嵌入式系統的定義與發展歷史

嵌入式系統的定義與發展歷史

　　嵌入式系統誕生于微型機時代，經歷了漫長的獨立發展的單片機道路。下面是小編整理的關于嵌入式系統的定義與發展歷史，希望大家認真分析!

　　現代計算機的技術發展史

　　(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，微處理器的出現，計算機才出現了歷史性的變化。以微處理器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。

　　嵌入式系統的定義與特點

　　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) 嵌入式系統的定義

　　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”�！扒度胄浴薄ⅰ皩Ｓ眯浴迸c“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。

　　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)。

　　有些人把嵌入式處理器當作嵌入式系統，但由于嵌入式系統是一個嵌入式計算機系統，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，這樣的計算機系統才可稱作嵌入式系統。

　　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。

　　種類

　　嵌入式微處理器

　　嵌入式微處理器（Embedded Microprocessor Unit，EMPU）是以通用計算機中的標準CPU為微處理器，并將其裝配在專門設計的電路板上，且僅保留與嵌入式應用有關的母板功能，構成嵌入式系統。與通用計算機相比，其系統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、系統的可靠性等方面均有提高。

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

　　嵌入式微控制器

　　嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，MCU）又稱單片機。它以某一種微處理器為核心，芯片內部集成有一定容量的存儲器（ROM/EPROM、RAM）、I/O接口（串行接口、并行接口）、定時器/計數器、看門狗、脈寬調制輸出、A/D轉換器、D/A轉換器、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工業的主流。

　　嵌入式處理器

　　嵌入式數字信號處理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）對系統結構和指令進行了特殊設計，使其適合執行 DSP算法，編譯效率高，指令執行速度也較快，在數字濾波、FFT、譜分析等方面，DSP算法已廣泛應用于嵌入式領域，DSP應用正從在單片機中以普通指令實現DSP功能，過渡到采用EDSP。

　　嵌入式片上系統

　　嵌入式片上系統（System onChip，SoC）是集系統性能于一塊芯片上的系統組芯片。它通常含有一個或多個微處理器IP核（CPU），根據需求也可增加一個或多個DSP IP核，相應的外圍特殊功能模塊，以及一定容量的存儲器（RAM、ROM）等，并針對應用所需的性能將其設計集成在芯片上，成為系統操作芯片。其主要特點是嵌入式系統能夠運行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好，操作系統的內核小，效果好。

　　軟件體系

　　嵌入式系統的軟件體系是面向嵌入式系統特定的硬件體系和用戶要求而設計的，是嵌入式系統的重要組成部分，是實現嵌入式系統功能的關鍵。嵌入式系統軟件的特征包括：（1）軟件要求固態化存儲；（2）軟件代碼質量高、可靠性好；（3）操作系統軟件實時性強。

　　嵌入式系統軟件體系和通用計算機軟件體系類似，分成驅動層、操作系統層、中間件層和應用層等四層，各有其特點。

　　驅動層

　　驅動層是直接與硬件打交道的一層，它為操作系統和應用提供硬件驅動或底層核心支持。在嵌入式系統中，驅動程序有時也稱為板級支持包(BSP)。BSP具有在嵌入式系統上電后初始化系統的基本硬件環境的功能,基本硬件包括微處理器、存儲器、中斷控制器、DMA、定時器等。驅動層--般可以有三種類型的程序，即板級初始化程序、標準驅動程序和應用驅動程序。

　　操作系統層

　　嵌入式系統中的操作系統具有一般操作系統的核心功能，負責嵌入式系統的全部軟硬件資源的分配、調度工作控制、協調并發活動。它仍具有嵌入式的特點，屬于嵌入式操作系統(Embedded Operating System,EOS)。主流的嵌入式操作系統有Windows CE、Palm：OS、Linux、VxWorks.pSOS.QNX.LynxOS等。有了嵌入式操作系統，編寫應用程序就更加快速、高效、穩定。

　　中間件層

　　中間件是用于幫助和支持應用軟件開發的軟件，通常包括數據庫、網絡協議、圖形支持及相應開發工具等，例如：MySQL、TCP/IP、GU1等都屬于這一類軟件。

　　應用層

　　嵌入式應用軟件是針對特定應用領域，用來實現用戶預期目標的軟件。嵌入式應用軟件和普通應用軟件有一定的區別，它不僅要求在準確性、安全性和穩定性等方面能夠滿足實際應用的需要，而且還要盡可能地進行優化，以減少對系統資源的消耗，降低硬件成本。嵌入式系統中的應用軟件是最活躍的力量，每種應用軟件均有特定的應用背景。盡管規模較小，但專業性較強，所以嵌入式應用軟件不像操作系統和支撐軟件那樣受制于國外產品，是我國嵌入式軟件的優勢領域。

　　嵌入方式

　　嵌入式系統是通過把CPU嵌入目標系統或被控系統中起作用的。但是在不同的嵌入式系統中，嵌入的形式和程度是各不相同的。根據嵌入式系統和通用計算機連接關系的密切程度，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(或其核心功能)可以不依賴于通用計算機系統，即可單獨工作，典型實例有手機、MP4、車載GPS導航系統等。采用全嵌入方式的嵌入式系統有如下特點。

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

　　(2)高端CPU支持嵌入式操作系統，可以開發功能復雜的應用程序。

　　(3)一般為便攜式手持式設備，其工作環境一般是無人值守、移動空間、高空或其他條件惡劣的環境。

　　(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，由系統自行設計轉換和穩壓電路。較高端的設備往往會把兩種供電方式結合起來，讓用戶使用起來更加靈活。

　　(5)全嵌入方式適合任何不宜采用通用計算機的場合，如消費電子、家用電器、通信網絡設備、工業控制、智能儀器、戰場電子對抗、航天航空武器等，其應用范圍十分廣泛。

　　半嵌入方式

　　如果采用半嵌入方式，則嵌入式系統(或其核心功能)需要和通用計算機系統結合起來才能正常工作，典型實例有醫用B超系統、基于PCI卡的數據采集系統等。采用半嵌入方式的嵌入式系統有如下特點。

　　(1)一般沒有獨立的處理器，而是借用通用計算機系統的CPU完成計算和/或控制功能;有時即使具有自己的獨立處理器，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的功能。

　　(2)嵌入式系統只是整個系統的一部分，只能完成整個系統的一部分功能，而其他功能需要在通用計算機上完成。通用計算機利用自己豐富的軟件和硬件資源，提供友好的人機操作界面和強大的數據處理能力。

　　(3)嵌入式系統的功能體對前端數據的采集和執行對被控對象的控制，其中的數據分析、處理和存儲等功能由通用計算機系統完成。

　　(4)嵌入式系統一般采用各種規范的總線形式和通用計算機相連接。典型的實例有PCI總線、USB總線等，簡單的嵌入式系統還可以通過串口來連接。

　　(5)嵌入式系統是作為外設連接在通用計算機上的，因此在通用計算機中一般需要提供嵌入式系統的標準驅動程序。

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