嵌入式系統(tǒng)的定義與發(fā)展歷史

　　嵌入式系統(tǒng)誕生于微型機(jī)時(shí)代，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的獨(dú)立發(fā)展的單片機(jī)道路。下面是小編整理的關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的定義與發(fā)展歷史，希望大家認(rèn)真分析!

　　現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的技術(shù)發(fā)展史

　　(1) 始于微型機(jī)時(shí)代的嵌入式應(yīng)用

　　電子數(shù)字計(jì)算機(jī)誕生于1946年，在其后漫長(zhǎng)的歷史進(jìn)程中，計(jì)算機(jī)始終是供養(yǎng)在特殊的機(jī)房中，實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算的大型昂貴設(shè)備。直到20世紀(jì)70年代，微處理器的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)才出現(xiàn)了歷史性的變化。以微處理器為核心的微型計(jì)算機(jī)以其小型、價(jià)廉、高可靠性特點(diǎn)，迅速走出機(jī)房;基于高速數(shù)值解算能力的微型機(jī)，表現(xiàn)出的智能化水平引起了控制專業(yè)人士的興趣，要求將微型機(jī)嵌入到一個(gè)對(duì)象體系中，實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系的智能化控制。例如，將微型計(jì)算機(jī)經(jīng)電氣加固、機(jī)械加固，并配置各種外圍接口電路，安裝到大型艦船中構(gòu)成自動(dòng)駕駛儀或輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這樣一來(lái)，計(jì)算機(jī)便失去了原來(lái)的形態(tài)與通用的計(jì)算機(jī)功能。為了區(qū)別于原有的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，把嵌入到對(duì)象體系中，實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系智能化控制的計(jì)算機(jī)，稱作嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。因此，嵌入式系統(tǒng)誕生于微型機(jī)時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)的嵌入性本質(zhì)是將一個(gè)計(jì)算機(jī)嵌入到一個(gè)對(duì)象體系中去，這些是理解嵌入式系統(tǒng)的基本出發(fā)點(diǎn)。

　　(2) 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的兩大分支

　　由于嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要嵌入到對(duì)象體系中，實(shí)現(xiàn)的是對(duì)象的智能化控制，因此，它有著與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完全不同的技術(shù)要求與技術(shù)發(fā)展方向。

　　通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)要求是高速、海量的數(shù)值計(jì)算;技術(shù)發(fā)展方向是總線速度的無(wú)限提升，存儲(chǔ)容量的無(wú)限擴(kuò)大。 而嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)要求則是對(duì)象的智能化控制能力;技術(shù)發(fā)展方向是與對(duì)象系統(tǒng)密切相關(guān)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改裝，在大型設(shè)備中實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用。然而，對(duì)于眾多的對(duì)象系統(tǒng)(如家用電器、儀器儀表、工控單元……)，無(wú)法嵌入通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，況且嵌入式系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向完全不同，因此，必須獨(dú)立地發(fā)展通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這就形成了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的兩大分支。

　　如果說(shuō)微型機(jī)的出現(xiàn)，使計(jì)算機(jī)進(jìn)入到現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展階段，那么嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的誕生，則標(biāo)志了計(jì)算機(jī)進(jìn)入了通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兩大分支并行發(fā)展時(shí)代，從而導(dǎo)致20世紀(jì)末，計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展時(shí)期。

　　(3) 兩大分支發(fā)展的里程碑事件

　　通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的專業(yè)化分工發(fā)展，導(dǎo)致20世紀(jì)末、21世紀(jì)初，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展。計(jì)算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域集中精力發(fā)展通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件技術(shù)，不必兼顧嵌入式應(yīng)用要求，通用微處理器迅速?gòu)?86、386、486到奔騰系列;操作系統(tǒng)則迅速擴(kuò)張計(jì)算機(jī)基于高速海量的數(shù)據(jù)文件處理能力，使通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入到盡善盡美階段。

　　嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)則走上了一條完全不同的道路，這條獨(dú)立發(fā)展的道路就是單芯片化道路。它動(dòng)員了原有的傳統(tǒng)電子系統(tǒng)領(lǐng)域的廠家與專業(yè)人士，接過(guò)起源于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)，承擔(dān)起發(fā)展與普及嵌入式系統(tǒng)的歷史任務(wù)，迅速地將傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)發(fā)展到智能化的現(xiàn)代電子系統(tǒng)時(shí)代。

　　因此，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的兩大分支的里程碑意義在于：它不僅形成了計(jì)算機(jī)發(fā)展的專業(yè)化分工，而且將發(fā)展計(jì)算機(jī)技術(shù)的任務(wù)擴(kuò)展到傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)領(lǐng)域，使計(jì)算機(jī)成為進(jìn)入人類社會(huì)全面智能化時(shí)代的有力工具。

　　嵌入式系統(tǒng)的定義與特點(diǎn)

　　如果我們了解了嵌入式(計(jì)算機(jī))系統(tǒng)的由來(lái)與發(fā)展，對(duì)嵌入式系統(tǒng)就不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的誤解，而能歷史地、本質(zhì)地、普遍適用地定義嵌入式系統(tǒng)。

　　(1) 嵌入式系統(tǒng)的定義

　　按照歷史性、本質(zhì)性、普遍性要求，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)定義為：“嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”�！扒度胄浴�、“專用性”與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的三個(gè)基本要素。對(duì)象系統(tǒng)則是指嵌入式系統(tǒng)所嵌入的宿主系統(tǒng)。

　　(2) 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)與定義不同，它是由定義中的三個(gè)基本要素衍生出來(lái)的。不同的嵌入式系統(tǒng)其特點(diǎn)會(huì)有所差異。

　　與“嵌入性”的相關(guān)特點(diǎn)：由于是嵌入到對(duì)象系統(tǒng)中，必須滿足對(duì)象系統(tǒng)的環(huán)境要求，如物理環(huán)境(小型)、電氣/氣氛環(huán)境(可靠)、成本(價(jià)廉)等要求。

　　與“專用性”的相關(guān)特點(diǎn)：軟、硬件的裁剪性;滿足對(duì)象要求的最小軟、硬件配置等。

　　與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”的相關(guān)特點(diǎn)：嵌入式系統(tǒng)必須是能滿足對(duì)象系統(tǒng)控制要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。與上兩個(gè)特點(diǎn)相呼應(yīng)，這樣的計(jì)算機(jī)必須配置有與對(duì)象系統(tǒng)相適應(yīng)的接口電路。

　　另外，在理解嵌入式系統(tǒng)定義時(shí)，不要與嵌入式設(shè)備相混淆。嵌入式設(shè)備是指內(nèi)部有嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品、設(shè)備，例如，內(nèi)含單片機(jī)的家用電器、儀器儀表、工控單元、機(jī)器人、手機(jī)、PDA等。

　　(3) 嵌入式系統(tǒng)的種類與發(fā)展

　　按照上述嵌入式系統(tǒng)的定義，只要滿足定義中三要素的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，都可稱為嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)按形態(tài)可分為設(shè)備級(jí)(工控機(jī))、板級(jí)(單板、模塊)、芯片級(jí)(MCU、SoC)。

　　有些人把嵌入式處理器當(dāng)作嵌入式系統(tǒng)，但由于嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，因此，只有將嵌入式處理器構(gòu)成一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并作為嵌入式應(yīng)用時(shí)，這樣的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)才可稱作嵌入式系統(tǒng)。

　　嵌入式系統(tǒng)與對(duì)象系統(tǒng)密切相關(guān)，其主要技術(shù)發(fā)展方向是滿足嵌入式應(yīng)用要求，不斷擴(kuò)展對(duì)象系統(tǒng)要求的外圍電路(如ADC、DAC、PWM、日歷時(shí)鐘、電源監(jiān)測(cè)、程序運(yùn)行監(jiān)測(cè)電路等)，形成滿足對(duì)象系統(tǒng)要求的應(yīng)用系統(tǒng)。因此，嵌入式系統(tǒng)作為一個(gè)專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，要不斷向計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展。因此，可以把定義中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)引伸成，滿足對(duì)象系統(tǒng)要求的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

　　種類

　　嵌入式微處理器

　　嵌入式微處理器（Embedded Microprocessor Unit，EMPU）是以通用計(jì)算機(jī)中的標(biāo)準(zhǔn)CPU為微處理器，并將其裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，且僅保留與嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)。與通用計(jì)算機(jī)相比，其系統(tǒng)體積和功耗大幅度減小，而工作溫度的范圍、抗電磁干擾能力、系統(tǒng)的可靠性等方面均有提高。

　　在EMPU中，微處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，通常由3大部分組成：控制單元、算術(shù)邏輯單元和寄存器。

　　嵌入式微控制器

　　嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，MCU）又稱單片機(jī)。它以某一種微處理器為核心，芯片內(nèi)部集成有一定容量的存儲(chǔ)器（ROM/EPROM、RAM）、I/O接口（串行接口、并行接口）、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、看門狗、脈寬調(diào)制輸出、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、總線、總線邏輯等。與嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化、體積小、功耗低、可靠性較高。微控制器是嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。

　　嵌入式處理器

　　嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合執(zhí)行 DSP算法，編譯效率高，指令執(zhí)行速度也較快，在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面，DSP算法已廣泛應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正從在單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能，過(guò)渡到采用EDSP。

　　嵌入式片上系統(tǒng)

　　嵌入式片上系統(tǒng)（System onChip，SoC）是集系統(tǒng)性能于一塊芯片上的系統(tǒng)組芯片。它通常含有一個(gè)或多個(gè)微處理器IP核（CPU），根據(jù)需求也可增加一個(gè)或多個(gè)DSP IP核，相應(yīng)的外圍特殊功能模塊，以及一定容量的存儲(chǔ)器（RAM、ROM）等，并針對(duì)應(yīng)用所需的性能將其設(shè)計(jì)集成在芯片上，成為系統(tǒng)操作芯片。其主要特點(diǎn)是嵌入式系統(tǒng)能夠運(yùn)行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好，操作系統(tǒng)的內(nèi)核小，效果好。

　　軟件體系

　　嵌入式系統(tǒng)的軟件體系是面向嵌入式系統(tǒng)特定的硬件體系和用戶要求而設(shè)計(jì)的，是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。嵌入式系統(tǒng)軟件的特征包括：（1）軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ)；（2）軟件代碼質(zhì)量高、可靠性好；（3）操作系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

　　嵌入式系統(tǒng)軟件體系和通用計(jì)算機(jī)軟件體系類似，分成驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層、中間件層和應(yīng)用層等四層，各有其特點(diǎn)。

　　驅(qū)動(dòng)層

　　驅(qū)動(dòng)層是直接與硬件打交道的一層，它為操作系統(tǒng)和應(yīng)用提供硬件驅(qū)動(dòng)或底層核心支持。在嵌入式系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)程序有時(shí)也稱為板級(jí)支持包(BSP)。BSP具有在嵌入式系統(tǒng)上電后初始化系統(tǒng)的基本硬件環(huán)境的功能,基本硬件包括微處理器、存儲(chǔ)器、中斷控制器、DMA、定時(shí)器等。驅(qū)動(dòng)層--般可以有三種類型的程序，即板級(jí)初始化程序、標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用驅(qū)動(dòng)程序。

　　操作系統(tǒng)層

　　嵌入式系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)具有一般操作系統(tǒng)的核心功能，負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟硬件資源的分配、調(diào)度工作控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動(dòng)。它仍具有嵌入式的特點(diǎn)，屬于嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded Operating System,EOS)。主流的嵌入式操作系統(tǒng)有Windows CE、Palm：OS、Linux、VxWorks.pSOS.QNX.LynxOS等。有了嵌入式操作系統(tǒng)，編寫應(yīng)用程序就更加快速、高效、穩(wěn)定。

　　中間件層

　　中間件是用于幫助和支持應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的軟件，通常包括數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、圖形支持及相應(yīng)開(kāi)發(fā)工具等，例如：MySQL、TCP/IP、GU1等都屬于這一類軟件。

　　應(yīng)用層

　　嵌入式應(yīng)用軟件是針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域，用來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶預(yù)期目標(biāo)的軟件。嵌入式應(yīng)用軟件和普通應(yīng)用軟件有一定的區(qū)別，它不僅要求在準(zhǔn)確性、安全性和穩(wěn)定性等方面能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，而且還要盡可能地進(jìn)行優(yōu)化，以減少對(duì)系統(tǒng)資源的消耗，降低硬件成本。嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件是最活躍的力量，每種應(yīng)用軟件均有特定的應(yīng)用背景。盡管規(guī)模較小，但專業(yè)性較強(qiáng)，所以嵌入式應(yīng)用軟件不像操作系統(tǒng)和支撐軟件那樣受制于國(guó)外產(chǎn)品，是我國(guó)嵌入式軟件的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域。

　　嵌入方式

　　嵌入式系統(tǒng)是通過(guò)把CPU嵌入目標(biāo)系統(tǒng)或被控系統(tǒng)中起作用的。但是在不同的嵌入式系統(tǒng)中，嵌入的形式和程度是各不相同的。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)和通用計(jì)算機(jī)連接關(guān)系的密切程度，嵌入形式可以分為全嵌入方式、半嵌入方式。

　　全嵌入方式

　　如果采用全嵌入方式，則嵌入式系統(tǒng)(或其核心功能)可以不依賴于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，即可單獨(dú)工作，典型實(shí)例有手機(jī)、MP4、車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)等。采用全嵌入方式的嵌入式系統(tǒng)有如下特點(diǎn)。

　　(1)具有獨(dú)立的處理器系統(tǒng)，且具有完整的輸入/輸出系統(tǒng)，能獨(dú)立完成系統(tǒng)的功能。

　　(2)高端CPU支持嵌入式操作系統(tǒng)，可以開(kāi)發(fā)功能復(fù)雜的應(yīng)用程序。

　　(3)一般為便攜式手持式設(shè)備，其工作環(huán)境一般是無(wú)人值守、移動(dòng)空間、高空或其他條件惡劣的環(huán)境。

　　(4)供電方式一般采用電池供電，有些情況下也可以直接采用市電220V供電，由系統(tǒng)自行設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓電路。較高端的設(shè)備往往會(huì)把兩種供電方式結(jié)合起來(lái)，讓用戶使用起來(lái)更加靈活。

　　(5)全嵌入方式適合任何不宜采用通用計(jì)算機(jī)的場(chǎng)合，如消費(fèi)電子、家用電器、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工業(yè)控制、智能儀器、戰(zhàn)場(chǎng)電子對(duì)抗、航天航空武器等，其應(yīng)用范圍十分廣泛。

　　半嵌入方式

　　如果采用半嵌入方式，則嵌入式系統(tǒng)(或其核心功能)需要和通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)才能正常工作，典型實(shí)例有醫(yī)用B超系統(tǒng)、基于PCI卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。采用半嵌入方式的嵌入式系統(tǒng)有如下特點(diǎn)。

　　(1)一般沒(méi)有獨(dú)立的處理器，而是借用通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的CPU完成計(jì)算和/或控制功能;有時(shí)即使具有自己的獨(dú)立處理器，但是處理器也只是完成一些有限的特定功能，而不具備控制全部系統(tǒng)的功能。

　　(2)嵌入式系統(tǒng)只是整個(gè)系統(tǒng)的一部分，只能完成整個(gè)系統(tǒng)的一部分功能，而其他功能需要在通用計(jì)算機(jī)上完成。通用計(jì)算機(jī)利用自己豐富的軟件和硬件資源，提供友好的人機(jī)操作界面和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。

　　(3)嵌入式系統(tǒng)的功能體對(duì)前端數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行對(duì)被控對(duì)象的控制，其中的數(shù)據(jù)分析、處理和存儲(chǔ)等功能由通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成。

　　(4)嵌入式系統(tǒng)一般采用各種規(guī)范的總線形式和通用計(jì)算機(jī)相連接。典型的實(shí)例有PCI總線、USB總線等，簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)還可以通過(guò)串口來(lái)連接。

　　(5)嵌入式系統(tǒng)是作為外設(shè)連接在通用計(jì)算機(jī)上的，因此在通用計(jì)算機(jī)中一般需要提供嵌入式系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序。

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