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1.1 嵌入式系统
1. 嵌入式系统简介
嵌入式系统（Embedded System）也称为嵌入式计算机系统，是一种完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统。根据英国电气工程师学会（Institution of Electrical Engineers）的定义，嵌入式系统是指用于控制、监视或辅助操作机器和设备的装置。当前国内普遍认可的嵌入式系统的定义为“以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统”。
与个人计算机系统这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行带有特定要求的预先定义好的任务。因此，用户可以对它进行优化，尽量减小其尺寸，以降低成本。嵌入式系统通常能够进行大量生产，大幅度地节约了单个嵌入式系统的生产成本。
嵌入式系统的核心由一个或几个预先编程好的用来执行少数几项任务的微控制器或单片机组成。与通用计算机中运行的软件不同，嵌入式系统中的软件通常是暂时不变的，所以这些软件被称为固件。嵌入式系统的架构主要由处理器、存储器、输入/输出（I/O）端口和软件四部分组成，但是对于不同的应用系统，其嵌入式系统也不尽相同。一般而言，处理器是由ARM微控制器、DSP、FPGA或传统的51单片机等可编程器件组成的，通过软件实现相应的控制或数据处理功能。
根据体系结构不同，嵌入式系统主要可以分为冯·诺依曼结构（也称普林斯顿结构）和哈佛结构，如图1.1所示。冯·诺依曼结构的主要特点为单一存储、统一编址和分时复用；哈佛结构的主要特点为程序与数据分开存储、独立编址、采用两倍带宽。哈佛结构比冯·诺依曼结构具有更高的数据处理速度。
图1.1 嵌入式系统的体系结构
2. 嵌入式系统的特点
嵌入式系统主要有以下几个重要的特点。
（1）系统内核小。由于嵌入式系统一般应用于相对小型的电子装置，系统资源有限，所以其内核比传统的操作系统内核要小得多。
（2）系统精简。嵌入式系统一般未对系统软件和应用软件进行明显的区分，不要求其功能设计和实现过于复杂，这样不仅有利于控制系统成本，还有利于实现系统安全。
（3）专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，通常需要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减进行相应的调整。
（4）实时性高。高实时性的系统软件（OS）是嵌入式系统的基本要求，并且软件要求进行固态存储，以提高速度，软件代码也要求有较高的质量和可靠性。
（5）实时多任务操作系统。随着计算机技术的不断发展，采用实时多任务操作系统（Real Time multitasking Operating System，RTOS）逐渐成为嵌入式系统开发的主流。选择合适的RTOS开发平台能够更加合理地调度多任务，利用系统资源、系统函数和专家库函数接口，保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障系统质量。
（6）需要专门的开发工具和环境。嵌入式系统的开发需要专门的开发工具和环境，由于其本身不具备自主开发能力，因此即使设计完成以后也不能对其中的程序功能进行修改，必须有专门的开发工具和环境才能进行开发。
1. 嵌入式系统的发展
嵌入式系统的发展大致经历了以下三个阶段。
（1）以嵌入式微控制器为基础的初级嵌入式系统。
（2）以嵌入式操作系统为基础的中级嵌入式系统。
（3）以Internet和RTOS为基础的高级嵌入式系统。
嵌入式技术与Internet技术的结合正在推动着嵌入式系统的飞速发展，为嵌入式系统市场展现出了美好的前景，也对嵌入式系统的生产厂商提出了新的挑战。未来嵌入式系统的发展趋势如下。
（1）嵌入式系统的开发成为一项系统工程，开发厂商不仅需要提供嵌入式系统的软硬件，还需要提供强大的硬件开发工具和软件支持包。
（2）网络化、信息化的要求随着Internet技术的成熟和带宽的提高而变得日益突出，电话、手机、冰箱、微波炉等设备的功能和结构会变得更加复杂，网络互联将成为必然趋势。
（3）系统内核更加精简，关键算法得到优化，系统功耗和软硬件成本进一步降低。
（4）为了适应网络发展的要求，未来的嵌入式系统必然要求其硬件提供各种网络通信接口，同时系统要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件；系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入Web浏览器，真正实现随时随地使用各种设备上网。
（5）提供更加友好的多媒体人机交互界面。
2. 嵌入式系统的应用领域
（1）工业控制领域。基于嵌入式系统的工业自动化设备正在飞速发展，目前已经有大量的8位、16位、32位嵌入式微控制器投入使用。传统的低端型嵌入式微控制器往往采用8位单片机，随着Internet技术的不断发展，对于当前的工业控制产品而言，16位、32位和64位嵌入式微控制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）交通管理领域。在车辆导航、流量控制、信息监测和汽车服务等领域，嵌入式系统已经得到了广泛应用，内嵌GPS模块、GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功。目前GPS设备已经进入了普通百姓的生活。
（3）信息家电领域。信息家电是嵌入式系统重要的应用领域，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。即使家里没有人，也可以通过电话和网络等对家电进行远程控制。
（4）智能管理与服务领域。在水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗等系统中引入嵌入式系统，用它代替传统的人工检查，使系统具有更高、更准确和更安全的性能。目前嵌入式系统在服务领域（如远程点菜器等）中已经展现出了优势。
（5）POS网络与电子商务领域。随着嵌入式系统的不断发展，公共交通无接触智能卡发行系统、自动售货机、各种智能ATM终端将会全面进入人们的生活，未来手持一卡就可以行遍天下。
（6）环境工程与自然领域。在环境恶劣、地况复杂的地区采用嵌入式系统，能够实现自然环境的无人监测，如水文资料的实时监测、防洪体系和水土质量监测、堤坝安全监测、地震监测、实时气象信息监测、水源和空气污染监测等。
（7）国防与航天领域。嵌入式系统的发展使机器人在微型化、高智能等方面的优势更加明显，同时大幅降低了机器人的成本，使其在国防与航天等特殊领域的应用更加广泛。