第1章嵌入式系統概述

1、3第1章 嵌入式系統概述第1章 嵌入式系統概述1.1 嵌入式系統簡介根據IEEE（國際電氣和電子工程師協會）的定義，嵌入式系統是“控制、監(jiān)視或者輔助設備、機器和車間運行的裝置”（全稱為devices used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery）。這主要是從應用上加以定義的，由此可以看出嵌入式系統是軟件和硬件的綜合體，可以涵蓋機械等附屬裝置。目前國內一個普遍的定義：以應用為中心、以計算機技術為基礎，軟硬件可裁減，適于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統。還有另一種定義：

2、嵌入式系統是設計完成復雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計算機系統。術語“嵌入式”反映了這些系統通常是更大系統中的一個完整部分，稱為嵌入的系統。兩種定義的出發(fā)角度不同，前者是從技術角度來定義的，后者是從系統角度來定義的。由于嵌入式系統本身是一個外延很廣的名詞，凡是與產品結合在一起的具有嵌入式特點的控制系統都可以叫嵌入式系統，很難給它下一個準確的定義。因此，目前通常把嵌入式系統概念的重心放在“系統”（即操作系統）上，指能夠運行操作系統的軟硬件綜合體?？傮w上嵌入式系統可以劃分成硬件和軟件兩部分，硬件一般由高性能的微處理器和外圍接口電路組成，軟件一般由實時操作系統和其上運行的應用軟件構成，軟

3、件和硬件之間由所謂的中間層（BSP層，板級支持包）連接。一般而言，嵌入式系統的架構可以分成4個部分：處理器、存儲器、輸入/輸出（I/O）和軟件，如圖1.1所示。圖1.1 嵌入式系統的架構1.2 嵌入式處理器1.2.1 嵌入式處理器簡介從硬件方面講，嵌入式系統的核心是嵌入式處理器，據不完全統計，全世界嵌入式處理器的品種數量已經超過1000多種，流行體系結構有30多個，其中8051體系占大多數。生產8051單片機的半導體廠家有20多個，共350多種衍生產品，僅Philips就有近100種。近年來，嵌入式微處理器的主要發(fā)展方向是小體積、高性能、低功耗，專業(yè)分工也越來越明顯，出現了專業(yè)的IP（Inte

4、llectual Property Core，知識產權核）供應商，如ARM、MIPS等，它們提供優(yōu)質、高性能的嵌入式微處理器內核，由各半導體廠商生產面向各個應用領域的芯片。嵌入式微處理器有許多種流行的處理器核，芯片制造商一般都基于這些處理器核生產不同型號的芯片。一般可以將嵌入式處理器分成4類，即嵌入式微處理器（MicroProcessor Unit，MPU）、嵌入式微控制器（MocroController Unit，MCU）、嵌入式DSP處理器（Digital Signal Processor，DSP）和嵌入式片上系統（System on Chip，SoC）。q 嵌入式微處理器嵌入式微處理器的

5、基礎是通用計算機中的CPU，它的特征是32位以上的處理器，具有較高的性能，當然其價格也相當高。為了滿足嵌入式應用的特殊要求，雖然嵌入式微處理器在功能上和標準微處理器基本上是一樣的，但一般在工作溫度、抗電磁干擾及可靠性等方面都做了各種增強。與工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點。嵌入式微處理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS和ARM/StrongARM系列等。q 嵌入式微控制器嵌入式微控制器最典型的代表是單片機，單片機芯片內部集成了ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數器、看門狗、

6、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各種必要功能和外設。與嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片機，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統工業(yè)的主流。微控制器的片上外設資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。嵌入式微控制器目前的品種和數量最多，比較有代表性的包括8051、P51XA、MCS-251、MCS96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300和數目眾多的ARM芯片。目前，MCU占嵌入式系統約70%的市場份額。q 嵌入式DSP處理器DSP處理器是專門用于信號處理方面

7、的處理器，其在系統結構和指令上進行了特殊設計，具有很高的編譯效率和指令執(zhí)行速度。在數字濾波、FFT、頻譜分析等儀器上，DSP獲得了大規(guī)模的應用。嵌入式DSP處理器比較有代表性的產品是TI的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。q 嵌入式片上系統片上系統（SoC）最大的特點是成功實現了軟硬件無縫結合，直接在處理器片內嵌入操作系統的代碼模塊。各種通用處理器內核將作為SoC設計公司的標準庫，和許多其他嵌入式系統外設一樣，成為VLSI設計中一種標準的器件，用標準的VHDL等語言描述，存儲在器件庫中。用戶只需定義出其整個應用系統，仿真通過后就可以將設計圖交給半導體工廠制作樣品。這樣除

8、個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應用系統電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。SoC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola聯合研制的Neuron芯片等。專用SoC一般專用于某個或某些系統中，不為一般用戶所知。一個有代表性的產品是Philips的Smart XA，它將XA單片機內核和支持超過2048位復雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個可加載Java或C語言的專用SoC，可用于公眾互聯網（如Intern

9、et）安全方面。1.2.2 ARM處理器簡介ARM（Advanced RISC Machines）是全球領先的16/32位RISC微處理器的知識產權設計供應商，ARM公司通過轉讓高性能、低成本、低功耗的RISC微處理器、外圍和系統芯片設計技術給合作伙伴，使他們能用這些技術來生產各具特色的芯片。ARM處理器小體積、低功耗、低成本。目前，應用比較多的是ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10系列、ARM11系列、SecurCore系列和Intel的StrongARM、XScale系列。ARM7TDMI基于ARM體系結構V4版本，是目前低端的ARM核，具有廣泛的應用，其最顯著的應用為數字移動電話。ARM7TDMI使用流水線以提高處理器指令的流動速度。流水線允許幾個操作同時進行，以及處理和存儲系統連續(xù)操作。ARM7TDMI使用三級流水線，因此，指令的執(zhí)行分成三個階段取指、譯碼和執(zhí)行。ARM7TDMI核是馮·諾依曼體系結構，使用單一32