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嵌入式系统基础知识讲座
徐荣峰
一、嵌入式系统的定义及体系结构
(一)嵌入式系统概述
计算机的基本概念 嵌入式系统 (Embedded system) 也
称嵌入式计算机系统 .顾名思义 , 嵌入式系统是计 算机的一种
特殊形式 , 所以在理解嵌入式系统概念前 , 必须先明确计算机
的基本概念 . 计算机是能按照指令对各种数据进行自动加工
处理的电子设备 , 一套完整的计算机系 统包括硬件和软件两
个部分 . 软件是指令与数据的集合 , 而硬件则是执行指令和处
理数据 的环境平台 , 是那些看得见 , 摸得着的部件 . 计算机
的硬件系统主要由中央处理器 (CPU) , 存储器 ,外部设备以
及连接各个部分的计算机总线组成 .
(二)嵌入式系统定义
嵌入式系统是以应用为中心 ,计算机技术为基础 ,软 ,硬件
可剪裁 , 适应应用系统对功能 , 可靠性 , 成本 , 体积 , 功耗严格要
求的专用计算机系统 . 上述定义较好地描述了嵌入式系统各
方面的特征 , 不同的应用对计算机的有不同的需求 , 嵌入式计
算机在满足应用对功能和性能需求的前提下 ,还要适应应用
对计算机的可靠性 , 机械结构 ,功耗 ,环境适应性等方面的要求 ,
在一般情况下 ,还要尽量降低系统的成本 .简单地说 , 嵌入式系
统是为具体应用定制的专用计算机系统 , 定制过程既体现在
软件方面 , 也体现在硬件方面 .硬件上 , 针对应用 ,选择适当的芯
片 ,体系结构 ,设计满足应 用需求的接口 ,设计方便安装的机
械结构 ; 软件上则明确是否需要操作系统 , 配置适当的向是提
高嵌入性能 ,提高控制能力和控制的可靠性 ; 而通用计算机则
不同 ,其硬件功能全面 , 而且具有较强的扩充能力 ,软件上配置
标准操作 系统及其它常用系统软件与应用软件 ,发展方向是
计算速度的无限提升 , 总线带宽的无限扩展 ,存储容量的无限
扩大 . 都是计算机 ,嵌入式系统与通用计算机系统基本原理上
没有什么根本的不同 , 但因为应用目标不一样 ,嵌入式系统有
着自身的特点 :
1 、嵌入式系统具有应用针对性 . 这是嵌入式系统的一
个基本特征 , 体现这种应用针对性的首先是软件 , 软件实现特
定应用所需要的功能 , 所以嵌入式系统应用中必定配置了专
用的应用程序 ;其次是硬件 , 大多数嵌入式系统的硬件是针对
应用专门设计的 , 但也有一些标准化的嵌入式硬件模块 , 采 用
标准模块降低开发的技术难度和风险 , 缩短开发时间 , 但灵活
性不足 .
2 、嵌入式系统硬件一般对扩展能力要求不高 . 硬件上 ,
作为一种专用的计算机系统 , 功能 , 机械结构 , 安装要求比较固
定 ,所以嵌 入式系统一般没有或仅有较少的扩展能力 ; 软件上 ,
嵌入式系统往往是一个设备固定组成 部分 ,其软件功能由设
备的需求决定 ,在相对较长的生命周期里 , 一般不需要对软件
进行 改动 . 但也有一些特例 , 比如现在的手机 ,尤其是安装有
嵌入式操作系统的智能手机 ,软 件安装 , 升级比较灵活 ,但相
对桌面计算机其软件扩展能力还是相当弱 .
3 、嵌入式系统一般采用专门针对嵌入式应用设计的中
央处理器 . 这与嵌入式系统应用针对性有关 , 相对通用计算机
处理器 , 嵌入式处理器种类繁多 , 不同的嵌入式处理器功能 /
性能差异非常大 , 主频从几兆赫兹到千兆赫兹 , 引脚数量从
几个 到几百个 ,只有这种多样化才能适应千差万别的嵌入式
系统应用 .
4 、嵌入式系统中操作系统可能有也可能没有 , 且嵌入式
操作系统与桌面计算机操作系统有较大差别 . 在现代的通用
计算机中 , 没有操作系统是无法想象的 , 而在嵌入式计算机中
情况则大 不相同 . 在一个功能简单的嵌入式系统中 , 可能根本
不需要操作系统 , 直接在硬件平台上 运行应用程序 ; 而一些功
能复杂的嵌入式系统 ,可能需要支持有线 / 无线网络 ,文件系统 ,
实现灵活的多媒体功能 ,支持实时多任务处理 , 此时 , 在硬件平
台和应用软件之间增加一 个操作系统层 , 可使应用软件的设
计变得简单 ,而且便于实现更高的可靠性 ,缩短系统开 发时间 ,
使系统的研发工作变得可控 . 目前存在很多种嵌入式操作系
统 , 如 VxWorks,pSOS, 嵌入式 Linux,WinCE 等 , 这 些操作
系统功能日益完善 , 以前只在桌面通用操作系统具备的功能 ,
如网络浏览器 , HTTP 服务器 ,Word 文档阅读与编辑等 ,也可
以在嵌入式系统中实现 .但为适应嵌入式系统的 需要 ,