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嵌入式系统

嵌入式系统是一种"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协会的定义,嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。与个人计算机这样的通用计算机系统不同,嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务,设计人员能够对它进行优化,减小尺寸降低成本。嵌入式系统通常进行大量生产,所以单个的成本节约,能够随着产量进行成百上千的放大。

嵌入式系统是用来控制或者监视机器、装置、工厂等大规模设备的系统。国内普遍认同的嵌入式系统定义为:以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统的核心是由一个或几个预先编程好以用来执行少数几项任务的微处理器或者单片机组成。与通用计算机能够运行用户选择的软件不同,嵌入式系统上的软件通常是暂时不变的;所以经常称为"固件"。

嵌入式系统(Embedded system)是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”(devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体,还可以涵盖机械等附属装置。目前国内一个普遍被认同的定义是:以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统一般由以下几部分组成:

嵌入式微处理器

外围硬件设备

嵌入式操作系统

特定的应用程序

可从几方面来理解嵌入式系统:

◆嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的,它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。因此可以这样理解上述三个面向的含义,即嵌入式系统是与应用紧密结合的,它具有很强的专用性,必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。

◆嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物,这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以,介入嵌入式系统行业,必须有一个正确的定位。例如Palm之所以在PDA领域占有70%以上的市场,就是因为其立足于个人电子消费品,着重发展图形界面和多任务管理;而风河的Vxworks之所以在火星车上得以应用,则是因为其高实时性和高可靠性。

◆嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪,满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。所以,如果能建立相对通用的软硬件基础,然后在其上开发出适应各种需要的系统,是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几K到几十K微内核,需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减,但是由于微内核的存在,使得这种扩展能够非常顺利的进行。

实际上,嵌入式系统本身是一个外延极广的名词,凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统,而且有时很难以给它下一个准确的定义。现在人们讲嵌入式系统时,某种程度上指近些年比较热的具有操作系统的嵌入式系统,本文在进行分析和展望时,也沿用这一观点。

一般而言,嵌入式系统的构架可以分成四个部分:处理器、存储器、输入输出(I/O)和软件(由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合的,在这里我们对其不加区分,这也是嵌入式系统和Windows系统的最大区别)。

嵌入式开发板就是半导体行业分工合作的载体之一,它为开发产品的厂商提供基本的底层硬件、系统和驱动等资源,使得用户不需要再投入人力和时间来完成这些底层的工作。

功能与作用

嵌入式开发板,从概念上来讲,与软件外包非常类似(软件外包是指软件外包提供商为了集中精力从事核心竞争力业务,降低项目成本,同时提高项目实施的质量,将自己的软件项目中的全部或部分工作发包给合适的软件企业去完成)。

嵌入式开发板牵涉的软件工作分工像嵌入式产品的硬件、引导代码、驱动程序、文件系统、协议层、基本应用软件这些方面,都是电子产品的公共和通用部分,并不是产品能够形成差异化的关键技术,在这个讲求分工合作的时代,如果是这部分的工作量比较大,或者是厂商没有相关的开发人员的时候,就能够选择由第三方完成这些软件开发的工作,加快产品研发的进程,实现产品的迅速上市,抢占市场先机。

那么,作为“发包方”的开发板用户,选择开发板的时候,实际上选择的不仅是一个硬件板子、开发板提供的源代码等资源,而是选择一个合作伙伴,一个为用户提供软硬件服务的合作伙伴。与软件外包这种合作方式类似,用户和供应商之间的合作更多是软件方面的合作,需要用户和供应商之间根据产品的具体需求进行充分沟通,供应商要根据用户的需求不断地调用人员进行配合。像我们在支持客户进行产品开发的过程中,遇到的比如更改文件系统、串口测试、64M Flash换成128M Flash等问题,大多情况都是要通过软件方式来解决的,这就形成了嵌入式行业供应商的售后支持和客户研发的高度互动性。

也就是说,嵌入式开发板是用户软件外包的载体,相对于传统的软件外包业务,开发板实际上能够为用户提供硬件实物和软件服务两方面的价值。

目前,在嵌入式行业中,除了嵌入式开发板,外包的形式也趋向多样化,用户能够根据自己的产品需要,向供应商提出定制要求,由供应商提供硬件设计和驱动移植等方面的服务;有可能电子厂商会自己设计硬件,由嵌入式系统厂商帮助其完成系统的移植、驱动的完善工作。从行业链上的作用来看,嵌入式系统厂商能够采用灵活的服务方式,利用自己的技术优势帮助电子产品厂商缩短产品开发周期、节省设计资源方面的投资,促进电子产品厂商的快速发展。

虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的,但是这个概念并非新近才出现。从20世纪七十年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器,微控制器的大规模应用,嵌入式系统已经有了近30年的发展历史。

作为一个系统,往往是在硬件和软件交替发展的双螺旋的支撑下逐渐趋于稳定和成熟,嵌入式系统也不例外。

嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。70年代单片机的出现,使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品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。这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点,但是这时的应用只是使用8位的芯片,执行一些单线程的程序,还谈不上“系统”的概念。

提示:最早的单片机是Intel公司的 8048,它出现在1976年。Motorola同时推出了68HC05,Zilog公司推出了Z80系列,这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4K的ROM、4 个8位并口、1个全双工串行口、两个16位定 时 器。之后在80年代初,Intel又进一步完善了8048,在它的基础上研制成功了8051,这在单片机的历史上是值得纪念的一页,迄今为止,51系列的单片机仍然是最为成功的单片机芯片,在各种产品中有着非常广泛的应用。

从80年代早期开始,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,这使得可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,“嵌入式系统”真正出现了。确切点说,这个时候的操作系统是一个实时核,这个实时核包含了许多传统操作系统的特征,包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。

其中比较著名的有Ready System 公司的VRTX、Integrated System Incorporation (ISI)的PSOS和IMG的VxWorks、QNX公司的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,响应的时间很短,任务执行的时间可以确定;系统内核很小,具有可裁剪,可扩充和可移植性,可以移植到各种处理器上;较强的实时和可靠性,适合嵌入式应用。这些嵌入式实时多任务操作系统的出现,使得应用开发人员得以从小范围的开发解放出来,同时也促使嵌入式有了更为广阔的应用空间。

90年代以后,随着对实时性要求的提高,软件规模不断上升,实时核逐渐发展为实时多任务操作系统(RTOS),并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。这时候更多的公司看到了嵌入式系统的广阔发展前景,开始大力发展自己的嵌入式操作系统。除了上面的几家老牌公司以外,还出现了Palm OS,WinCE,嵌入式Linux,Lynx,Nucleux,以及国内的Hopen,Delta Os等嵌入式操作系统。随着嵌入式技术的发展前景日益广阔,相信会有更多的嵌入式操作系统软件出现。

嵌入式系统是当前最热门最有发展前途的IT应用领域。湖南信息职业技术学院本专业主要面向电子及相关行业从事消费类嵌入式电子产品的设计开发、生产制作、安装调试、运行维护、故障分析、产品营销和售后服务等岗位。

嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景,其应用领域可以包括:

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