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  嵌入式系统
嵌入式系统一般指以微处理器为核心的、智能化的、完成专用功能的非PC系统。是一种对功能、可靠性、体积、功耗都有严格要求的专用计算机系统。现代信息化社会中,嵌入式系统设备已经广泛的存在于我们的日常生活和工业生产当中,手机、PDA、电视机顶盒、汽车的电脑控制器、数字机床、机器人等都属于嵌入式系统设备。同通用型计算机系统相比嵌入式计算机系统具有以下特点:
1、嵌入式系统面向特定的应用,实现相对单一的功能。其包含的硬件和软件都必须根据需求高效率设计,在有限的体积内实现更高的性能;
2、根据功能需求选择特定的微处理器作为系统核心。微处理器不同于通常所说的CPU,它除了完成CPU的功能外还集成丰富多样的外设接口、ROM和RAM存储器、中断控制、DMA控制、硬件乘法器等设备,最大程度减少系统的外围器件,缩小电路板的面积;
3、软件一般固化在系统的存储器芯片或微处理器内部的存储器中,而不是存贮于磁盘等载体中;
4、没有操作系统或使用专为嵌入式设备设计的操作系统;
5、低功耗、高可靠性。许多嵌入式系统采用电池供电,需要采用各种低功耗技术以延长供电时间。工业中应用的嵌入式系统一般处于一天24小时的连续工作状态中,对可靠性要求极高。
嵌入式系统的应用领域
1、工业控制
基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展,目前已经有大量的8、16、32位嵌入式微控制器在应用中,网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途径,如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。就传统的工业控制产品而言,低端型采用的往往是8位单片机。但是随着技术的发展,32位、64位的处理器逐渐成为工业控制设备的核心,在未来几年内必将获得长足的发展。
2、交通管理
在车辆导航、道路监控、流量控制与汽车服务方面,嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用。各种嵌入式终端设备的应用为交通系统提供了大量的信息,用来实现智能化的交通管理。
3、信息家电
这将称为嵌入式系统最大的应用领域,冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使你不在家里,也可以通过电话线、网络进行远程控制。在这些设备中,嵌入式系统将大有用武之地。
4、家庭智能管理系统
水、电、煤气表的远程自动抄表,安全防火、防盗系统,其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查,并实现更高,更准确和更安全的性能。目前在服务领域,如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势。
5、POS网络及电子商务
公共交通无接触智能卡(Contactless Smartcard, CSC)发行系统,公共电话卡发行系统,自动售货机,各种智能ATM终端将全面走入人们的生活,到时手持一卡就可以行遍天下。
6、环境工程与自然。
水文资料实时监测,防洪体系及水土质量监测、堤坝安全,地震监测网,实时气象信息网,水源和空气污染监测。在很多环境恶劣,地况复杂的地区,嵌入式系统将实现无人监测。
7、机器人。
嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化,高智能方面优势更加明显,同时会大幅度降低机器人的价格,使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。这些应用中,可以着重于在控制方面的应用。就远程家电控制而言,除了开发出支持TCP/IP的嵌入式系统之外,家电产品控制协议也需要制订和统一,这需要家电生产厂家来做。同样的道理,所有基于网络的远程控制器件都需要与嵌入式系统之间实现接口,然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实现控制。所以,开发和探讨嵌入式系统有着十分重要的意义。
嵌入式系统的发展
嵌入式系统的出现至今已经有30多年的历史,近几年来,计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明显,嵌入式技术已成为一个研究热点。纵观嵌入式技术的发展过程,大致经历四个阶段。
第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统,具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统中,一般没有操作系统的支持,通过汇编语言编程对系统进行直接控制。这一阶段系统的主要特点是:系统结构和功能相对单一,处理效率较低,存储容量较小,几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简单、价格低,以前在国内工业领域应用较为普遍,但是已经远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业控制和新兴信息家电等领域的需求。
第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。主要特点是:CPU种类繁多,通用性比较弱;系统开销小,效率高;操作系统达到一定的兼容性和扩展性;应用软件较专业化,用户界面不够友好。
第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是:嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上,兼容性好;操作系统内核小、效率高,并且具有高度的模块化和扩展性;具备文件和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能;具有大量的应用程序接口API,开发应用程序较简单;嵌入式应用软件丰富。
第四阶段是以Internet为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外,但随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切,嵌入式设备与Internet的结合将代表嵌入式系统的未来。
综上所述,嵌入式系统技术日益完善,32位微处理器在该系统中占主导地位,嵌入式操作系统已经从简单走向成熟,它与网络、Internet结合日益密切,因而,嵌入式系统应用将日益广泛。
嵌入式系统的组成
嵌入式系统一般由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。
(1)硬件层
硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器(SDRAM、ROM、Flash等)、通用设备接口和I/O接口(A/D、D/A、I/O等)。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路,就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。
嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器,嵌入式微处理器与通用CPU最大的不用在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中,它将通用CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部,从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化,同时还具有很高的效率和可靠性。
嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码。嵌入式系统的存储器包含Cache、主存和辅助存储器。Cache是一种容量小、速度快的存储器阵列它位于主存和嵌入式微处理器内核之间,存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。在需要进行数据读取操作时,微处理器尽可能的从Cache中读取数据,而不是从主存中读取,这样就大大改善了系统的性能,提高了微处理器和主存之间的数据传输速率。主存是嵌入式微处理器能直接访问的寄存器,用来存放系统和用户的程序及数据。它可以位于微处理器的内部或外部,一般片内存储器容量小、速度快,片外存储器容量大、访问速度慢一些。辅助存储器用来存放大数据量的程序代码或信息,它的容量大、但读取速度与主存相比就慢的很多,用来长期保存用户的信息。
嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口,如A/D、D/A、I/O等,外设通过和片外其他设备的或传感器的连接来实现微处理器的输入/输出功能。每个外设通常都只有单一的功能,它可以在芯片外也可以内置芯片中。目前嵌入式系统中常用的通用设备接口有A/D(模/数转换接口)、D/A(数/模转换接口),I/O接口有RS-232接口(串行通信接口)、Ethernet(以太网接口)、USB(通用串行总线接口)、音频接口、VGA视频输出接口、I2C(现场总线)、SPI(串行外围设备接口)和IrDA(红外线接口)等。
(2)中间层
硬件层与软件层之间为中间层,也称为硬件抽象层(Hardware Abstract Layer,HAL)或板级支持包(Board Support Package,BSP),它将系统上层软件与底层硬件分离开来,使系统的底层驱动程序与硬件无关,上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况,根据BSP 层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。BSP具有以下两个特点:
硬件相关性:因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性,而作为上层软 件与硬件平台之间的接口,BSP需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。
操作系统相关性:不同的操作系统具有各自的软件层次结构,因此,不同的操作系统具有特定的硬件接口形式。
(3)系统软件层
系统软件层由实时多任务操作系统(Real-time Operation System,RTOS)、文件系统、图形用户接口(Graphic User Interface,GUI)、网络系统及通用组件模块组成。RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。
嵌入式系统核心
嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式微处理器,据不完全统计,全世界嵌入式微处理器的品种已有上千种之多。其中,我们最为熟悉的是8051和68H结构的产品。实际上,几十年来,各种4、8、16和32位的处理器在嵌入式系统中都有广泛应用。当前,嵌入式系统处理器的发展趋势主要采用32位嵌入式CPU,其主流系列有ARM(包括Intel公司的strong ARM和XScale)、MIPS和SH三大系列。
RISC技术为计算机体系结构带来了一次重大的变革。简单的、固定长度的、单周期执行指令的RISC计算系统,与传统、复杂、可变长度指令并行执行的CISC计算机系统相比较,在相同的条件下,RISC技术的速度快2~5倍,具有巨大的性价比优势。RISC技术推动着计算机体系结构从封闭的CISC向开放的结构发展。因此,世界上各大CPU芯片制造厂商争相开发生产RISC芯片,目前的典型结构为ARM系列、MIPS和SH,32位字长,最高时钟速率可达400MHz。多种嵌入式
实时操作系统大都支持上述RISC处理器。
嵌入式微处理器一般具备4个特点:
(1) 对实时和多任务有很强的支持能力,能完成多任务并且有较短的中断响应时间,从而使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度;
(2) 具有功能很强的存储区保护功能,这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化,而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用,需要设计强大的存储区保护功能,同时也有利于软件诊断;
(3) 可扩展的处理器结构,以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处理器;
(4) 嵌入式微处理器的功耗必须很低,尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此,功耗只能为mW甚至μW级。
我们把嵌入式系统核心分为以下几类:
(1)嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)
嵌入式微处理器采用“增强型”通用微处理器。由于嵌入式系统通常应用于环境比较恶劣的环境中,因而嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼容性以及可靠性方面的要求较通用的标准微处理器高。但是,嵌入式微处理器在功能方面与标准的微处理器基本上是一样的。根据实际嵌入式应用要求,将嵌入式微处理器装配在专门设计的主板上,只保留和嵌入式应用有关的主板功能,这样可以大幅度减小系统的体积和功耗。和工业控制计算机相比,嵌入式微处理器组成的系统具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。由嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路主板上则构成一个通常所说的单板机系统。嵌入式处理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。
(2)嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)
嵌入式微控制器又称单片机,它将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心,根据某些典型的应用,在芯片内部集成了ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能部件和外设。为适应不同的应用需求,对功能的设置和外设的配置进行必要的修改和裁减定制,使得一个系列的单片机具有多种衍生产品,每种衍生产品的处理器内核都相同,不同的是存储器和外设的配置及功能的设置。这样可以使单片机最大限度地与应用需求相匹配,从而减少整个系统的功耗和成本。和嵌入式微处理器相比,微控制器的单片化使应用系统的体积大大减小,从而使功耗和成本大幅度下降、可靠性提高。由于嵌入式微控制器目前在产品的品种和数量上是所有种类嵌入式处理器中最多的,而且上述诸多优点决定了微控制器是嵌入式系统应用的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富,适合于控制,因此称为微控制器。通常,嵌入式微处理器可分为通用和半通用两类,比较有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、68300等。而比较有代表性的半通用系列,如支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541;支持I2C、CAN总线、LCD等众多专用MCU和兼容系列。目前MCU约占嵌入式系统市场份额的70%。
(3)嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)
在数字信号处理应用中,各种数字信号处理算法相当复杂,一般结构的处理器无法实时的完成这些运算。由于DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计,使其适合于实时地进行数字信号处理。在数字滤波、FFT、谱分析等方面,DSP算法正大量进入嵌入式领域,DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能,过渡到采用嵌入式DSP处理器。
嵌入式DSP处理器有两类:
(1)DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器,TI的TMS320C2000/C5000等属于此范畴;
(2)在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器,例如Intel的MCS-296和Infineon(Siemens)的TriCore
。另外,在有关智能方面的应用中,也需要嵌入式DPS处理器,例如各种带有智能逻辑的消费类产品,生物信息识别终端,带有加解密算法的键盘,ADSL接入、实时语音压解系统,虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是运算量较大,特别是向量运算、指针线性寻址等较多,而这些正是DSP处理器的优势所在。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TI的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列、移动通信的C5000系列,以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000、DSP56100、DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。另外,Philips公司最近也推出了基于可重置嵌入式DSP结构,采用低成本、低功耗技术制造的R.E.A.LDSP处理器,其特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元,应用目标是大批量消费类产品。
(4)嵌入式片上系统(System On Chip, SOC)
随着EDI的推广和VLSI设计的普及化,以及半导体工艺的迅速发展,可以在一块硅片上实现一个更为复杂的系统,这就产生了SOC技术。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库,和其他许多嵌入式系统外设一样,成为VLSI设计中一种标准的器件,用标准的VHDL、Verlog等硬件语言描述,存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统,仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除某些无法集成的器件以外,整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去,应用系统电路板将变得很简单,对于减小整个应用系统体积和功耗、提高可靠性非常有利。SOC可分为通用和专用两类,通用SOC如Infineon(Siemens)的TriCore、Motorola的M-Core,以及某些ARM系列器件,如Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等;专用SOC一般专用于某个或某类系统中,如Philips的Smart XA,它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上,形成一个可加载Java或C语言的专用SOC,可用于互联网安全方面。
嵌入式操作系统
嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件,它是嵌入式系统(包括硬、软件系统)极为重要的组成部分,通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等Browser。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点,如能够有效管理越来越复杂的系统资源;能够把硬件虚拟化,使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来;能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操作系统相比较,嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。
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