嵌入式系統的現狀分析
第一章 嵌入式系統的產生
1、始于微型機時代的嵌入式應用：
電子數字計算機誕生于1946年，在其后漫長的歷史進程中，計算機始終是供養在特殊的機房中，實現數值計算的大型昂貴設備。直到20世紀70年代，微處理的出現，計算機才出現了歷史性的變化。以微處理為核心的微型計算機以其小型、價廉、高可靠性特點，迅速走出機房;基于高速數值解算能力的微型機，表現出的智能化水平引起了控制專業人士的興趣，要求將微型機嵌入到一個對象體系中，實現對象體系的智能化控制，例如，將微型計算機經電氣加固、機械加固，并配置各種外圍接口電路，安裝到大型艦船中構成自動駕駛儀或輪機狀態監測系統。這樣一來，計算機便失去了原來的形態與通用的計算機功能。為了區別于原有的通用計算機系統，把嵌入到對象體系中，實現對象體系智能化控制的計算機，稱作嵌入式計算機系統。因此，嵌入式系統誕生于微型機時代，嵌入式系統的嵌入性本質是將一個計算機嵌入到一個對象體系中去，這些是理解嵌入式系統的基本出發點。
2、現代計算機技術的兩大分支
由于嵌入式計算機系統要嵌入到對象體系中，實現的是對象的智能化控制，因此，它有著與通用計算機系統完全不同的技術要求與技術發展方向。
通用計算機系統的技術要求是高速、海量的數值計算;技術發展方向則是：總線速度的無限提升，存儲容量的無限擴大。 而嵌入式計算機系統的技術要求則是對象的智能化控制能力;技術發展方向則是：與對象系統密切相關的嵌入性能、控制能力與控制的可靠性。
早期，人們勉為其難地，將通用計算機系統進行改裝，在大型設備中實現嵌入式應用。然而，對于眾多的對象系統(如家用電器、儀器儀表、工控單元…)，無法嵌入通用計算機系統，況且嵌入式系統與通用計算機系統的技術發展方向完全不同，因此，必須獨立地發展通用計算機系統與嵌入式計算機系統，這就形成了現代計算機技術發展的兩大分支。
如果說微型機的出現，使計算機進入到現代計算機發展階段，那么嵌入式計算機系統的誕生，則標志了計算機進入了通用計算機系統與嵌入式計算機系統兩大分支并行發展時代，從而導致20世紀末，計算機的高速發展時期。
3、兩大分支發展的里程碑事件
通用計算機系統與嵌入式計算機系統的專業化分工發展，導致20世紀末、21世紀初，計算機技術的飛速發展。計算機專業領域集中精力發展通用計算機系統的軟、硬件技術，不必兼顧嵌入式應用要求，通用微處理器迅速從286、386、486到奔騰系列;操作系統則迅速擴張計算機基于高速海量的數據文件處理能力，使通用計算機系統進入到盡善盡美階段。
嵌入式計算機系統則走上了一條完全不同的道路，這條獨立發展的道路就是單芯片化道路。它動員了原有的傳統電子系統領域的廠家與專業人士，接過起源于計算機領域的嵌入式系統，承擔起發展與普及嵌入式系統的歷史任務，迅速地將傳統的電子系統發展到智能化的現代電子系統時代。
因此，現代計算機技術發展的兩大分支的里程碑意義在于：它不僅形成了計算機發展的專業化分工，而且將發展計算機技術的任務擴展到傳統的電子系統領域，使計算機成為進入人類社會全面智能化時代的有力工具。
第二章 嵌入式系統的定義與組成
1、嵌入式系統的定義
有些人把嵌入式處理器當做嵌入式系統，但由于嵌入式系統是一個嵌入式計算機系統的的含義，因此，只有將嵌入式處理器構成一個計算機系統，并作為嵌入式應用時，這樣的計算機系統可稱作嵌入式系統。
嵌入式系統與對象系統密切相關，其主要技術發展方向是滿足嵌入式應用要求，不斷擴展對象系統要求的外圍電路(如ADC、DAC、PWM、、日歷時鐘、電源監測、程序運行監測電路等)，形成滿足對象系統要求的應用系統。因此，嵌入式系統作為一個專用計算機系統，要不斷向計算機應用系統發展。因此，可以把定義中的專用計算機系統引伸成，滿足對象系統要求的計算機應用系統。
如果我們了解了嵌入式(計算機)系統的由來與發展，對嵌入式系統就不會產生過多的誤解，而能歷史地、本質地、普遍適用地定義嵌入式系統。
(1) 嵌入式系統的定性
按照歷史性、本質性、普遍性要求，嵌入式系統應定義為：“嵌入到對象體系中的專用計算機系統”。“嵌入性”、“專用性”與“計算機系統”是嵌入式系統的三個基本要素。對象系統則是指嵌入式系統所嵌入的宿主系統。
(2) 嵌入式系統的特點
嵌入式系統的特點與定義不同，它是由定義中的三個基本要素衍生出來的。不同的嵌入式系統其特點會有所差異。
與“嵌入性”的相關特點：由于是嵌入到對象系統中，必須滿足對象系統的環境要求，如物理環境(小型)、電氣/氣氛環境(可靠)、成本(價廉)等要求的特點。
與“專用性”的相關特點：軟、硬件的裁剪性。滿足對象要求的最小軟、硬件配置等。
與“計算機系統”的相關特點：嵌入式系統必須是能滿足對象系統控制要求的計算機系統。與上兩個特點相呼應，這樣的計算機必須配置有與對象系統相適應的接口電路。
另外，在理解嵌入式系統定義時，不要與嵌入式設備相混淆。嵌入式設備是指內部有嵌入式系統的產品、設備，例如，內含單片機的家用電器、儀器儀表、工控單元、機器人、手機、PDA等。
(3)嵌入式系統的種類與發展
按照上述嵌入式系統的定義，只要滿足定義中三要素的計算機系統，都可稱為嵌入式系統。嵌入式系統按形態可分為設備級(工控機)、板級(單板、模塊)、芯片級(MCU、SoC)。
2、嵌入式系統的組成
嵌入式系通常由嵌入式處理器、外圍設備、嵌入式操作系統和應用軟件等幾大部分組成。
1、嵌入式處理器
嵌入式處理器是嵌入式系統的核心部件。嵌入式處理器與通用處理器的最大不同點在于其大多工作在為特定用戶群設計的系統中。它通常把通用計算機中許多由板卡完成的任務集成在芯片內部，從而有有利于嵌入式系統設計趨于小型化，并具有高效率、高可靠性等特征。大的硬件廠商會推出自己的嵌入式處理器，因而現今市面上有1000多種嵌入式處理器芯片，其中使用最為廣泛的有ARM 、MIPS、PowerPC、MC6800等。
2、外圍設備
外圍設備是指在一個嵌入式系統中，除了嵌入式處理器以外用于完成存儲、通信、調試、顯示等輔助功能的其它部件。根據外圍設備的功能可以分為存儲器、接口和人機交互。
3、嵌入式操作系統
在大型嵌入式應用系統中，為了使嵌入式開發更方便、快捷，需要具備一種穩定、安全的軟件模塊集合，用以管理存儲器分配、中斷處理、任務間通信和定時器響應，以及提供多任務處理等，即嵌入式操作系統。嵌入式操作系統的引入大大的提高了嵌入式系統的功能，方便了應用軟件的設計，但同時占用了寶貴的嵌入式系統資源。一般在比較大型或需要多任務的應用場合才考慮使用嵌入式系統。嵌入式系統常常需要有實時要求，所以嵌入式操作系統往往又是“ 實時操作系統 ”。早期的嵌入式系統幾乎都用于控制目的，從而或多或少都有些實時要求，所以從前“嵌入式操作系統”實際上是“實時操作系統”的代名詞。今年來由于手持式計算機和掌上電腦等設備的出現，也有了不帶實時要求的嵌入式系統。另外一方面，由于CPU速度的提高，一些原先認為是“實時”的反應速度現在已經很普遍了。這樣，一些原先需要在“實時”操作系統上才能實現的應用，現在已不難在常的操作系統上實現。在這樣的背景下，“嵌入式操作系統”和“實時操作系統”就成了不同的概念名詞。
4、應用軟件
嵌入式系統的應用軟件是針對特定的實際專業領域，基于相應的嵌入式硬件平臺，并能完成用戶的預期任務的計算機軟件。用戶的任務可能有時間和精度的要求。有些應用軟件需要嵌入操作系統的支持，但在簡單的場合下不需要專門的操作系統。由于嵌入式應用軟件對成本十分敏感，因此，為減少系統成本，除了精簡每個硬件單元的成本外，應盡可能的減少應用軟件的資源消耗，盡可能的優化。
第三章 嵌入式系統的兩種應用模式
嵌入式系統的嵌入式應用特點，決定了它的多學科交叉特點。作為計算機的內含，要求計算機領域介入其體系結構、軟件技術、工程應用方法的發展。然而，了解對象系統的控制要求，實現系統控制模式必須具備對象領域的專業知識。因此，從嵌入式系統發展的歷史過程，以及嵌入式應用的多樣性中，可以了解到客觀上形成的兩種應用模式。
1、客觀存在的兩種應用模式
嵌入式計算機系統起源于微型機時代，但很快就進入到獨立發展的單片機時代。在單片機時代，嵌入式系統以器件形態迅速進入到傳統電子技術領域中，以電子技術應用工程師為主體，實現傳統電子系統的智能化，而計算機專業隊伍并沒有真正進入單片機應用領域。因此，電子技術應用工程師以自己習慣性的電子技術應用模式，從事單片機的應用開發，這種應用模式最重要的特點是：軟、硬件的底層性、隨意性;對象系統專業技術的密切相關性;缺少計算機工程設計方法
雖然在單片機時代，計算機專業淡出了嵌入式系統領域，但隨著后PC時代到來，網絡、通信技術的發展;同時，嵌入式系統軟、硬件技術有了很大的提升，為計算機專業人士介入嵌入式系統應用開辟了廣闊天地。計算機專業人士的介入，形成的計算機應用模式帶有明顯的計算機的工程應用特點：即基于嵌入式系統軟、硬件平臺，以網絡、通信為主的非嵌入式底層應用。
2、兩種應用模式的并存與互補
由于嵌入式系統最大、最廣、最底層的應用是傳統電子技術領域的智能化改造。因此，以通曉對象專業的電子技術隊伍為主、用最少的嵌入式系統軟、硬件開銷，以8位機為主，帶有濃重的電子系統設計色彩的電子系統應用模式會長期存在下去。另外計算機專業人士會愈來愈多地介入嵌入式系統應用，但囿于對象專業知識的隔閡，其應用領域會集中在網絡、通信、多媒體、商務電子等方面，不可能替代原來電子工程師在控制、儀器儀表、機械電子等方面的嵌入式應用。因此，客觀存在的兩種應用模式會長期并存下去，在不同的領域中相互補充。電子系統設計模式應從計算機應用設計模式中，學習計算機工程方法和嵌入式系統軟件技術;計算機應用設計模式應從電子系統設計模式中，了解嵌入式系統應用的電路系統特性，基本的外圍電路設計方法和對象系統的基本要求等。
3、嵌入式系統應用的高低端
由于嵌入式系統有過很長的一段單片機的獨立發展道路，大多是基于8位單片機，實現最底層的嵌入式系統應用，帶有明顯的電子系統設計模式特點。大多數從事單片機應用開發人員，都是對象系統領域中的電子系統工程師，加之單片機的出現，立即脫離了計算機專業領域，以“智能化”器件身份進入電子系統領域，沒有帶入“嵌入式系統”概念。因此，不少從事單片機應用的人，不了解單片機與嵌入式系統的關系，在談到“嵌入式系統”領域時，往往理解成計算機專業領域的，基于32位嵌入式處理器，從事網絡、通信、多媒體等的應用。這樣，“單片機”與“嵌入式系統”形成了嵌入式系統中常見的兩個獨立的名詞。但由于“單片機”是典型的，獨立發展起來的嵌入式系統，從學科建設的角度出發，應該把它的統一成“嵌入式系統”。考慮到原來單片機的電子系統底層應用特點，可以把嵌入式系統應用分成高端與低端，把原來的單片機應用理解成嵌入式系統的低端應用，含義為它的底層性以及與對象系統的緊耦合。
第四章 嵌入式系統的低端應用：8位單片機
1、單片機開創了嵌入式系統獨立發展道路
嵌入式系統雖然起源于微型計算機時代，然而，微型計算機的體積、價位、可靠性都無法滿足廣大對象系統的嵌入式應用要求，因此，嵌入式系統必須走獨立發展道路。這條道路就是芯片化道路。將計算機做在一個芯片上，從而開創了嵌入式系統獨立發展的單片機時代。
在探索單片機的發展道路時，有過兩種模式，即“Σ模式”與“創新模式”。“Σ模式”本質上是通用計算機直接芯片化的模式，它將通用計算機系統中的基本單元進行裁剪后，集成在一個芯片上，構成單片微型計算機;“創新模式”則完全按嵌入式應用要求設計全新的，滿足嵌入式應用要求的體系結構、微處理器、指令系統、總線方式、管理模式等。Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照創新模式發展起來的單片形態的嵌入式系統(單片微型計算機)，MCS-51是在MCS-48探索基礎上，進行全面完善的嵌入式系統。歷史證明，“創新模式”是嵌入式系統獨立發展的正確道路，MCS-51的體系結構也因此成為單片嵌入式系統的典型結構體系。
2、單片機的技術發展
單片機誕生于20世紀70年代末，經歷SCM、MCU、SoC三大階段
SCM即單片微型計算機(Single Chip Microcomputer)階段，主要是尋求最佳的單片形態嵌入式系統的最佳體系結構。“創新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計算機完全不同的發展道路。在開創嵌入式系統獨立發展道路上，Intel公司功不可沒。
MCU即微控制器(MicroController Unit)階段，這階段主要的技術發展方向是：不斷
擴展滿足嵌入式應用時，對象系統要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領域都與對象系統相關，因此，發展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術廠家。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發展也有其客觀因素。在發展MCU方面最著名的廠家當數PHILIPS公司。PHILIPS公司以其在嵌入式應用方面巨大優勢將MCS-51從單片微型計算機迅速發展到微控制器。因此，當我們回顧嵌入式系統發展道路時，不要忘記Intel和PHILIPS的歷史功績。
單片機是嵌入式系統的獨立發展之路，向MCU階段發展的重要因素，就是尋求應用系統在芯片上的最大化解決。因此，專用單片機的發展自然形成了SoC化趨勢。隨著微電子技術、IC設計、EDA工具的發展，基于SoC的單片機應用系統設計會有較大的發展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應用系統。
嵌入式系統的高端應用
1、概述
由于網絡與通信技術的發展，嵌入式系統在經歷了近20年的發展歷程后，又進入了一個新的歷史發展階段，即從普遍的低端應用進入到一個高、低端并行發展，并且不斷提升低端應用技術水平的時代，其標志是近年來32位MCU的發展。
32位MCU的應用不會走8位機百花齊放、百余種型號系列齊上陣的道路，這是因為在8位機的低端應用中，嵌入對象與對象專業領域十分廣泛而復雜;而當前32位MCU的高端應用則多集中在網絡、通信和多媒體技術領域，32位MCU將會集中在少數廠家發展的少數型號系列上。
在嵌入式系統高端應用的發展中，曾經有眾多的廠家參與，很早就有許多8位嵌入式MCU廠家實施了8位、16位和32位機的發展計劃。后來，8位和32位機的技術擴展侵占了16位機的發展空間。傳統電子系統智能化對8位機的需求使這些廠家將主要精力放在8位機的發展上，形成了32位機發展遲遲不前的局面。當網絡、通信和多媒體信息家電業興起后，出現了嵌入式系統高端應用的市場;而在嵌入式系統的高端應用中，進行多年技術準備的ARM公司適時地推出了32位ARM系列嵌入式微處理器，以其明顯的性能優勢和知識產權平臺扇出的運行方式，迅速形成32位機高端應用的主流地位，以至于使不少傳統嵌入式系統廠家放棄了自己的32位發展計劃，轉而使用ARM內核來發展自己的32位MCU。甚至在嵌入式系統發展史上做出卓越貢獻的Intel公司以及將單片微型計算機發展到微控制器的PHILIPS公司，在發展32位嵌入式系統時都不另起爐灶，而是轉而使用ARM公司的嵌入式系統內核來發展自己的32位MCU。
網絡、通信、多媒體和信息家電時代的到來，無疑為32位嵌入式系統高端應用提供了空前巨大的發展空間;同時，也為力不從心的8位機向高端發展起到了接力作用。一般來說，嵌入式系統的高、低端應用模糊地界定為： 高端用于具有海量數據處理的網絡、通信和多媒體領域，低端則用于對象系統的控制領域。然而，控制系統的網絡化、智能化的發展趨勢要求在這些8位機的應用中提升海量數據處理能力。當8位機無法滿足這些提升要求時，便會轉而求助32位機的解決辦法。因此，32位機的市場需求發展由兩方面所致： 一方面是高端新興領域(網絡、通信、多媒體和信息家電)的拓展;另一方面是低端控制領域應用在數據處理能力的提升要求。
后PC時代的到來以及32位嵌入式系統的高端應用吸引了大量計算機專業人士的介入，加之嵌入式系統軟/硬件技術的發展，導致了嵌入式系統應用模式的巨大變化，即使嵌入式系統應用進入到一個基于軟/硬件平臺、集成開發環境的應用系統開發時代，并帶動了SoC技術的發展。
在眾多嵌入式系統廠家參與下，基于ARM系列處理器的應用技術會在眾多領域取得突破性進展。Intel公司將ARM系列向更高端的嵌入式系統發展;而PHILIPS公司則在向高端嵌入式系統發展的同時，向低端的8位和16位機的高端應用延伸。Intel公司和PHILIPS公司的發展都體現了各自的特點，并充分發揮了各自的優勢。因此，在32位嵌入式系統的應用中，ARM系列會形成ARM公司領軍，眾多廠家參與，計算機專業、電子技術專業以及對象專業人士共同推動的局面，形成未來32位嵌入式系統應用的主流趨勢。這種集中分工的技術發展模式有利于嵌入式系統的快速發展。
2、ARM
ARM(Advanced RISC Machines)是微處理器行業的一家知名企業，設計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關技術及軟件。技術具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用于多種領域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應用等。
隨著嵌入式系統處理器的不斷發展，典型的32位RISC芯片——ARM處理器，不論是在PDA，STB，DVD等消費類電子產品中，還是在GPS，航空，勘探，測量等軍方產品中都得到了廣泛的應用。越來越多的芯片廠商早已看好ARM的前景，比如Intel, NS, Atmel, Philips, NEC, CirrusLogic等公司都有相應的產品。他們把更多的功能集成在ARM芯片中，使其成為了高集成度，低功耗的典型代表。
ARM將其技術授權給世界上許多著名的半導體、軟件和OEM廠商，每個廠商得到的都是一套獨一無二的ARM相關技術及服務。利用這種合伙關系，ARM很快成為許多全球性RISC標準的締造者。
ARM架構是面向低預算市場設計的第一款RISC微處理器。
ARM提供一系列內核、體系擴展、微處理器和系統芯片方案。由于所有產品均采用一個通用的軟件體系，所以相同的軟件可在所有產品中運行(理論上如此)。典型的產品如下。
①CPU內核
--ARM7：小型、快速、低能耗、集成式RISC內核，用于移動通信。
-- ARM7TDMI(Thumb):這是公司授權用戶最多的一項產品，將ARM7指令集同Thumb擴展組合在一起，以減少內存容量和系統成本。同時，它還利用嵌入式ICE調試技術來簡化系統設計，并用一個DSP增強擴展來改進性能。該產品的典型用途是數字蜂窩電話和硬盤驅動器。
--ARM9TDMI:采用5階段管道化ARM9內核，同時配備Thumb擴展、調試和Harvard總線。在生產工藝相同的情況下，性能可達ARM7TDMI的兩倍之多。常用于連網和頂置盒。
②體系擴展
-- Thumb:以16位系統的成本，提供32位RISC性能，特別注意的是它所需的內存容量非常小。
③嵌入式ICE調試
由于集成了類似于ICE的CPU內核調試技術，所以原型設計和系統芯片的調試得到了極大的簡化。
④微處理器
--ARM710系列，包括ARM710、ARM710T、ARM720T和ARM740T:低價、低能耗、封裝式常規系統微型處理器，配有高速緩存(Cache)、內存管理、寫緩沖和JTAG。廣泛應用于手持式計算、數據通信和消費類多媒體。
--ARM940T、920T系列:低價、低能耗、高性能系統微處理器，配有Cache、內存管理和寫緩沖。應用于高級引擎管理、保安系統、頂置盒、便攜計算機和高檔打印機。
--StrongARM:性能很高、同時滿足常規應用需要的一種微處理器技術，與DEC聯合研制，后來授權給Intel。SA110處理器、SA1100 PDA系統芯片和SA1500多媒體處理器芯片均采用了這一技術。
--ARM7500和ARM7500FE:高度集成的單芯片RISC計算機，基于一個緩存式ARM7 32位內核，擁有內存和I/O控制器、3個DMA通道、片上視頻控制器和調色板以及立體聲端口;ARM7500FE則增加了一個浮點運算單元以及對EDO DRAM的支持。特別適合電視頂置盒和網絡計算機(NC)。
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