學(xué)習(xí)筆記1：嵌入式系統(tǒng)的概念、特點(diǎn)、應(yīng)用和組成
按照傳統(tǒng)的觀點(diǎn)，我們的計(jì)算機(jī)主要分為超算、大型、中型、小型和微型機(jī)。但這種劃分往往不太準(zhǔn)確，因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)信息發(fā)展，小型計(jì)算機(jī)和微型計(jì)算機(jī)的能力相較之前也變得非常強(qiáng)大。所以我們以應(yīng)用為中心來(lái)分類(lèi)計(jì)算機(jī)，將計(jì)算機(jī)分成嵌入式應(yīng)用和非嵌入式應(yīng)用計(jì)算機(jī)，于是就產(chǎn)生了嵌入式計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī)的區(qū)別。
那么嵌入式計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)定義，是用于控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備機(jī)器和車(chē)間運(yùn)行的裝置。嵌入式計(jì)算機(jī)則以嵌入式系統(tǒng)的形式，隱藏在各種裝置產(chǎn)品和系統(tǒng)中。
我們普遍認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)，其英文為Embedded Systems。它是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適合應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
它是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散而又不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)，它將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)和各行各業(yè)的具體應(yīng)用結(jié)合起來(lái)。
一、嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)
1.嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用密切相關(guān)
它面向用戶，面向產(chǎn)品，面向應(yīng)用。其處理器的功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面，均受到應(yīng)用要求的制約。
2.嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)資源有限
本著夠用就行的原則，嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)資源是十分寶貴的。因?yàn)樗€有實(shí)時(shí)性的要求，所以程序的編寫(xiě)質(zhì)量和編譯工具的質(zhì)量要更高，以減少程序二進(jìn)制代碼長(zhǎng)度，提高執(zhí)行速度。
3.嵌入式系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)約束特點(diǎn)
由于嵌入式系統(tǒng)很多都是實(shí)時(shí)系統(tǒng)。在多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)中，對(duì)重要性各不相同的任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧的合理調(diào)度，是保證每個(gè)任務(wù)及時(shí)執(zhí)行的關(guān)鍵，單純通過(guò)提高處理器速度，是無(wú)法完成和沒(méi)有效率的，這種任務(wù)調(diào)度只能由優(yōu)化編寫(xiě)的系統(tǒng)軟件來(lái)完成，因此，系統(tǒng)軟件的高實(shí)時(shí)性就成了基本的要求。
4.它需要交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境和調(diào)試工具
嵌入式系統(tǒng)本身不具備自己開(kāi)發(fā)能力，即使設(shè)計(jì)完成以后，用戶通常也不能對(duì)其中的程序功能進(jìn)行修改，必須用一套開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計(jì)算機(jī)上的軟硬件設(shè)備，以及各種邏輯分析儀、混合信號(hào)示波器等。
二、嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用
嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用可以分為三大類(lèi)：民用、工業(yè)用和特殊用途。它的應(yīng)用非常廣泛，涉及通信、網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)電子產(chǎn)品、信息家電，醫(yī)療儀器、汽車(chē)電子、工業(yè)控制、儀器儀表、航天、國(guó)防等各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域。
其中，通信領(lǐng)域大量應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)，主要包括程控交換機(jī)、路由器、IP交換機(jī)、傳輸設(shè)備等。
在消費(fèi)電子領(lǐng)域，正在向著數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，高清晰度數(shù)字電視將逐漸取代傳統(tǒng)的模擬電視，地面波Dtmb技術(shù)也需要嵌入式系統(tǒng)的支持。
在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，各種家用電器和手機(jī)將實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)還將醫(yī)療儀器、汽車(chē)電子、工業(yè)控制、儀器儀表等領(lǐng)域結(jié)合在一起，他們對(duì)智能控制需求的不斷增長(zhǎng)，設(shè)備智能化、數(shù)字化為嵌入式系統(tǒng)提供了巨大的市場(chǎng)。
時(shí)至今日，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)處不在、無(wú)孔不入，與我們的生活息息相關(guān)。
三、嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)成
首先，嵌入式系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個(gè)部分。它的軟件和硬件都非常精簡(jiǎn)，是量身定制的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)及應(yīng)用系統(tǒng)。
（一）嵌入式系統(tǒng)的硬件
嵌入式系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，是以嵌入式處理器為中心，配置存儲(chǔ)器、IO設(shè)備、通信模塊、電源等必要的輔助接口，更重要的是，它還是嵌入式系統(tǒng)軟件運(yùn)行的物理平臺(tái)。
作為嵌入式系統(tǒng)硬件的核心，嵌入式微處理器主要分為以下四類(lèi)：
1.嵌入式微處理器，Embedded Microprocessors Unit，即EMPU；由嵌入式微處理器及其存儲(chǔ)器、總線、外設(shè)等安裝在同一塊電路板上，可稱(chēng)為單板計(jì)算機(jī)。比較有代表性的是ARM和X86。
2.嵌入式微控制器，英文Micro Controller Unit ，即MCU；嵌入式微控制器又稱(chēng)為單片機(jī)，它能將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片之中。
3.嵌入式DSP處理器，英文Embedded Digital Signal Processor即EDSP，即嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器；例如語(yǔ)音合成和編碼解碼器、數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等各種儀器上，DSP都獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。
4.嵌入式片上系統(tǒng)，英文System on Chip，即SoC。它是一種基于知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）核嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。它結(jié)合了許多功能區(qū)塊，將功能做在一個(gè)芯片上，利用多種微處理器核心，加上通信的接口單元，形成獨(dú)立的處理芯片：比如通用串行端口USB、 TCP/IP通信單元、藍(lán)牙模塊接口、GPRS通信接口、3G通信接口等。在5G時(shí)代，半導(dǎo)體工廠可以通過(guò)設(shè)計(jì)圖制作出手機(jī)專(zhuān)用5G芯片。
（二）嵌入式系統(tǒng)軟件
嵌入式系統(tǒng)軟件可以分為兩大類(lèi)：含操作系統(tǒng)的、不含操作系統(tǒng)的。它是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的控制核心，控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，提供人機(jī)交互信息等。
其中，功能簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)，可以?xún)H有應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。而設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的程序時(shí)，可能需要一個(gè)操作系統(tǒng)OS，來(lái)管理、控制內(nèi)存、多任務(wù)、周邊資源等。值得一提的是，為了減少應(yīng)用程序員的工作量，可以依據(jù)嵌入式系統(tǒng)所提供的程序界面來(lái)編寫(xiě)應(yīng)用程序。
對(duì)于使用操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)一般，包括四個(gè)層面：設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS、應(yīng)用程序接口API層、實(shí)際應(yīng)用程序?qū)?。和硬件電路的可裁剪性一樣，軟件部分也是可裁剪的?/p>
為了滿足嵌入式系統(tǒng)的需要，其操作系統(tǒng)必須包括一些最基本的功能，比如，中斷處理和進(jìn)程調(diào)度，用戶可以通過(guò)API來(lái)使用操作系統(tǒng)。
基于操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，嵌入式系統(tǒng)的正確性，不僅依賴(lài)于計(jì)算的邏輯，結(jié)果也依賴(lài)于結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間。
四、嵌入式系統(tǒng)的其它特點(diǎn)
節(jié)能，可以通過(guò)電池供電，持續(xù)長(zhǎng)達(dá)一年之久。體積小，功能單一。嵌入式系統(tǒng)與通用系統(tǒng)相比，技術(shù)路線完全不同。下圖為血壓監(jiān)測(cè)的應(yīng)用：
小結(jié)
嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)知識(shí)：包括嵌入式系統(tǒng)的概念、特點(diǎn)、應(yīng)用和組成，涉及了嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基本知識(shí)和概念，能夠系統(tǒng)的建立起嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的整體框架和知識(shí)體系。