嵌入式系统体系结构和开发方法研究

现代嵌入式系统体系结构和开发方法分析

胡旭伟

<计算机科学与技术，计算机科学与工程，07计3W，07141329）

摘要：随着计算机硬件技术的快速发展，出现了越来越多的便携设备和智能设备。这些设备中通常包含控制用的CPU和相应的操作系统；这类特殊的计算机系统叫做嵌入式实时系统。嵌入式实时系统以其简洁高效等特点在计算机、通信等领域中广泛使用。如今,由于嵌入式系统的市场巨大、潜力无限,全球的生产商都非常看好这一领域,纷纷投入了大量的人力物力,而围绕嵌入式系统的研究、设计和开发正成为计算机发展最活跃的方向之一.从嵌入式系统设计角度来看,任何一个系统都是一个输入/ 输出处理系统. 广义地说,所处理的物理量可分为模拟量、开关量与数字量. 若能了解一个实际的对象系统有哪些输入的物理量,哪些输出的物理量以及它们之间的内在关系,就可以设计出以单片机为核心的应用系统,并通过编程实现输入/ 输出之间的关系。

关键字：嵌入式系统

引言

嵌入式系统一般指非Pc系统，它包括硬件和软件两部讣。硬件包括处理器／微处理器、存储器及外设器件和I／O端、罔形控制器等。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蔓，；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媳备以下4个特点：(1>对实时多任务有很强的支持能力，能宠成多任务并且有较短的中断响应时间；(2>具有功能较强的存储区保护功能；(3>可扩展(生长>的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的各种性能的嵌入式微处理器；(4>功耗很低。

1 嵌入式系统的历史

虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的，但是这个概念并非新近才出现。从20世纪七十年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器，微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了

近30年的发展历史。

作为一个系统，往往是在硬件和软件交替发展的双螺旋的支撑下逐渐趋于稳定和成熟，嵌入

式系统也不例外。

嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。70年代单片机的出现，使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能：更容易使用、

更快、更便宜。这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只是使用８位的芯片，执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的概念。

从80年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写嵌入式应用软件，这使得可以获取更短的开发周期，更低的开发资金和更高的开发效率，“嵌入式系统”真正

出现了。

90年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时核逐渐发展为实时多任务操作系统

2嵌入式系统的定义

根据IEEE<国际电机工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”<原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。

不过上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓，目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

这个定义上，可从几方面来理解嵌入式系统：

嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。因此可以这样理解上述三个面向的含义，即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。

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和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。所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。例如Palm之所以在PDA领域占有

70％以上的市场，就是因为其立足于个人电子消费品，着重发展图形界面和多任务管理；而风河的Vxworks之所以在火星车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。

嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几K到几十K微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减，但是由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利的进行。

实际上，嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，而且有时很难以给它下一个准确的定义。现在人们讲嵌入式系统时，某种程度上指近些年比较热的具有操作系统的嵌入式系统，本文在进行分析和展望时，也沿用这一观点。

一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输出

3嵌入式系统的特点

3.1系统内核小

由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如Enea公司的OSE分布式系统，内核只有5K，而Windows的内核？简直没有可比性。

3.2专用性强

嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全两个概念。

3.3系统精简

嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。

3.4高实时性

高实时性的系统软件(OS>是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储，以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。

3.5开发标准化

嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及