌入到一個(gè)對象體系中去，這些是理解嵌入式系統的基本出發(fā)點(diǎn)。

　　(2) 現代計算機技術(shù)的兩大分支

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

　　通用計算機系統的技術(shù)要求是高速、海量的數值計算;技術(shù)發(fā)展方向是總線(xiàn)速度的無(wú)限提升，存儲容量的無(wú)限擴大。 而嵌入式計算機系統的技術(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進(jìn)行改裝，在大型設備中實(shí)現嵌入式應用。然而，對于眾多的對象系統(如家用電器、儀器儀表、工控單元……)，無(wú)法嵌入通用計算機系統，況且嵌入式系統與通用計算機系統的技術(shù)發(fā)展方向完全不同，因此，必須獨立地發(fā)展通用計算機系統與嵌入式計算機系統，這就形成了現代計算機技術(shù)發(fā)展的兩大分支。

　　如果說(shuō)微型機的出現，使計算機進(jìn)入到現代計算機發(fā)展階段，那么嵌入式計算機系統的誕生，則標志了計算機進(jìn)入了通用計算機系統與嵌入式計算機系統兩大分支并行發(fā)展時(shí)代，從而導致20世紀末，計算機的高速發(fā)展時(shí)期。

　　(3) 兩大分支發(fā)展的里程碑事件

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

　　嵌入式計算機系統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(dòng)員了原有的傳統電子系統領(lǐng)域的廠(chǎng)家與專(zhuān)業(yè)人士，接過(guò)起源于計算機領(lǐng)域的嵌入式系統，承擔起發(fā)展與普及嵌入式系統的歷史任務(wù)，迅速地將傳統的電子系統發(fā)展到智能化的現代電子系統時(shí)代。

　　因此，現代計算機技術(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(zhuān)業(yè)化分工，而且將發(fā)展計算機技術(shù)的任務(wù)擴展到傳統的電子系統領(lǐng)域，使計算機成為進(jìn)入人類(lèi)社會(huì )全面智能化時(shí)代的有力工具。

　　嵌入式系統的定義與特點(diǎn)

　　如果我們了解了嵌入式(計算機)系統的由來(lái)與發(fā)展，對嵌入式系統就不會(huì )產(chǎn)生過(guò)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。

　　(1) 嵌入式系統的定義

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

　　(2) 嵌入式系統的特點(diǎn)

　　嵌入式系統的特點(diǎn)與定義不同，它是由定義中的三個(gè)基本要素衍生出來(lái)的。不同的嵌入式系統其特點(diǎn)會(huì )有所差異。

　　與“嵌入性”的相關(guān)特點(diǎn)：由于是嵌入到對象系統中，必須滿(mǎn)足對象系統的環(huán)境要求，如物理環(huán)境(小型)、電氣/氣氛環(huán)境(可靠)、成本(價(jià)廉)等要求。

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

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

　　另外，在理解嵌入式系統定義時(shí)，不要與嵌入式設備相混淆。嵌入式設備是指內部有嵌入式系統的產(chǎn)品、設備，例如，內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) 嵌入式系統的種類(lèi)與發(fā)展

　　按照上述嵌入式系統的定義，只要滿(mǎn)足定義中三要素的計算機系統，都可稱(chēng)為嵌入式系統。嵌入式系統按形態(tài)可分為設備級(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，但由于嵌入式系統是一個(gè)嵌入式計算機系統，因此，只有將嵌入式處理器構成一個(gè)計算機系統，并作為嵌入式應用時(shí)，這樣的計算機系統才可稱(chēng)作嵌入式系統。

　　嵌入式系統與對象系統密切相關(guān)，其主要技術(shù)發(fā)展方向是滿(mǎn)足嵌入式應用要求，不斷擴展對象系統要求的外圍電路(如ADC、DAC、PWM、日歷時(shí)鐘、電源監測、程序運行監測電路等)，形成滿(mǎn)足對象系統要求的應用系統。因此，嵌入式系統作為一個(gè)專(zhuān)用計算機系統，要不斷向計算機應用系統發(fā)展。因此，可以把定義中的專(zhuān)用計算機系統引伸成，滿(mǎn)足對象系統要求的計算機應用系統。

　　種類(lèi)

　　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(zhuān)門(mén)設計的電路板上，且僅保留與嵌入式應用有關(guān)的母板功能，構成嵌入式系統。與通用計算機相比，其系統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、系統的可靠性等方面均有提高。

　　在EMPU中，微處理器是整個(gè)系統的核心，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(chēng)單片機。它以某一種微處理器為核心，芯片內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(shí)器/計數器、看門(mén)狗、脈寬調制輸出、A/D轉換器、D/A轉換器、總線(xiàn)、總線(xiàn)邏輯等。與嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)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工業(yè)的主流。

　　嵌入式處理器

　　嵌入式數字信號處理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）對系統結構和指令進(jìn)行了特殊設計，使其適合執行 DSP算法，編譯效率高，指令執行速度也較快，在數字濾波、FFT、譜分析等方面，DSP算法已廣泛應用于嵌入式領(lǐng)域，DSP應用正從在單片機中以普通指令實(shí)現DSP功能，過(guò)渡到采用EDSP。

　　嵌入式片上系統

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

　　軟件體系

　　嵌入式系統的軟件體系是面向嵌入式系統特定的硬件體系和用戶(hù)要求而設計的，是嵌入式系統的重要組成部分，是實(shí)現嵌入式系統功能的關(guān)鍵。嵌入式系統軟件的特征包括：（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）操作系統軟件實(shí)時(shí)性強。

　　嵌入式系統軟件體系和通用計算機軟件體系類(lèi)似，分成驅動(dòng)層、操作系統層、中間件層和應用層等四層，各有其特點(diǎn)。

　　驅動(dòng)層

　　驅動(dòng)層是直接與硬件打交道的一層，它為操作系統和應用提供硬件驅動(dòng)或底層核心支持。在嵌入式系統中，驅動(dòng)程序有時(shí)也稱(chēng)為板級支持包(BSP)。BSP具有在嵌入式系統上電后初始化系統的基本硬件環(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(shí)器等。驅動(dòng)層--般可以有三種類(lèi)型的程序，即板級初始化程序、標準驅動(dòng)程序和應用驅動(dòng)程序。

　　操作系統層

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

　　中間件層

　　中間件是用于幫助和支持應用軟件開(kāi)發(fā)的軟件，通常包括數據庫、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、圖形支持及相應開(kāi)發(fā)工具等，例如：MySQL、TCP/IP、GU1等都屬于這一類(lèi)軟件。

　　應用層

　　嵌入式應用軟件是針對特定應用領(lǐng)域，用來(lái)實(shí)現用戶(hù)預期目標的軟件。嵌入式應用軟件和普通應用軟件有一定的區別，它不僅要求在準確性、安全性和穩定性等方面能夠滿(mǎn)足實(shí)際應用的需要，而且還要盡可能地進(jìn)行優(yōu)化，以減少對系統資源的消耗，降低硬件成本。嵌入式系統中的應用軟件是最活躍的力量，每種應用軟件均有特定的應用背景。盡管規模較小，但專(zhuān)業(yè)性較強，所以嵌入式應用軟件不像操作系統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

　　嵌入式系統是通過(guò)把CPU嵌入目標系統或被控系統中起作用的。但是在不同的嵌入式系統中，嵌入的形式和程度是各不相同的。根據嵌入式系統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(或其核心功能)可以不依賴(lài)于通用計算機系統，即可單獨工作，典型實(shí)例有手機、MP4、車(chē)載GPS導航系統等。采用全嵌入方式的嵌入式系統有如下特點(diǎn)。

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

　　(2)高端CPU支持嵌入式操作系統，可以開(kāi)發(fā)功能復雜的應用程序。

　　(3)一般為便攜式手持式設備，其工作環(huán)境一般是無(wú)人值守、移動(dòng)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，由系統自行設計轉換和穩壓電路。較高端的設備往往會(huì )把兩種供電方式結合起來(lái)，讓用戶(hù)使用起來(lái)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(chǎng)合，如消費電子、家用電器、通信網(wǎng)絡(luò )設備、工業(yè)控制、智能儀器、戰場(chǎng)電子對抗、航天航空武器等，其應用范圍十分廣泛。

　　半嵌入方式

　　如果采用半嵌入方式，則嵌入式系統(或其核心功能)需要和通用計算機系統結合起來(lái)才能正常工作，典型實(shí)例有醫用B超系統、基于PCI卡的數據采集系統等。采用半嵌入方式的嵌入式系統有如下特點(diǎn)。

　　(1)一般沒(méi)有獨立的處理器，而是借用通用計算機系統的CPU完成計算和/或控制功能;有時(shí)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的功能。

　　(2)嵌入式系統只是整個(gè)系統的一部分，只能完成整個(gè)系統的一部分功能，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據處理能力。

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

　　(4)嵌入式系統一般采用各種規范的總線(xiàn)形式和通用計算機相連接。典型的實(shí)例有PCI總線(xiàn)、USB總線(xiàn)等，簡(jiǎn)單的嵌入式系統還可以通過(guò)串口來(lái)連接。

　　(5)嵌入式系統是作為外設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的標準驅動(dòng)程序。

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