浅谈嵌入式系统——毕业论文

-1-1概述随着社会信息化的发展，计算机和网络已经渗透到人们日常生活的每个部分，无线通信技术也成为人们生活中必不可少的一个部分；我们每一个人基本上都拥有大小不一、形状各异、具有各种功能的、使用嵌入式技术的电子产品，比如ＭＰ３／ＭＰ４、ＰＤＡ、ＧＰＳ导航仪等小型数字化产品、智能家电、网络家电、智能手机等，都可以归类于嵌入式产品中。本文从嵌入式计算机开始，结合嵌入式系统的特点，依次讨论了嵌入式系统的发展、软硬件组成、开发流程、结构设计、应用、当前的研究方向以及将要面临的挑战。2什么是嵌入式系统嵌入式计算机是嵌入式系统的核心，我们从它的概念开始逐步深入讨论嵌入式系统。2.1嵌入式计算机随着计算机技术对其他行业的广泛渗透及与其他行业应用技术的相互结合，以应用为中心的分类方法变得更加切合实际发展，即按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将其分为通用计算机和嵌入式计算机，而通用计算机具有一般计算机的基本标准形态，通过装配不同的应用软件，以基本雷同面目出现并应用于社会的各个领域，其典型产品为ＰＣ；而非通用计算机。嵌入式计算机，是以作为嵌入式系统的核心部件的形式隐藏在各种装置、设备、产品和系统中，因此嵌入式计算机是计算机技术发展中的一种计算机存在的形式，是从计算机技术的发展中分离出来的；嵌入式计算机应用是非通用计算机的计算机应用，属于“专用计算机”应用，是嵌入式计算机与实际应用的广泛结合，是在一切可能的设备上都使用计算机，将这些设备变得更智能化、可计算化。嵌入式计算机是构成未来数字化世界的基本细胞、元素。2.2嵌入式系统嵌入式系统是以应用为中心，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。嵌入式系统一般指非ＰＣ系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器／微处理器、存储器及外设器件和Ｉ／Ｏ端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（ＯＳ）和应用程序编程；有时设计人员把这两种软件组合在一起，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。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就具备以下４个特点：对实时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内核心的执行时间减少到最低限度；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；可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器；嵌入式微处理器必须功耗很低，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，如需要功耗只有ｍＷ甚至μＷ级。浅谈嵌入式系统XXXX(宝鸡文理学院计算机科学系，宝鸡721007)摘要：随着计算机技术和电子技术的快速发展，国内嵌入式系统得到了迅猛的发展。本文结合嵌入式系统的特点，讨论了嵌入式系统的基本组成、开发、结构设计、应用、当前研究的方向以及将要面临的挑战。关键词：嵌入式；特点；组成;前景RecommendEmbeddedSystemXXXX(DepartmentofComputerScience,BaojiUniversityofArtsandSciences,Baoji721007)【Abstract】Alongwiththecomputertechnologyandelectronictechnologydevelopsrapidly.Domesticembeddedsystemhasdevelopedrapidly.Basedonthecharacteristicsoftheembeddedsystem.Discussionoftheembeddedsystemisthebasiccomposition,thedevelopment,thestructuredesign,application,thecurrentresearchdirectionandchallenge.【Keywords】embedded;trait;comprise;foreground.-2-3嵌入式系统的特点嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点：１嵌入式系统通常是面向特定应用的：嵌入式ＣＰＵ与通用型的最大不同就是嵌入式ＣＰＵ大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用ＣＰＵ中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密；２嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物，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；３嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能；４嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期；５为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中，而不是存贮于磁盘等载体中。由于嵌入式系统的运算速度和存储容量仍然存在一定程度的限制，另外由于大部分嵌入式系统必须具有较高的实时性，因此对程序的质量，特别是可靠性，有着较高的要求；６嵌入式系统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；７通用计算机的开发人员通常是计算机科学或者计算机工程方面的专业人士，而嵌入式系统开发人员却往往是各个应用领域中的专家，这就要求嵌入式系统所支持的开发工具易学、易用、可靠、高效。4嵌入式系统的组成一个嵌入式系统装置(如图1所示)一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，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。执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型的电机，当手机处于震动接收状态时打开；也可以很复杂，如SONY智能机器狗，上面集成了多个微小型控制电机和多种传感器，从而可以执行各种复杂的动作和感受各种状态信息。下面对嵌入式计算机系统的组成进行介绍。4.1硬件层硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用设备接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）,如图1所示。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。（1）嵌入式微处理器嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器与通用CPU最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将通用CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。-3-图2多执行绪嵌入式处理器嵌入式微处理器（如图2所示）的体系结构可以采用冯·诺依曼体系或哈佛体系结构；指令系统可以选用精简指令系统（ReducedInstructionSetComputer，RISC）和复杂指令系统CISC（ComplexInstructionSetComputer，CISC）。RISC计算机在通道中只包含最有用的指令，确保数据通道快速执行每一条指令，从而提高了执行效率并使CPU硬件结构设计变得更为简单。嵌入式微处理器有各种不同的体系，即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度，或集成了不同的外设和接口。据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，体系结构有30多个系列，其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但与全球PC市场不同的是，没有一种嵌入式微处理器可以主导市场，仅以32位的产品而言，就有100种以上的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。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就具备以下4个特点：①对实时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内核心的执行时间减少到最低限度；②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；③可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器；④嵌入式微处理器必须功耗很低，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，如需要功耗只有mW甚至μW级。（2）存储器嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码。嵌入式系统的存储器包含Cache、主存和辅助存储器：①CacheCache是一种容量小、速度快的存储器阵列它位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。在需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能的从Cache中读取数据，而不是从主存中读取，这样就大大改善了系统的性能，提高了微处理器和主存之间的数据传输速率。Cache的主要目标就是：减小存储器（如主存和辅助存储器）给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快，实时性更强。在嵌入式系统中Cache全部集成在嵌入式微处理器内，可分为数据Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的大小依不同处理器而定。一般中高档的嵌入式微处理器才会把Cache集成进去；②主存主存是嵌入式微处理器能直接访问的寄存器，用来存放系统和用户的程序及数据。它可以位于微处理器的内部或外部，其容量为256KB~1GB，根据具体的应用而定，一般片内存储器容量小，速度快，片外存储器容量大常用作主存的存储器有ROM类(NORFlash、EPROM和PROM等),RAM类(SRAM、DRAM和SDRAM等)。其中NORFlash凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用；③辅-4-助存储器辅助存储器用来存放大数据量的程序代码或信息，它的容量大、但读取速度与主存相比就慢的很多，用来长期保存用户的信息。嵌入式系统中常用的外存有：硬盘、NANDFlash、CF卡、MMC和SD卡等。(3)通用设备接口和I/O接口嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口，如A/D、D/A、I/O等，外设通过和片外其他设备的或传感器的连接来实现微处理器的输入/输出功能。每个外设通常都只有单一的功能，它可以在芯片外也可以内置芯片中。外设的种类很多，可从一个简单的串行通信设备到非常复杂的802.11无线设备。目前嵌入式系统中常用的通用设备接口有A/D（模/数转换接口）、D/A（数/模转换接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太网接口）、USB（通用串行总线接口）、音频接口、VGA视频输出接口、I2C（现场总线）、SPI（串行外围设备接口）和IrDA（红外线接口）等。4.2中间层硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（HardwareAbstractLayer，HAL）或板级支持包（BoardSupportPackage，BSP），它将系统上层软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BSP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。BSP具有以下两个特点。⑴硬件相关性：因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，而作为上层软件与硬件平台之间的接口，BSP需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。⑵操作系统相关性：