嵌入式

嵌入式簡介

　　IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，美國電氣和電子工程師協(xié)會）對嵌入式系統(tǒng)的定義：“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置”。原文為：Devices Used to Control，Monitor or Assist the Operation of Equipment，Machinery or Plants）。嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計算機系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。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(shè)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。從應(yīng)用對象上加以定義，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。國內(nèi)普遍認同的嵌入式系統(tǒng)定義為：以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)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)。

　　嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計算機系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。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(shè)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。

　　簡單的嵌入式系統(tǒng)僅有執(zhí)行單一功能的控制能力，比如說單片機的應(yīng)用，在唯一的ROM 中僅有實現(xiàn)單一功能控制程序，無微型操作系統(tǒng)。復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，例如個人數(shù)字助理（PDA）、手持電腦（HPC）等，具有與PC幾乎一樣的功能。

　　一個嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計算機系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，嵌入式計算機系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控對象，它可以接受嵌入式計算機系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。

嵌入式百科

　　IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，美國電氣和電子工程師協(xié)會）對嵌入式系統(tǒng)的定義：“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置”。原文為：Devices Used to Control，Monitor or Assist the Operation of Equipment，Machinery or Plants）。嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計算機系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。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(shè)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。從應(yīng)用對象上加以定義，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。國內(nèi)普遍認同的嵌入式系統(tǒng)定義為：以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)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)。

　　嵌入式系統(tǒng)組成編輯一個嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計算機系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，嵌入式圖標(biāo)嵌入式計算機系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控對象，它可以接受嵌入式計算機系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。執(zhí)行裝置可以很簡單，如手機上的一個微小型的電機，當(dāng)手機處于震動接收狀態(tài)時打開；也可以很復(fù)雜，如SONY 智能機器狗，上面集成了多個微小型控制電機和多種傳感器，從而可以執(zhí)行各種復(fù)雜的動作和感受各種狀態(tài)信息。

　　硬件層硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用設(shè)備接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。在一片嵌入式處理器基礎(chǔ)上添加電源電路、時鐘電路和存儲器電路，就構(gòu)成了一個嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以固化在ROM中。（1）嵌入式微處理器嵌入式系統(tǒng)硬件層的核心是嵌入式微處理器，嵌入式微處理器與通用CPU最大的不同在于嵌入式微處理器大多工作在為特定用戶群所專用設(shè)計的系統(tǒng)中，它將通用CPU許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計時趨于小型化，同時還具有很高的效率和可靠性。嵌入式微處理器的體系結(jié)構(gòu)可以采用馮·諾依曼體系或哈佛體系結(jié)構(gòu)；指令系統(tǒng)可以選用精簡指令系統(tǒng)（Reduced Instruction Set Computer，RISC）和復(fù)雜指令系統(tǒng)CISC（Complex Instruction Set Computer，CISC）。RISC計算機在通道中只包含最有用的指令，確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令，從而提高了執(zhí)行效率并使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計變得更為簡單。嵌入式微處理器有各種不同的體系，即使在同一體系中也可能具有不同的時鐘頻率和數(shù)據(jù)總線寬度，或集成了不同的外設(shè)和接口。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界嵌入式微處理器已經(jīng)超過1000多種，體系結(jié)構(gòu)有30多個系列，其中主流的體系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但與全球PC市場不同的是，沒有一種嵌入式微處理器可以主導(dǎo)市場，僅以32位的產(chǎn)品而言，就有100種以上的嵌入式微處理器。嵌入式微處理器的選擇是根據(jù)具體的應(yīng)用而決定的。（2）存儲器嵌入式系統(tǒng)需要存儲器來存放和執(zhí)行代碼。嵌入式系統(tǒng)的存儲器包含Cache、主存和輔助存儲器。1、CacheCache是一種容量小、速度快的存儲器陣列它位于主存和嵌入式微處理器內(nèi)核之間，存放的是一段時間微處理器使用最多的程序代碼和數(shù)據(jù)。在需要進行數(shù)據(jù)讀取操作時，微處理器盡可能的從Cache中讀取數(shù)據(jù)，而不是從主存中讀取，這樣就大大改善了系統(tǒng)的性能，提高了微處理器和主存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。Cache的主要目標(biāo)就是：減小存儲器（如主存和輔助存儲器）給微處理器內(nèi)核造成的存儲器訪問瓶頸，使處理速度更快，實時性更強。在嵌入式系統(tǒng)中Cache全部集成在嵌入式微處理器內(nèi)，可分為數(shù)據(jù)Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的大小依不同處理器而定。一般中高檔的嵌入式微處理器才會把Cache集成進去。2、主存主存是嵌入式微處理器能直接訪問的寄存器，用來存放系統(tǒng)和用戶的程序及數(shù)據(jù)。它可以位于微處理器的內(nèi)部或外部，其容量為256KB~1GB，根據(jù)具體的應(yīng)用而定，一般片內(nèi)存儲器容量小，速度快，片外存儲器容量大。常用作主存的存儲器有：ROM類：NOR Flash、EPROM和PROM等。RAM類：SRAM、DRAM和SDRAM等。其中NOR Flash 憑借其可擦寫次數(shù)多、存儲速度快、存儲容量大、價格便宜等優(yōu)點，在嵌入式領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。3、輔助存儲器輔助存儲器用來存放大數(shù)據(jù)量的程序代碼或信息，它的容量大、但讀取速度與主存相比就慢的很多，用來長期保存用戶的信息。嵌入式系統(tǒng)中常用的外存有：硬盤、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等。（3）通用設(shè)備接口和I/O接口嵌入式系統(tǒng)和外界交互需要一定形式的通用設(shè)備接口，如A/D、D/A、I/O等，外設(shè)通過和片外其他設(shè)備的或傳感器的連接來實現(xiàn)微處理器的輸入/輸出功能。每個外設(shè)通常都只有單一的功能，它可以在芯片外也可以內(nèi)置芯片中。外設(shè)的種類很多，可從一個簡單的串行通信設(shè)備到非常復(fù)雜的802.11無線設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)中常用的通用設(shè)備接口有A/D（模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口）、D/A（數(shù)/模轉(zhuǎn)換接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太網(wǎng)接口）、USB（通用串行總線接口）、音頻接口、VGA視頻輸出接口、I2C（現(xiàn)場總線）、SPI（串行外圍設(shè)備接口）和IrDA（紅外線接口）等。

　　中間層硬件層與軟件層之間為中間層，也稱為硬件抽象層（Hardware Abstract Layer，HAL）或板級支持包（Board Support Package，BSP），它將系統(tǒng)上層軟件與底層硬件分離開來，使系統(tǒng)的底層驅(qū)動程序與硬件無關(guān)，上層軟件開發(fā)人員無需關(guān)心底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP 層提供的接口即可進行開發(fā)。該層一般包含相關(guān)底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作和硬件設(shè)備的配置功能。BSP具有以下兩個特點。硬件相關(guān)性：因為嵌入式實時系統(tǒng)的硬件環(huán)境具有應(yīng)用相關(guān)性，而作為上層軟 件與硬件平臺之間的接口，BSP需要為操作系統(tǒng)提供操作和控制具體硬件的方法。操作系統(tǒng)相關(guān)性：不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu)，因此，不同的操作系統(tǒng)具有特定的硬件接口形式。實際上，BSP是一個介于操作系統(tǒng)和底層硬件之間的軟件層次，包括了系統(tǒng)中大部分與硬件聯(lián)系緊密的軟件模塊。設(shè)計一個完整的BSP需要完成兩部分工作：嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化以及BSP功能，設(shè)計硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動。［1］ ［2］

　　系統(tǒng)特點編輯1）可裁剪性。支持開放性和可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)。2）強實時性。EOS實時性一般較強，可用于各種設(shè)備控制中。3）統(tǒng)一的接口。提供設(shè)備統(tǒng)一的驅(qū)動接口。4）操作方便、簡單、提供友好的圖形GUI和圖形界面，追求易學(xué)易用。提供強大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持TCP/IP協(xié)議及其他協(xié)議，提供TCP/UDP/IP/PPP協(xié)議支持及統(tǒng)一的MAC訪問層接口，為各種移動計算設(shè)備預(yù)留接口。5）強穩(wěn)定性，弱交互性。嵌入式系統(tǒng)一旦開始運行就不需要用戶過多的干預(yù)、這就要負責(zé)系統(tǒng)管理的EOS具有較強的穩(wěn)定性。嵌入式操作系統(tǒng)的用戶接口一般不提供操作命令，它通過系統(tǒng)的調(diào)用命令向用戶程序提供服務(wù)。6）固化代碼。在嵌入式系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件被固化在嵌入式系統(tǒng)計算機的ROM中。7）更好的硬件適應(yīng)性，也就是良好的移植性。8）嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機地結(jié)合在一起，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行，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。［2］

　　解決方案編輯基于嵌入式系統(tǒng)的RFID手持機系統(tǒng)方案在基于嵌入式系統(tǒng)的RFID 手持機系統(tǒng)設(shè)計中，以微處理器LPC2142 為主控制器，根據(jù)系統(tǒng)的需求外擴了SRAM、Flash、SD 卡、鍵盤、LCD 顯示、聲響提示進行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、人機交互以及出錯報警提示，通過USB 接口可以與主機進行數(shù)據(jù)通信，背光模塊可以為LCD 和鍵盤提供背光，電壓檢測模塊通過核心處理器的A/D 轉(zhuǎn)換器進行電池電壓的檢測，從而間接檢測出電池的剩余電量，RF 模塊能夠進行讀寫器與標(biāo)簽之間射頻信號的收發(fā)，通過JTAG 接口可以進行程序的調(diào)試與下載。電源部分可以為系統(tǒng)中需要電源的各個模塊提供電源，這是本文設(shè)計的重點內(nèi)容。嵌入式智能平臺在醫(yī)療儀器行業(yè)的應(yīng)用方案“EVOC”嵌入式智能平臺在醫(yī)療儀器行業(yè)的應(yīng)用。系統(tǒng)一般由多臺監(jiān)護儀和一臺中央護士工作站組成，監(jiān)護儀采用“EVOC”104-1541CLDN型全功能嵌入式工業(yè)主板為核心操作平臺。該主板僅有手掌的一半大小，板上集成了超低功耗的NS GX 300MHz CPU處理芯片、 SDRAM、CRT/LCD控制、10/100Mbps網(wǎng)絡(luò)接口、Compact Flash、IDE、FDD、兩串一并、二個USB、一個115Kbps IrDA紅外接口、1~255秒可編程看門狗定時器、PS2 鍵盤和鼠標(biāo)，支持國內(nèi)醫(yī)療行業(yè)最通用的PC/104接口，系統(tǒng)通過該接口擴展的用戶板完成包括血壓、血氧、體溫、呼吸等一系列傳感探測器的信號采集，進行實時處理，最后結(jié)果可經(jīng)由多種形式輸出。該平臺支持高精度LCD和VGA兩種顯示模式，在板視頻最大分辨率可達1024*768，支持通用的熱敏打印接口，并可通過標(biāo)準(zhǔn)串口與中央護士工作站相互通訊。在平臺操作系統(tǒng)的選擇方面，我們給予客戶更多的自由度，打破了傳統(tǒng)多參數(shù)儀僅支持單一DOS操作系統(tǒng)的局限，以提供更加靈活廣泛的應(yīng)用模式。［2］

　　系統(tǒng)初始化編輯系統(tǒng)初始化過程可以分為3個主要環(huán)節(jié)，按照自底向上、從硬件到軟件的次序依次為：片級初始化、板級初始化和系統(tǒng)級初始化。

　　片級完成嵌入式微處理器的初始化，包括設(shè)置嵌入式微處理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微處理器核心工作模式和嵌入式微處理器的局部總線模式等。片級初始化把嵌入式微處理器從上電時的默認狀態(tài)逐步設(shè)置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。這是一個純硬件的初始化過程。

　　板級完成嵌入式微處理器以外的其他硬件設(shè)備的初始化。另外，還需設(shè)置某些軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，為隨后的系統(tǒng)級初始化和應(yīng)用程序的運行建立硬件和軟件環(huán)境。這是一個同時包含軟硬件兩部分在內(nèi)的初始化過程。

　　系統(tǒng)該初始化過程以軟件初始化為主，主要進行操作系統(tǒng)的初始化。BSP將對嵌入式微處理器的控制權(quán)轉(zhuǎn)交給嵌入式操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)完成余下的初始化操作，包含加載和初始化與硬件無關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序，建立系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)，加載并初始化其他系統(tǒng)軟件模塊，如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、文件系統(tǒng)等。最后，操作系統(tǒng)創(chuàng)建應(yīng)用程序環(huán)境，并將控制權(quán)交給應(yīng)用程序的入口。［2］

　　系統(tǒng)軟件編輯系統(tǒng)軟件層由實時多任務(wù)操作系統(tǒng)（Real-time Operation System，RTOS）、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口（Graphic User Interface，GUI）、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺。

　　EOS嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded Operation System，EOS）是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，過去它主要應(yīng)用于工業(yè)控制和國防系統(tǒng)領(lǐng)域。EOS負責(zé)嵌入系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動。它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統(tǒng)所要求的功能。已推出一些應(yīng)用比較成功的EOS產(chǎn)品系列。隨著Internet技術(shù)的發(fā)展、信息家電的普及應(yīng)用及EOS的微型化和專業(yè)化，EOS開始從單一的弱功能向高專業(yè)化的強功能方向發(fā)展。嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點。EOS是相對于一般操作系統(tǒng)而言的，它除具有了一般操作系統(tǒng)最基本的功能，還有以下功能：如任務(wù)調(diào)度、同步機制、中斷處理、文件處理等。

　　文件系統(tǒng)通用操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)通常具有以下功能：提供用戶對文件操作的命令。提供用戶共享文件的機制。管理文件的存儲介質(zhì)。提供文件的存取控制機制，保障文件及文件系統(tǒng)的安全性。提供文件及文件系統(tǒng)的備份和恢復(fù)功能。提供對文件的加密和解密功能。嵌入式文件系統(tǒng)比較簡單，主要提供文件存儲、檢索和更新等功能，一般不提供保護和加密等安全機制。它以系統(tǒng)調(diào)用和命令方式提供文件的各種操作，主要有：設(shè)置、修改對文件和目錄的存取權(quán)限。提供建立、修改、改變和刪除目錄等服務(wù)。提供創(chuàng)建、打開、讀寫、關(guān)閉和撤銷文件等服務(wù)。文件系統(tǒng)的特點：1）兼容性。嵌入式文件系統(tǒng)通常支持幾種標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)，如FAT32、JFFS2、YAFFS等。2）實時文件系統(tǒng)。除支持標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)外，為提高實時性，有些嵌入式文件系統(tǒng)還支持自定義的實時文件系統(tǒng)，這些文件系統(tǒng)一般采用連續(xù)的方式存儲文件。3）可裁剪、可配置。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的要求選擇所需的文件系統(tǒng)，選擇所需的存儲介質(zhì)，配置可同時打開的最大文件數(shù)等。4）支持多種存儲設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)的外存形式多樣了，嵌入式文件系統(tǒng)需方便的掛接不同存儲設(shè)備的驅(qū)動程序，具有靈活的設(shè)備管理能力。同時根據(jù)不同外部存儲器的特點，嵌入式文件系統(tǒng)還需要考慮其性能、壽命等因素，發(fā)揮不同外存的優(yōu)勢，提高存儲設(shè)備的可靠性和使用性。

　　圖形接口GUI的廣泛應(yīng)用是當(dāng)今計算機發(fā)展的重大成就之一，他極大地方便了非專業(yè)用戶的使用人們從此不再需要死記硬背大量的命令，取而代之的是可用用通過窗口、菜單、按鍵等方式來方便地進行操作。而嵌入式GUI具有下面幾個方面的基本要求：輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特點。嵌入式系統(tǒng)中的圖形界面，一般采用下面的幾種方法實現(xiàn)：針對特定的圖形設(shè)備輸出接口，自行開發(fā)相關(guān)的功能函數(shù)。購買針對特定嵌入式系統(tǒng)的圖形中間軟件包。采用源碼開放的嵌入式GUI系統(tǒng)。使用獨立軟件開發(fā)商提供的嵌入式GUI產(chǎn)品。

　　應(yīng)用軟件層應(yīng)用軟件層是由基于實時系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用程序組成，用來實現(xiàn)對被控對象的控制功能。功能層是要面對被控對象和用戶，為方便用戶操作，往往需要提供一個友好的人機界面。對于一些復(fù)雜的系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計的初期階段就要對系統(tǒng)的需求進行分析，確定系統(tǒng)的功能，然后將系統(tǒng)的功能映射到整個系統(tǒng)的硬件、軟件和執(zhí)行裝置的設(shè)計過程中，稱為系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。