嵌入系统的定义与组成
嵌入式系统(Embedded System)是以应用为中心,以计算机技术为基础,系统的软硬件可剪裁,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。
嵌入式系统主要分为两个部分:嵌入式硬件部分和嵌入式软件部分。嵌入式硬件部分主要由嵌入式处理器,嵌入式外围设备等构成;嵌入式软件部分主要由嵌入式操作系统,嵌入式开发调试环境和嵌入式应用软件构成。
嵌入式系统的特点
随着信息产业和集成电路的发展,嵌入式应用的发展也得到了蓬勃和快速的发展。其特点主要表现在两个方面:
(1) 多样化,广泛化;嵌入式应用领域已应用到社会的各个领域如信息家电、工业控制、通信和智能终端等
(2) 专用化,个性化;嵌入式应用很多是面向特定的应用,如实时控制、低功耗管理、可靠安全控制等,这些应用领域使得嵌入式应用具有专用性和个性特点。
嵌入式应用的多样化主要体现在嵌入式设备主控芯片和外围设备的多样化,目前,嵌入式设备的主控芯片类型包括四类:微控制器、嵌入式处理器、DSP处理器和片上系统SOC。嵌入式外围设备种类繁多,而且不同的嵌入式应用有不同的外挂设备,为了支持这些不同的外挂设备就必须有这些不同设备的板级支持包BSP (board support package).
嵌入式系统应用最早是基于单片机的简单控制应用,因为单片机上的资源有限,因此在程序上采用的是前后台的控制设计。随着嵌入式应用越来越复杂化,现在很多嵌入式应用又引进了嵌入式操作系统,利用嵌入式操作系统提供的特有的机制来满足嵌入式一些特定的应用,例如,多任务调度,实时控制和可靠冗余处理等。嵌入式开发不同于桌面程序的开发,一般都是通过交叉调试模式来开发,因此对于嵌入式开发工具也有特殊的要求。
嵌入式的专用化和个性化一方面体现在嵌入式硬件有专用和个性的支持,另一方面体现在软件上要提供相应的支持。
嵌入式系统硬件平台
嵌入式系统的开发涉及两个方面:硬件部分与软件部分。硬件部分提供整个系统开发可见的或可触摸的“实体”,而软件部分相当于这个“实体”内部的功能逻辑。这两个部分是缺一不可的。嵌入式系统的开发对硬件要求非常高,这与其他类型系统的开发有所不同。许多嵌入式的开发都是针对具体的应用,针对项目中特定的硬件资源,如微处理器、Flash存储器、外围接口等。这样,开发人员就需要熟悉系统中的硬件资源,比如涉及到一些底层编程,就需要知道系统处理器提供的指令集;要对外设驱动,就需了解外设的控制逻辑;要对Flash存储器编程,就需要知道Flash存储器编程的指令序列和编程流程等。
1.嵌入式系统控制器
一个嵌入式系统的目标硬件平台主要分三部分:处理器核心,片内外围电路,板级外围电路.
处理器核心指的是整个芯片的核心电路即CPU的内核。芯片内的外围电路是指封装在芯片内的一些电路如定时器分频电路、串行接口电路等。板级外围电路就是与处理器芯片交互的外围电路,通常这些电路是根据处理器的特性和具体的 应用而定制的外围电路。
嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器,嵌入式处理器作为系统的控制中枢,通过控制总线、数据总线和地址总线与各种外部接口相连。
就目前的现状而言,嵌入式处理器可以分成四大类:嵌入式微处理器(EMU),微控制器(MCU),DSP处理器和片上系统(SOC)。
(1) 嵌入式微处理器(EMU)
嵌入式微处理器是经过改造的通用计算机中的MPU。在应用中,将微处理器装配在专门设计的电路板上:然后在电路板上配上必要的扩展外围电路,如存储器的扩展电路、I/O的扩展电路和一些专用的接口电路等,这样就可完成嵌入式系统的一些功能。嵌入式微处理器虽然在功能上与标准微处理器基本相同,但在降低功耗、逻辑密度、工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强.与工控计算机相比,嵌入式微处理器具有体积小、功耗低、成本低等优点,但是,在电路板上必须包括ROM, RAM, Flash、总线接口、各种外设等器件,从而降低了系统的可靠性,技术保密性也较差。
总的来说,嵌入式微处理器一般具备以下几个特点:
1.对实时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内核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,以便能迅速地开发出满足应用的高性能的嵌入式微处理器。
4.嵌入式微处理器必须功耗很低,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,如需要功耗只有mw 甚至μW级。
(2) 微控制器(MCU)
Microcontroller(微控制器)又可简称MCU,也被称为单芯片微控制器(Single Chip Microcontroller),将ROM, RAM, CPU, I/O集合在同一个芯片中,为不同的应用场合做不同 |