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第1章嵌入式系统导论

近年来，随着计算机技术、微电子技术及通讯技术的飞速发展，基于 32 位微处理器的嵌

入式系统在各个领域的应用不断地得到扩大和深入，嵌入式产品已成为信息产业的主流。面

对 IT 产业界这一新热点，高校开设嵌入式系统相关课程已是当务之急。目前国内很多高校都

在开设和计划开设嵌入式系统课程。

在嵌入式系统实验教学中，我们选择了当前主流的 ARM7 微处理器芯片和源码开放的

μCLinux 操作操作。 ARM 系列处理器是专门针对嵌入式设备设计的，是目前构造嵌入式教学

系统硬件平台的首选，而 μCLinux 继承了标准 Linux 的优良特性，它强大的网络功能和出色

的文件系统等优势也将在嵌入式领域得到更加广泛的应用。

本章节对嵌入式系统的发展历史与现状、嵌入式 Linux 操作系统的特点及组成进行简要

论述，在第 2 小节对 μClinux 系统进行了分析，第 3 小节论述了嵌入式 Linux 系统一般开发

流程。

1.1 概述

1.1.1 嵌入式系统发展历史与现状

虽然嵌入式系统是近几年才开始真正风靡起来的，但事实上嵌入式这个概念却很早就已

经存在了。嵌入式系统诞生于微型机时代，经历了漫长的独立发展的单片机道路，从 70 年代

单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统有了近 30 年的

历史。纵观嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下四个阶段：

◆ 无操作系统阶段

嵌入式系统最初的应用是基于单片机的。 20 世纪 70 年代，微处理器的出现，使早期供养

在特殊机房中，实现数值计算的大型计算机发生了历史性的变化。以微处理器为核心的微型

计算机以其小型、价廉、高可靠性等特点，迅速走出机房，进入工业控制领域。将微型机做

在一个芯片上嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制，从而开创了嵌入式系统

独立发展的单片机时代。

单片机大多以可编程控制器的形式出现，具有监测、伺服、设备指示等功能，通常应用

于各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中，一般没有操作系统的支持，只能通过汇编语言

对系统进行直接控制，运行结束后再清除内存。这些装置虽然已经初步具备了嵌入式的应用

特点，但仅仅只是使用 8 位的 CPU 芯片来执行一些单线程的程序，因此严格地说还谈不上 “系

统”的概念。

这一阶段嵌入式系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容

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量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，因而曾经在工业控

制领域中得到了非常广泛的应用，但却无法满足现今对执行效率、存储容量都有较高要求的

信息家电等场合的需要。

◆ 简单操作系统阶段

20 世纪 80 年代，随着微电子工艺水平的提高， IC 制造商开始把嵌入式应用中所需要的

微处理器、 I/O 接口、串行接口以及 RAM 、ROM 等部件统统集成到一片 VLSI 中，制造出面

向 I/O 设计的 MCU 即微控制器（ Micro Controller Unit ），并一举成为嵌入式系统领域中异军

突起的新秀。与此同时，嵌入式系统的程序员也开始基于一些简单的“操作系统”开发嵌入

式应用软件，大大缩短了开发周期、提高了开发效率。

这一阶段嵌入式系统的主要特点是：出现了大量高可靠、低功耗的嵌入式 CPU（如 Power

PC 等），各种简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展。此时的嵌入式操作系统虽然

还比较简单，但已经初步具有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高，主要用来控制

系统负载以及监控应用程序的运行。

在 MCU 微控制器阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时对象系统

要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象

系统相关，由单片微型计算机发展到微控制器，以寻求应用系统在芯片上的最大化解决。

◆ 实时操作系统阶段

20 世纪 90 年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下，

嵌入式系统进一步飞速发展，而面向实时信号处理算法的 DSP 产品则向着高速度、高精度、

低功耗的方向发展。 DSP（Digital signal Processor）是专门用于信号处理方面的处理器，其在

系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。

在这一阶段，随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩大，逐渐形

成了实时多任务操作系统（RTOS），并开始成为嵌入式系统的主流。 RTOS 是具有实时性且能

支持实时控制系统工作的操作系统。

这一阶段嵌入式系统的主要特点是：操作系统的实时性得到了很大改善，已经能够运行

在各种不同类型的微处理器上，具有高度的模块化和扩展性。此时的嵌入式操作系统已经具

备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面（ GUI ）等功能，并提供了

大量的应用程序接口（ API ），从而使得应用软件的开发变得更加简单。

◆ 面向 Internet 阶段

21 世纪无疑将是一个网络的时代，将嵌入式系统应用到各种网络环境中去的呼声自然也

越来越高。目前大多数嵌入式系统还孤立于 Internet 之外，随着 Internet 的进一步发展，以及

Internet 技术与信息家电、工业控制技术等的结合日益紧密，嵌入式设备与 Internet 的结合才

是嵌入式技术的真正未来。

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信息时代和数字时代的到来，为嵌入式系统的发展带来了巨大的机遇，同时也对嵌入式

系统厂商提出了新的挑战。目前，嵌入式技术与 Internet 技术的结合正在推动着嵌入式技术

的飞速发展，嵌入式系统的研究和应用产生了如下新的显著变化：

1. 新的微处理器层出不穷，嵌入式操作系统自身结构的设计更加便于移植，能够在短时

间内支持更多的微处理器。

2. 嵌入式系统的开发成了一项系统工程，开发厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，

同时还要提供强大的硬件开发工具和软件支持包。

3. 通用计算机上使用的新技术、新观念开始逐步移植到嵌入式系统中，如嵌入式数据库、

移动代理、实时 CORBA 等，嵌入式软件平台得到进一步完善。

4. 各类嵌入式 Linux 操作系统迅速发展，由于具有源代码开放、系统内核小、执行效率

高、网络结构完整等特点，很适合信息家电等嵌入式系统的需要，目前已经形成了能

与 Windows CE 、Palm OS 等嵌入式操作系统进行有力竞争的局面。

5. 网络化、信息化的要求随着 Internet 技术的成熟和带宽的提高而日益突出，以往功能

单一的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构变得更加复杂，网络

互联成为必然趋势。

6. 精简系统内核，优化关键算法，降低功耗和软硬件成本。

7. 提供更加友好的多媒体人机交互界面。

1.1.2 嵌入式系统的组成

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可裁剪，适用于系统对功能、可

靠性、成本、功耗严格要求的专用计算机系统，整个嵌入式系统由四大部分组成：嵌入式处

理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件。嵌入式系统的体系结构如图 1-1

所示。

图 1-1 嵌入式系统的组成

◆ 嵌入式处理器

嵌入式应用软件

嵌入式操作系统

嵌入式硬件平台

嵌入式处理器嵌入式外围设备

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