第1章 嵌入式系统
1．1嵌入式系统概述
“后Pc”时代，嵌入式系统发展迅速，应用日益广泛。嵌入式系统具有可控制、可编程、成本低等特点，在未来的工业和生活中有着广阔的应用前景。互联网、物联网、人工智能等新技术的发展，不仅为嵌入式市场注入了新的生机，也对嵌入式系统技术提出了新的挑战。
1．1．1嵌入式系统的定义
IEEE(Institute ofElectr’‘ical and Electr’onics Engineers，美国电气和电子工程师协会)对嵌入式系统的定义是：用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置(原文为Devices Llsed to(20ntrol，Monito~‘0r Assist the()peration ofEquipment，：Machinery or Plants)。这主要是从应用对象上加以定义的，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，定义比较宽泛。
国内普遍认同的嵌入式系统的定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件和硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。与IEEE的定义相比，国内的定义更加具体。
1．1．2嵌入式系统的特点
1．专用性
嵌入式系统是面向特定应用的，因此，嵌入式系统中的硬件和软件都必须率地设计。
系统软件和硬件的结合紧密，一般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，不断对系统进行修改。针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译要和系统相结合。
2．小体积、低功耗、低成本、高稳定性
嵌入式系统一般以专用性和小体积的形态“嵌入”在相应的产品或设备中。便携式设备或使用电池供电的嵌入式系统要尽量增加使用周期并降低散热量，这就需要在硬件设计、选材及程序编写上进行低功耗设计。与通用计算机系统相比，嵌入式系统运行环境差异较大，经常工作在无人值守的场合，如具有强干扰的工业现场、武器控制、高温高寒等环境等，需要具备较高的稳定性。这要求嵌入式系统的硬件和软件除了高度可定制性，还必须具备较高的抗干扰能力和自我修复能力，并在功能需求约束下，量体裁衣、去除冗余，力争使用较少的硬件资源和较低软件开发成本实现较高的性能，从而在具体的应用中具备较高的竞争力。
3．实时性
一些具体的应用，如工业控制、武器系统、机器人等，需要系统在任务执行过程和对特定事件的反应上具备时间可预测性，即任务需要在规定的时限内完成。任务执行的时间可以根据系统的软件和硬件的信息进行确定性的预测。为了提高执行速度、系统的可靠性和实时性，嵌入式系统中的软件一般都“固化”在存储器芯片或单片机中，而不是存储于磁盘等载体中。
4．技术密集
由于嵌入式系统的专用性，针对不同的应用场合，需要重新进行软件和硬件系统设计。这一过程涉及先进的计算机技术、电子技术、半导体技术、通信、软件及特定行业专业知识等，因此，嵌入式系统是一个技术密集、资金密集、不断创新的知识和技术集成系统。
5．生命周期长
嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，在满足应用需求的情况下，不需要高的性能冗余性，其升级换代也是和具体产品设计需求同步进行的。
6．不可垄断性
嵌入式系统有一个重要的特点就是不可垄断性。通用计算机系统有wintel垄断，具备统一的技术标准，容易实现统一的开发工具和环境。但嵌入式系统的基础是以应用为中心的硬件设计和面向应用的软件产品开发，在硬件设计和软件开发的选择性上具有很大的差异性。并且，程序一般“固化”在存储器中，在设计完成以后用户通常不能对其中的程序功能进行修改。因此，在程序开发、修改、升级、电路设计、调试等过程中必须有一套开发工具和环境才能进行开发。这些开发工具和环境一般都基于通用计算机系统上的IDE(集成开发环境)、在线调试器、器、逻辑分析仪及混合信号示波器等。
1．1．3嵌入式系统的应用
随着科技的进步，嵌入式系统的出现，人们对生活质量、产品的智能化、成本的要求，以及国家对于物联网、电子、科技的扶持，促使嵌入式系统的快速发展，嵌入式系统在社会生产的各个领域得到广泛应用。
消费电子：智能手机、数字电视机、机顶盒、数码相机、音响设备、可视电话、家庭网络设备、洗衣机、电冰箱、智能玩具等。
工业控制：智能测量仪表、数控装置、可编程控制器、控制机、分布式控制系统、现场总线仪表控制系统、工业机器人、机电一体化机械设备、汽车电子设备等。
网络应用：互联网的发展，增大了网络基础设施、接入设备、终端设备的市场方面的需求。
军用：武器控制(火炮控制、导弹控制、智能炸弹制导引爆装置)、坦克、舰艇、轰炸机等陆海空军用电子装备，雷达、电子对抗军事通信装备，野战指挥作战专用设备等。
1．2嵌入式系统的体系
嵌入式系统是一个专用计算机应用系统，是一个软件和硬件集合体。图1．1描述了一个典型嵌入式系统的组成结构。
嵌入式系统的硬件层一般由嵌入式处理器、内存、人机接口、复位／看门狗电路、I／0接口电路等组成，它是整个系统运行的基础，通过人机接口和I／O接口实现和外部的通信。嵌入式系统的软件层主要由应用程序、硬件抽象层、嵌入式操作系统和驱动程序、板级支持包组成(其中，嵌入式操作系统主要实现应用程序和硬件抽象层的管理，在一些应用场合可以不使用，直接编写裸机应用程序)。嵌入式系统软件运行在嵌入式处理器中。在嵌入式操作系统的管理下，设备驱动层将硬件电路接收控制指令和感知的外部信息传递给应用层，经过其处理后，将控制结果或数据再反馈给系统硬件层，完成存储、传输或执行等功能要求……
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