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嵌入式设计论文嵌入式设计论文
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嵌入式系统设计论文
一、概述
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)
(要求实时和多任务操作)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:
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。 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。这一点就决定了它必然是一个技术密集、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,这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力
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
机本身中,而不是存贮于磁盘等载体中。
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。
嵌入式系统在机电产品方面的应用
相对于其他的领域,机电产品可以说是嵌入式系统应用最典型最广泛的领域之一。从
最初的单片机到现在的工控机、SOC 在各种机电产品中均有着巨大的市场。
工业设备是机电产品中最大的一类,在目前的工业控制设备中,工控机的使用非常广
泛,这些工控机一般采用的是工业级的处理器和各种设备,其中以 X86 的 MPU 最多。工
控的要求往往较高,需要各种各样的设备接口,除了进行实时控制,还须将设备状态,传
感器的信息等在显示屏上实时显示。这些要求 8 位的单片机是无法满足的,以前多数使用
16 位的处理器,随着处理器快速的发展,目前 32 位、64 位的处理器逐渐替代了 16 位处理
器,进一步提升了系统性能。采用 PC104 总线的系统,体积小,稳定可靠,受到了很多用
户的青睐。不过这些工控机采用的往往是 DOS 或者 Windows 系统,虽然具有嵌入式的特
点,却不能称作纯粹的嵌入式系统。另外在工业控制器和设备控制器方面,则是各种嵌入
式处理器的天下。这些控制器往往采用 16 位以上的处理器,各种 MCU,Arm、Mips、68K
系列的处理器在控制器中占据核心地位。这些处理器上提供了丰富的接口总线资源,可以
通过它们实现数据采集,数据处理,通讯以及显示(显示一般是连接 LED 或者 LCD)。最
近飞利浦和 ARM 共同推出 32 位 RISC 嵌入式控制器,适用于工业控制,采用最先进的
0.18 微米 CMOS 嵌入式闪存处理技术,操作电压可以低至 1.2 伏,它还能降低 25%到 30%
的制造成本,在工业领域中对最终用户而言是一套极具成本效益的解决方案。美国 TERN
工 业 控 制 器 基 于 Am188/186ES 、 i386EX 、 NEC V25 、 Am586(Elan SC520) , 采 用 了
SUPERTASK 实时多任务内核,可应用于便携设备、无线控制设备、数据采集设备、工业
控制与工业自动化设备以及其它需要控制处理的设备。
家电行业是嵌入式应用的另一大行业,我们传统的电视,电冰箱当然其中也嵌有处理
器,但是这些处理器只是在控制方面应用。而现在只有按钮、开关的电器显然已经不能满
足人们的日常需求,具有用户界面,能远程控制,智能管理的电器是未来的发展趋势。据
IDG 发布的统计数据表明,未来信息家电将会成长五至十倍。中国的传统家电厂商向信息
家电过渡时,首先面临的挑战是核心操作系统软件开发工作。硬件方面,进行智能信息控
制并不是很高的要求,目前绝大多数嵌入式处理器都可以满足硬件要求,真正的难点是如
何使软件操作系统容量小、稳定性高且易于开发。Linux 核心可以起到很好的桥梁作用,
作为一个跨平台的操作系统,它可以支持二三十种 CPU ,而目前已有众多家电业的芯片都
开始做 Linux 的平台移植工作。1999 年就登录中国的微软“维纳斯”计划给了国人一个数字
家庭的概念,引导各大家电厂商纷纷投入到这场革命中来,虽然最终未能获得成功,却使
信息家电深入人心。如今各大厂商仍然在努力推出适用于新一代家电应用的芯片,英特尔
公司已专为信息家电业研发了名为 StrongARM 的 ARM CPU 系列,这一系列 CPU 本身不
象 X86CPU 需要整合不同的芯片组,它在一颗芯片中可以包括你所需要的各项功能,即硬
件系统实现了 SOC 的概念。美商网虎公司已将全球最小的嵌入式操作系统——QUARK 成
功移植到 StrongARM 系列芯片上,这是第一次把 Linux、图形界面和一些程序进行完整移
植(QUARK 的内核只有 143K),它将为信息家电提供功能强大的核心操作系统。相信在
不久的将来,数字智能家庭必将来到我们身边。
机器人技术的发展从来就是与嵌入式系统的发展紧密联系在一起的。最早的机器人技
术是 50 年代 MIT 提出的数控技术,当时使用的还远未达到芯片水平,只是简单的与非门
逻辑电路。之后由于处理器和智能控制理论的发展缓慢从 50 年代到 70 年代初期,机器人
技术一直未能获得充分的发展。70 年代中期之后,由于智能理论的发展和 MCU 出现,机
器人逐渐成为研究热点,并且获得了长足的发展。近来由于嵌入式处理器的高度发展,机
器人从硬件到软件也呈现了新的发展趋势。例如火星车就是一个典型例子,这个价值 10 亿
美金的技术高密集移动机器人,采用的是美国风河公司的 Vxworks 嵌入式操作系统,可以
在不与地球联系的情况下自主工作。1997 年美国发射的“索杰纳”火星车带有机械手,可以
采集火星上的各种地况,并且通过摄像头把火星上的图像发回地面指挥中心。这台火星车
在火星上自主工作了 3 个月,充分体现了 Vxworks 系统的高可靠性。以索尼的机器狗为代
表的智能机器宠物,可以仅仅使用 8 位的 AVR,51 单片机或者 16 位的 DSP 来控制舵机,
进行图像处理,就能制造出那些人见人爱的玩具,让我们不能不惊叹嵌入式处理器强大的
功能。近来 32 位处理器,Windows CE 等 32 位嵌入式操作系统的盛行,使得操控一个机器
人只需要在手持 PDA 上获取远程机器人的信息,并且通过无线通讯控制机器人的运行,与
传统的采用工控机相比,要轻巧便捷的多。随着嵌入式控制器越来越微型化、功能化,微
型机器人、特种机器人等也将获得更大的发展机遇。
嵌入式系统的发展现状
随着信息化,智能化,网络化的发展,嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空间。
美国著名未来学家尼葛洛庞帝 年 月访华时预言,~ 年后嵌入式智能(电脑
工具将是 和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系统专家沈绪榜院士 年
月在武汉全国第 次微机学术交流会上发表的《计算机的发展与技术》一文中,
对未来 年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述和展望。 年世
界电子产品产值已超过 亿美元, 年达到 亿美元,预计 年,
销售额将达 亿美元。
进入 世纪 年代,嵌入式技术全面展开,目前已成为通信和消费类产品的共同
发展方向。在通信领域,数字技术正在全面取代模拟技术。在广播电视领域,美国已
开始由模拟电视向数字电视转变,欧洲的 (数字电视广播)技术已在全球大多数
国家推广。数字音频广播()也已进入商品化试播阶段。而软件、集成电路和新
型元器件在产业发展中的作用日益重要。所有上述产品中,都离不开嵌入式系统技术。
象前途无可计量的维纳斯计划生产机顶盒,核心技术就是采用 位以上芯片级的嵌入
式技术。在个人领域中,嵌入式产品将主要是个人商用,作为个人移动的数据处理和
通讯软件。由于嵌入式设备具有自然的人机交互界面, 屏幕为中心的多媒体界面
给人很大的亲和力。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图
像已取得初步成效。
目前一些先进的 在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布,日用范围也
将日益广阔。对于企业专用解决方案,如物流管理、条码扫描、移动信息采集等,这
种小型手持嵌入式系统将发挥巨大的作用。自动控制领域,不仅可以用于 机,自
动售货机,工业控制等专用设备,和移动通讯设备结合、、娱乐相结合,嵌入式
系统同样可以发挥巨大的作用。近期长虹推出的 产品,结合网络,控制,信息,
这种智能化,网络化将是家电发展的新趋势。
硬件方面,不仅有各大公司的微处理器芯片,还有用于学习和研发的各种配套开
发包。目前低层系统和硬件平台经过若干年的研究,已经相对比较成熟,实现各种功
能的芯片应有尽有。而且巨大的市场需求给我们提供了学习研发的资金和技术力量。
从软件方面讲,也有相当部分的成熟软件系统。国外商品化的嵌入式实时操作系
统,已进入我国市场的有 、! "#"$%、&'( 和 ')!*+ 等产品。我国自
主开发的嵌入式系统软件产品如科银," -公司的嵌入式软件开发平台
*%+.#%/,中科院推出的 0"1 嵌入式操作系统(虽然还不够完善)。同时由
于是研究热点,所以我们可以在网上找到各种各样的免费资源,从各大厂商的开发文
档,到各种驱动,程序源代码,甚至很多厂商还提供微处理器的样片。这对于我们从
事这方面的研发,无疑是个资源宝库。对于软件设计来说,不管是上手还是进一步开
发,都相对来说比较容易。这就使得很多生手能够比较快的进入研究状态,利于发挥
大家的积极创造性。
今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了 万亿美元,2 年来自美国嵌入
式系统大会,3/4.#%/"$ !的报告指出,未来 年仅基于嵌入式
计算机系统的全数字电视产品,就将在美国产生一个每年 亿美元的新市场。美
国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称,“福特出售的‘计算能力’已超过了 5,由
此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。 年 月在美国加州举行的嵌入式
系统大会上,基于 6 的 3/4% % 成为一个技术新热点。在国内,“维
纳斯计划”和“女锅计划”一度闹得沸沸扬扬,机顶盒、信息加电这两年更成了 热点,
而实际上这些都是嵌入式系统在特定环境下的一个特定应用。据调查,目前国际上已
有两百多种嵌入式操作系统,而各种各样的开发工具、应用于嵌入式开发的仪器设备
更是不可胜数。在国内,虽然嵌入式应用、开发很广,但该领域却几乎还是空白,只
有三两家公司和极少数人员在从事这方面工作。由此可见,嵌入式系统技术发展的空
间真是无比广大。
未来嵌入式系统的发展趋势
信息时代,数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机,为嵌入式市场展现了
美好的前景,同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战,从中我们可以看出未来嵌入
式系统的几大发展趋势:
.嵌入式开发是一项系统工程,因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件
系统本身,同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。
目前很多厂商已经充分考虑到这一点,在主推系统的同时,将开发环境也作为重点
推广。比如三星在推广 /2, / 芯片的同时还提供开发板和版及支持包
(),而 "73 在主推系统时也提供 3/4++作为开发工具,
还有 87" -# 的 "+" 开发环境,*%+6 的 /+ 编译环境等等都是这一趋势
的典型体现。当然,这也是市场竞争的结果。
.网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高,使得以往
单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一,结构更加复杂。
这就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能,为了满足应用功能的升级,设计
师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如 位、9 位 芯片或信号处理器
增强处理能力,同时增加功能接口,如 ,扩展总线类型,如 ',加强对
多媒体、图形等的处理,逐步实施片上系统(6)的概念。软件方面采用实时多任
务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性,简化应用程序设计、保障软件质
量和缩短开发周期。如 0
.网络互联成为必然趋势。
未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求,必然要求硬件上提供各种网络通信
接口。传统的单片机对于网络支持不足,而新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络
接口,除了支持 / 协议,还有的支持 333、、'、*)%""%: 或
通信接口中的一种或者几种,同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层
驱动软件。软件方面系统系统内核支持网络模块,甚至可以在设备上嵌入 4 浏览器,
真正实现随时随地用各种设备上网。
.精简系统内核、算法,降低功耗和软硬件成本。
未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备,为了减低功耗和成本,需要设计者尽
量精简系统内核,只保留和系统功能紧密相关的软硬件,利用最低的资源实现最适当
的功能,这就要求设计者选用最佳的编程模型和不断改进算法,优化编译器性能。因
此,既要软件人员有丰富的硬件知识,又需要发展先进嵌入式软件技术,如
;++、4 和 等。
.提供友好的多媒体人机界面
嵌入式设备能与用户亲密接触,最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面。
图像界面,灵活的控制方式,使得人们感觉嵌入式设备就象是一个熟悉的老朋友。这
方面的要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面,多媒体技术上痛下苦功。手写文字
输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使使用者获得自由的感
受。目前一些先进的 在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布,但一般的
嵌入式设备距离这个要求还有很长的路要走。
二、嵌入式系统的选型
嵌入式操作系统 EOS(Embedded OperatingSystem)是一种用途广泛的系统软件,过
去它主要应用于工业控制和国防系统领域。EOS 负责嵌人系统的全部软、硬件资源的分配、
调度工作,控制协调并发活动;它必须体现其所在系统的特征,能够通过装卸某些模块来
达到系统所要求的功能。目前,已推出一些应用比较成功的 EOS 产品系列。随着 Internet
技术的发展、信息家电的普及应用及 EOS 的微型化和专业化,EOS 开始从单一的弱功能
向高专业化的强功能方向发展。嵌人式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、
软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。EOS 是相对于一般操作系统而
言的,它除具备了一般操作系统最基本的功能,如任务调度、同步机制、中断处理、文件
功能等外,还有以下特点:
(1)可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。
(2)强实时性。EOS 实时性一般较强,可用于各种设备控制当中。
(3)统一的接口。提供各种设备驱动接日.
(4)操作方便、简单、提供友好的图形 GUI,图形界面,追求易学易用.
(5)提供强大的网络功能,支持 TCP 门 P 协议及其它协议,提供 TCP/UDP/IP/PPP 协
议支持及统一的 MAC 访问层接口,为各种移动计算设备预留接口.
(6)强稳定性,弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预,这就要负责
系统管理的 EOS 臭有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用户接日一般不提供操作命令,它
通过系统调用命令向用户程序提供服务。
(7)固化代码。在嵌入系统中,嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系统计算机的
ROM 中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用,因此,嵌入式操作系统的文件管理功能应
该能够很容易地拆卸,而用各种内存文件系统.
(8)更好的硬件适应性,也就是良好的移植性.
国际上用于信息电器的嵌入式操作系统有 40 种左右。现在,市场上非常流行的 EOS 产
品,包括 3Corn 公司下属子公司的 Palm OS,全球占有份额达 50%,MicroS。fi 公司的
Wind。ws CE 不过 29%。在美国市场,Palm OS 更以 80%的占有率远超 Windows CE。
开放源代码的 Linux 很适于做信息家电的开发.
比如:中科红旗软件技术有限公司开发的红旗嵌入式 Linux 和美商网虎公司开发的基于
Xlinux 的嵌人式操作系统“夸克”。“夸克”是目前全世界最小的 Linux,它有两个很突出的特
点,就是体积小和使用 GCS 编码。
常见的嵌入式系统有:Linux、uClinux、WinCE、PalmOS、Symbian、eCos、uCOS-
II、VxWorks、pSOS、Nucleus、ThreadX 、Rtems 、QNX、INTEGRITY、OSE、C
Executive .
嵌入式操作系统的特点
嵌入式系统的开发人员对操作系统的依赖性
早期的硬件设备很简单,软件的编程和调试工具也很原始,与硬件系统配套的软件都必须
从头编写。程序大都采用宏汇编语言,调试是一件很麻烦的事。随着系统越来越复杂,操
作系统就显得很必要。
(1)操作系统能有效管理越来越复杂的系统资源。
(2)操作系统能够把硬件虚拟化,使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出
来。
(3)操作系统能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。
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