嵌入式系统关键技术分析与开发应用

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学院：电气信息工程学院

专业：电子信息工程08-1

学号：

姓名：

嵌入式系统关键技术分析与开发应用

关键词：嵌入式系统，技术分析，开发应用；

摘要：在当前数字信息技术和网络技术高速发展的后PC（Post-PC）时代，嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术以及人们的日常生活等方方面面中。随着国内外各种嵌入式产品的进一步开发和推广，嵌入式技术越来越和人们的生活紧密结合。

1 嵌入式系统的技术特点

嵌入式系统通常包括构成软件的基本运行环境的硬件和操作系统两部分。嵌入式系统的运行环境和应用场合决定了嵌入式系统具有区别于其它操作系统的一些特点。

（1）嵌入式处理器

嵌入式处理器可以分为三类：嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP（Digital Signal Processor）。嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的CPU。在应用中，一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上，在母板上只保留和嵌入式相关的功能即可，这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。目前的嵌入式处理器主要包括：PowerPC、Motorola 68000、ARM系列等等。

（2）微内核结构

大多数操作系统至少被划分为内核层和应用层两个层次。内核只提供基本的功能，如建立和管理进程、提供文件系统、管理设备等，这些功能以系统调用方式提供给用户。一些桌面操作系统，如Windows、Linux等，将许多功能引入内核，操作系统的内核变得越来越大。内核变大使得占用的资源增多，剪裁起来很麻烦。

（3）任务调度

在嵌入式系统中，任务即线程。大多数的嵌入式操作系统支持多任务。多任务运行的实现实际是靠CPU在多个任务之间切换、调度。每个任务都有其优先级，不同的任务优先级可能相同也可能不同。任务的调度有三种方式：可抢占式调度、不可抢占式调度和时间片轮转调度。不可抢占式调度是指，一个任务一旦获得CPU就独占CPU运行，除非由于某种原因，它决定放弃CPU的使用权；可抢占式调度是基于任务优先级的，当前正在运行的任务可以随时让位给优先级更高的处于就绪态的其它任务；当两个或两个以上任务有同样的优先级，不同任务轮转地使用CPU，直到系统分配的CPU时间片用完，这就是时间片轮转调度。作系统对不同优先级的任务采用基于优先级的抢占式调度法，对相同优先级的任务则采用时间片轮转调度法。

（4）硬实时和软实时

有些嵌入式系统对时间的要求较高，称之为实时系统。有两种类型的实时系统：硬实时

系统和软实时系统。软实时系统并不要求限定某一任务必须在一定的时间内完成，只要求各任务运行得越快越好；硬实时系统对系统响应时间有严格要求，一旦系统响应时间不能满足，就可能会引起系统崩溃或致命的错误，一般在工业控制中应用较多。

（5）内存管理

针对有内存管理单元（MMU）的处理器设计的一些桌面操作系统，如Windows、Linux，使用了虚拟存储器的概念。虚拟内存地址被送到MMU。在这里，虚拟地址被映射为物理地址，实际存储器被分割为相同大小的页面，采用分页的方式载入进程。一个程序在运行之前，没有必要全部装入内存，而是仅将那些当前要运行的部分页面装入内存运行。

大多数嵌入式系统针对没有MMU的处理器设计，不能使用处理器的虚拟内存管理技术,采用的是实存储器管理策略。因而对于内存的访问是直接的，它对地址的访问不需要经过MMU，而是直接送到地址线上输出，所有程序中访问的地址都是实际的物理地址；而且，大多数嵌入式操作系统对内存空间没有保护，各个进程实际上共享一个运行空间。一个进程在执行前，系统必须为它分配足够的连续地址空间，然后全部载入主存储器的连续空间。（6）内核加载方式

嵌入式操作系统内核可以在Flash上直接运行，也可以加载到内存中运行。Flash的运行方式，是把内核的可执行映像烧写到Flash上，系统启动时从Flash的某个地址开始执行。这种方法实际上是很多嵌入式系统所采用的方法。内核加载方式是把内核的压缩文件存放在Flash上，系统启动时读取压缩文件在内存里解压，然后开始执行。这种方式相对复杂一些，但是运行速度可能更快，因为RAM的存取速率要比Flash高。

2 嵌入式系统开发相关技术

相对于在Windows环境下的开发应用程序，嵌入式系统开发有着很多的不同。不同的硬件平台和操作系统带来了许多附加的开发复杂性。

（1）嵌入式开发过程

在嵌入式开发过程中有宿主机和目标机的角色之分：宿主机是执行编译、链接、定址过程的计算机；目标机指运行嵌入式软件的硬件平台。首先须把应用程序转换成可以在目标机上运行的二进制代码。这一过程包含三个步骤：编译、链接、定址。编译过程由交叉编译器实现。所谓交叉编译器就是运行在一个计算机平台上并为另一个平台产生代码的编译器。常用的交叉编译器有GNU C/C++（gcc）。编译过程产生的所有目标文件被链接成一个目标文件，称为链接过程。定址过程会把物理存储器地址指定给目标文件的每个相对偏移处。该过程生成的文件就是可以在嵌入式平台上执行的二进制文件。

（2）向嵌入式平台移植软件

大部分嵌入式开发人员选用的软件开发模式是先在PC机上编写软件，再进行软件的

移植工作。在PC机上编写软件时，要注意软件的可移植性，选用具有较高移植性的编程语言（如C语言），尽量少调用操作系统函数，注意屏蔽不同硬件平台带来的字节顺序、字节对齐等问题。以下是我们在移植协议栈过程中的一些体会。

3 嵌入式系统的广泛应用

嵌入式系统的应用前景是非常广泛的，人们将会无时无处不接触到嵌入式产品，从家里的洗衣机、电冰箱，到作为交通工具的自行车、小汽车，到办公室里的远程会议系统等等。特别是以蓝牙为代表的小范围无线接入协议的出现，使嵌入式无线电的概念悄然兴起。当嵌入式的无线电芯片的价格可被接受时，它的应用可能会无所不在。在家中、办公室、公共场所，人们可能会使用数十片甚至更多这样的嵌入式无线电芯片，将一些电子信息设备甚至电气设备构成无线网络；在车上、旅途中，人们利用这样的嵌入式无线电芯片可以实现远程办公、远程遥控，真正实现把网络随身携带。下面介绍几种具体的应用。

（1）嵌入式移动数据库

所谓的移动数据库是支持移动计算的数据库，有两层含义：①用户在移动的过程中可以联机访问数据库资源。②用户可以带着数据库移动。典型的应用场合有在开着的救护车上查询最近的医院。该系统由前台移动终端、后台同步服务器组成，移动终端上有嵌入式实时操作系统和嵌入式数据库。中国人民大学正在开发该系统，他们和Hopen公司合作，开发了前台移动终端"小精灵"。

（2）嵌入式系统在智能家居网络中的应用

智能家居网络（E-Home）指在一个家居中建立一个通信网络，为家庭信息提供必要的通路；在家庭网络操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家庭网络上家电和设备的控制和监测。其网络结构的组成必然有家庭网关。家庭网关主要实现控制网络和信息网络的信号综合并与外界接口，以便作远程控制和信息交换。不论是网关还是各家电上的控制模块，都需有嵌入式操作系统。这些操作系统必须具有内嵌式、实时性好、多用户的特点。南京东大移动互联技术有限公司研制的智能多媒体家庭网关，就是以嵌入式Linux作为该嵌入式设备的操作系统，设备之间的相互通信遵从蓝牙通信协议，可以支持多个设备同时接入到固定电话网、国际互联网等其它外部网络。

（3）嵌入式语音芯片

嵌入式语音芯片基于嵌入式操作系统，采用语音识别和语音合成、语音学层次结构体系和文本处理模型等技术；可以应用在手持设备、智能家电等多个领域，赋予这些设备人性化的交互方式和便利的使用方法；也可应用于玩具中，实现声控玩具、仿真宠物、与人对话的玩具；也能应用于车载通信设备实现人机交流。该芯片应用在移动通信设备中，比如，手机上短消息来时，我们不必费力地去看，而是可以听到声音。