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1.1 嵌入式系统概念

嵌入式系统是电子系统,也是专用计算机系统,其概念本身比较模糊。但嵌入式系统已经渗透人们生活的每个角落,生活中的嵌入式系统,如图1.1 所示。嵌入式系统在工业、服务业、消费电子等领域都有应用,而正是这种广泛的应用,使得“嵌入式系统”的概念更加难以明确定义。比如:一台机器人系统是否可以称为嵌入式系统?答案是肯定的。另外,一个工业自动化控制系统可以被称为嵌入式系统吗?当然可以,工业控制是嵌入式系统技术的一个典型应用领域。

电子数字计算机诞生于 1946 年,在其后漫长的历史进程中,计算机很长一段时间是存放于机房的大型设备。直到 20 世纪 70 年代单片机的出现,计算机才出现了历史性的变化,以单片机为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性等特点,迅速走出机房。在汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品中,可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能:更容易使用、更快、更便宜、更智能。这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点,但是由于此时单片机是 8 位芯片,仅执行一些单线程的程序,还谈不上“系统”的概念。

图1.1 生活中的嵌入式系统

嵌入式系统诞生于微型机时代,嵌入式系统的嵌入性本质是将一台计算机嵌入一个对象体系中,从而实现对象的智能化控制,因此,它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算;技术发展方向是总线速度的无限提升,存储容量的无限扩大。而嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力;技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。

从 20 世纪 80 年代开始,嵌入式系统的程序员开始用商业级的操作系统编写嵌入式应用软件,以获取更短的开发周期,更低的开发资金和更高的开发效率,才真正出现了嵌入式系统,但此时的嵌入式操作系统只是一个实时核,它包括了操作系统的任务管理、任务间通信、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等机制,如VRTX,VxWorks,QNX等。这些嵌入式操作系统都具有嵌入式的典型特点:它们均采用占先式的调度,强调实时性;系统内核小,具有可裁剪性、可扩充和可移植性。20 世纪 90 年代以后,随着嵌入式系统对实时性要求的提高,嵌入式操作系统逐渐发展为实时多任务操作系统(Real Time multi-tasking Operation System,RTOS),并作为一种软件平台逐步成为国际嵌入式系统的主流。这时出现了大量的嵌入式操作系统,如PalmOS,WinCE、嵌入式Linux,Lynx,Nucleux等。

国内嵌入式领域对嵌入式的定义为:嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是由嵌入式硬件和嵌入式软件紧密耦合在一起的系统,其硬件包括微处理器、存储器、各种外设、I/O控制端口等(微处理器是嵌入式硬件的核心,通常有 8 位、16 位、32 位微控制器);软件包括嵌入式操作系统和应用程序。嵌入式系统的组成如图1.2 所示。

电气与电子工程师协会(IEEE)对嵌入式系统的定义为:嵌入式系统是控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置。这表明嵌入式系统具有嵌入性、专用性和智能性。概括起来,嵌入式系统具有以下 5 个特点:

图1.2 嵌入式系统的组成

①嵌入式系统是面向特定对象的系统,其设计和开发只需要满足特定环境和系统要求,如小型化、结构紧凑、成本低廉等;不追求通用性和高速度。换句话说,嵌入式系统通常需要与某些特定的应用领域紧密结合。

②嵌入式系统是先进计算机技术、电子技术、半导体技术与具体应用结合的产物,其设计开发必须将硬件技术和软件技术相结合,应用开发和行业特点相结合。

③嵌入式系统的硬件和软件都必须具有较高的效率,量体裁衣,在相同资源条件下实现更高的性能,追求性价比的极大化。

④嵌入式系统将计算机系统的底层技术与特定行业特点或特定行业领域融为一体,这使得嵌入式系统的产品生命周期一般比计算机系统更长。

⑤嵌入式系统的软件大多都固化在非易失的存储器中,而不是存储在磁盘中,这大大提高了系统的执行速度和可靠性。 tm+K6IDpGgwiP3N0giERodqBBbokOrRBmVwSjGzLkpmtgY2jAKRp18UPOfURMKNz

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