什么是嵌入式系統(tǒng)？

什么是嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)（Embedded system），是一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應用而設計的專用計算機系統(tǒng)”，根據(jù)英國電氣工程師協(xié)會（ U.K. Institution of Electrical Engineer）的定義，嵌入式系統(tǒng)為控制、監(jiān)視或輔助設備、機器或用于工廠運作的設備。

與個人計算機這樣的通用計算機系統(tǒng)不同，嵌入式系統(tǒng)通常執(zhí)行的是帶有特定要求的預先定義的任務。由于嵌入式系統(tǒng)只針對一項特殊的任務，設計人員能夠?qū)λM行優(yōu)化，減小尺寸降低成本。嵌入式系統(tǒng)通常進行大量生產(chǎn)，所以單個的成本節(jié)約，能夠隨著產(chǎn)量進行成百上千的放大。[1]

嵌入式系統(tǒng)的核心是由一個或幾個預先編程好以用來執(zhí)行少數(shù)幾項任務的微處理器或者單片機組成。與通用計算機能夠運行用戶選擇的軟件不同，嵌入式系統(tǒng)上的軟件通常是暫時不變的；所以經(jīng)常稱為“固件”。

國內(nèi)普遍認同的嵌入式系統(tǒng)定義為：以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。[3]

嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應用的，它必須與具體應用相結(jié)合才會具有生命力、才更具有優(yōu)勢。因此可以這樣理解上述三個面向的含義，即嵌入式系統(tǒng)是與應用緊密結(jié)合的，它具有很強的專用性，必須結(jié)合實際系統(tǒng)需求進行合理的裁減利用。

◆嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導體技術(shù)和電子技術(shù)和各個行業(yè)的具體應用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點就決定了它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。所以，介入嵌入式系統(tǒng)行業(yè)，必須有一個正確的定位。例如Palm之所以在PDA領(lǐng)域占有70%以上的市場，就是因為其立足于個人電子消費品，著重發(fā)展圖形界面和多任務管理；而風河的Vxworks之所以在火星車上得以應用，則是因為其高實時性和高可靠性。

◆嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應用需求對軟硬件進行裁剪，滿足應用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以，如果能建立相對通用的軟硬件基礎(chǔ)，然后在其上開發(fā)出適應各種需要的系統(tǒng)，是一個比較好的發(fā)展模式。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個只有幾K到幾十K微內(nèi)核，需要根據(jù)實際的使用進行功能擴展或者裁減，但是由于微內(nèi)核的存在，使得這種擴展能夠非常順利的進行。

實際上，嵌入式系統(tǒng)本身是一個外延極廣的名詞，凡是與產(chǎn)品結(jié)合在一起的具有嵌入式特點的控制系統(tǒng)都可以叫嵌入式系統(tǒng)，而且有時很難以給它下一個準確的定義。現(xiàn)在人們講嵌入式系統(tǒng)時，某種程度上指近些年比較熱的具有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，本文在進行分析和展望時，也沿用這一觀點。

一般而言，嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)架可以分成四個部分：處理器、存儲器、輸入輸出（I/O）和軟件（由于多數(shù)嵌入式設備的應用軟件和操作系統(tǒng)都是緊密結(jié)合的，在這里我們對其不加區(qū)分，這也是嵌入式系統(tǒng)和一般的PC操作系統(tǒng)的最大區(qū)別）。

嵌入式系統(tǒng)（Embedded system），是一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應用而設計的專用計算機系統(tǒng)”，根據(jù)英國電氣工程師協(xié)會（ U.K. Institution of Electrical Engineer）的定義，嵌入式系統(tǒng)為控制、監(jiān)視或輔助設備、機器或用于工廠運作的設備。與個人計算機這樣的通用計算機系統(tǒng)不同，嵌入式系統(tǒng)通常執(zhí)行的是帶有特定要求的預先定義的任務。由于嵌入式系統(tǒng)只針對一項特殊的任務，設計人員能夠?qū)λM行優(yōu)化，減小尺寸降低成本。嵌入式系統(tǒng)通常進行大量生產(chǎn)，所以單個的成本節(jié)約，能夠隨著產(chǎn)量進行成百上千的放大。

嵌入式系統(tǒng)是用來控制或者監(jiān)視機器、裝置、工廠等大規(guī)模設備的系統(tǒng)。國內(nèi)普遍認同的嵌入式系統(tǒng)定義為：以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。通常，嵌入式系統(tǒng)是一個控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實上，所有帶有數(shù)字接口的設備，如手表、微波爐、錄像機、汽車等，都使用嵌入式系統(tǒng)，有些嵌入式系統(tǒng)還包含操作系統(tǒng)，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是由單個程序?qū)崿F(xiàn)整個控制邏輯。

嵌入式系統(tǒng)的核心是由一個或幾個預先編程好以用來執(zhí)行少數(shù)幾項任務的微處理器或者單片機組成。與通用計算機能夠運行用戶選擇的軟件不同，嵌入式系統(tǒng)上的軟件通常是暫時不變的；所以經(jīng)常稱為“固件”。

歷史發(fā)展

從20世紀七十年代單片機的出現(xiàn)到各式各樣的嵌入式微處理器，微控制器的大規(guī)模應用，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有了近30年的發(fā)展歷史。

嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)最初是基于單片機的。70年代單片機的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)機器、通信裝置以及成千上萬種產(chǎn)品可以通過內(nèi)嵌電子裝置來獲得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。這些裝置已經(jīng)初步具備了嵌入式的應用特點，但是這時的應用只是使用8位的芯片，執(zhí)行一些單線程的程序，還談不上“系統(tǒng)”的概念。

最早的單片機是Intel公司的 8048，它出現(xiàn)在1976年。Motorola同時推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，這些早期的單片機均含有256字節(jié)的RAM、4K的ROM、4 個8位并口、1個全雙工串行口、兩個16位定 時 器。之后在80年代初，Intel又進一步完善了8048，在它的基礎(chǔ)上研制成功了8051，這在單片機的歷史上是值得紀念的一頁，迄今為止，51系列的單片機仍然是最為成功的單片機芯片，在各種產(chǎn)品中有著非常廣泛的應用。

從80年代早期開始，嵌入式系統(tǒng)的程序員開始用商業(yè)級的“操作系統(tǒng)”編寫嵌入式應用軟件，這使得可以獲取更短的開發(fā)周期，更低的開發(fā)資金和更高的開發(fā)效率，“嵌入式系統(tǒng)”真正出現(xiàn)了。確切點說，這個時候的操作系統(tǒng)是一個實時核，這個實時核包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，包括任務管理、任務間通訊、同步與相互排斥、中斷支持、內(nèi)存管理等功能。

其中比較著名的有Ready System 公司的VRTX、Integrated System Incorporation (ISI)的PSOS和IMG的VxWorks、QNX公司的QNX 等。這些嵌入式操作系統(tǒng)都具有嵌入式的典型特點：它們均采用占先式的調(diào)度，響應的時間很短，任務執(zhí)行的時間可以確定；系統(tǒng)內(nèi)核很小，具有可裁剪，可擴充和可移植性，可以移植到各種處理器上；較強的實時和可靠性，適合嵌入式應用。這些嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得應用開發(fā)人員得以從小范圍的開發(fā)解放出來，同時也促使嵌入式有了更為廣闊的應用空間。

90年代以后，隨著對實時性要求的提高，軟件規(guī)模不斷上升，實時核逐漸發(fā)展為實時多任務操作系統(tǒng)（RTOS），并作為一種軟件平臺逐步成為目前國際嵌入式系統(tǒng)的主流。這時候更多的公司看到了嵌入式系統(tǒng)的廣闊發(fā)展前景，開始大力發(fā)展自己的嵌入式操作系統(tǒng)。除了上面的幾家老牌公司以外，還出現(xiàn)了Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，Nucleux，以及國內(nèi)的Hopen，Delta Os等嵌入式操作系統(tǒng)。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展前景日益廣闊，相信會有更多的嵌入式操作系統(tǒng)軟件出現(xiàn)。

特點

嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應用的，它必須與具體應用相結(jié)合才會具有生命力、才更具有優(yōu)勢。因此可以這樣理解上述三個面向的含義，即嵌入式系統(tǒng)是與應用緊密結(jié)合的，它具有很強的專用性，必須結(jié)合實際系統(tǒng)需求進行合理的裁減利用。

◆嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導體技術(shù)和電子技術(shù)和各個行業(yè)的具體應用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點就決定了它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。所以，介入嵌入式系統(tǒng)行業(yè)，必須有一個正確的定位。例如Palm之所以在PDA領(lǐng)域占有70%以上的市場，就是因為其立足于個人電子消費品，著重發(fā)展圖形界面和多任務管理；而風河的Vxworks之所以在火星車上得以應用，則是因為其高實時性和高可靠性。

◆嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應用需求對軟硬件進行裁剪，滿足應用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以，如果能建立相對通用的軟硬件基礎(chǔ)，然后在其上開發(fā)出適應各種需要的系統(tǒng)，是一個比較好的發(fā)展模式。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個只有幾K到幾十K微內(nèi)核，需要根據(jù)實際的使用進行功能擴展或者裁減，但是由于微內(nèi)核的存在，使得這種擴展能夠非常順利的進行。

實際上，嵌入式系統(tǒng)本身是一個外延極廣的名詞，凡是與產(chǎn)品結(jié)合在一起的具有嵌入式特點的控制系統(tǒng)都可以叫嵌入式系統(tǒng)，而且有時很難以給它下一個準確的定義?，F(xiàn)在人們講嵌入式系統(tǒng)時，某種程度上指近些年比較熱的具有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，本文在進行分析和展望時，也沿用這一觀點。

一般而言，嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)架可以分成四個部分：處理器、存儲器、輸入輸出（I/O）和軟件（由于多數(shù)嵌入式設備的應用軟件和操作系統(tǒng)都是緊密結(jié)合的，在這里我們對其不加區(qū)分，這也是嵌入式系統(tǒng)和一般的PC操作系統(tǒng)的最大區(qū)別）。

這些年來掀起了嵌入式系統(tǒng)應用熱潮的原因主要有幾個方面：一是芯片技術(shù)的發(fā)展，使得單個芯片具有更強的處理能力，而且使集成多種接口已經(jīng)成為可能，眾多芯片生產(chǎn)廠商已經(jīng)將注意力集中在這方面。另一方面的原因就是應用的需要，由于對產(chǎn)品可靠性、成本、更新?lián)Q代要求的提高，使得嵌入式系統(tǒng)逐漸從純硬件實現(xiàn)和使用通用計算機實現(xiàn)的應用中脫穎而出，成為近年來令人關(guān)注的焦點。

從上面的定義，我們可以看出嵌入式系統(tǒng)的幾個重要特征：

1．系統(tǒng)內(nèi)核小。由于嵌入式系統(tǒng)一般是應用于小型電子裝置的，系統(tǒng)資源相對有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。比如Enea公司的OSE分布式系統(tǒng)，內(nèi)核只有5K，而Windows的內(nèi)核？簡直沒有可比性。

2．專用性強。嵌入式系統(tǒng)的個性化很強，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對硬件進行系統(tǒng)的移植，即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進行修改。同時針對不同的任務，往往需要對系統(tǒng)進行較大更改，程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結(jié)合，這種修改和通用軟件的“升級”是完全兩個概念。

3．系統(tǒng)精簡。嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(tǒng)軟件和應用軟件的明顯區(qū)分，不要求其功能設計及實現(xiàn)上過于復雜，這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，同時也利于實現(xiàn)系統(tǒng)安全。

4．高實時性的系統(tǒng)軟件(OS)是嵌入式軟件的基本要求。而且軟件要求固態(tài)存儲，以提高速度；軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性。

5．嵌入式軟件開發(fā)要想走向標準化，就必須使用多任務的操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的應用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運行；但是為了合理地調(diào)度多任務、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTOS（Real－Time Operating System）開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保障軟件質(zhì)量。

6．嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境。由于其本身不具備自舉開發(fā)能力，即使設計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計算機上的軟硬件設備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。開發(fā)時往往有主機和目標機的概念，主機用于程序的開發(fā)，目標機作為最后的執(zhí)行機，開發(fā)時需要交替結(jié)合進行。

7.嵌入式系統(tǒng)與具體應用有機結(jié)合在一起，升級換代也是同步進行。因此，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場，具有較長的生命周期。

8.為了提高運行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片中。