嵌入式的定義

如何理解嵌入式？我們做的哪些工作可以理解為嵌入式的工作？

嵌入式即嵌入式系統(tǒng)，IEEE（美國電氣和電子工程師協(xié)會）對其定義是用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設備的裝置，是一種專用的計算機系統(tǒng)；

國內(nèi)普遍認同的嵌入式系統(tǒng)定義是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)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(tǒng)；

從應用對象上加以定義來說，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。嵌入式系統(tǒng)作為裝置或設備的一部分，它是一個控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板。

事實上，所有帶有數(shù)字接口的設備，如手表、微波爐、錄像機、汽車等，都使用嵌入式系統(tǒng)，有些嵌入式系統(tǒng)還包含操作系統(tǒng)，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是由單個程序?qū)崿F(xiàn)整個控制邏輯。

嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的4個階段：

? ?1)單片微型計算機(SCM)階段，即單片機時代：系統(tǒng)功能由匯編語言實現(xiàn)。

? ? ? 這一時代系統(tǒng)硬件：單片機。軟件：無操作系統(tǒng)。

? ? ?主要特點：系統(tǒng)結構相對單一，處理效率低，存儲容量十分有限，幾乎無用戶

? ? ?接口。

? ? 2)微控制器(MUC)階段，主要技術方向：不斷擴展對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路

? ? 和接口電路，突顯其對象的智能化控制能力

? ? 這一階段基礎：嵌入式微處理器。這一階段核心：簡單操作系統(tǒng)。

? ? 主要特點：硬件使用嵌入式微處理器，微處理器的種類繁多，通用性弱；系統(tǒng)開銷小，效率較高。

? ? 3)片上系統(tǒng)(SOC):主要特點：嵌入式系統(tǒng)能夠運行于各種不同的微處理器上，

? ? 兼容性好，操作系統(tǒng)的內(nèi)核小，效果好。

? ? 4)internet為標志的嵌入式系統(tǒng)：嵌入式網(wǎng)絡化主要表現(xiàn)：一方面是嵌入式

? ? 處理器集成了網(wǎng)絡接口

? ? ? 另一方面是嵌入式設備應用于網(wǎng)絡環(huán)境中。?

嵌入式系統(tǒng)的組成

一、硬件層中包含

1.嵌入式微處理器

2.存儲器（SDRAM、ROM、Flash等）

3.通用設備接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）

在一片嵌入式處理器基礎上添加電源電路、時鐘電路和存儲器電路，就構成了一個嵌入式核心控制模塊。也就是我們所說的單片機，其中操作系統(tǒng)和應用程序都可以固化在ROM中。

（1）嵌入式微處理器：硬件層的核心

嵌入式系統(tǒng)硬件層的核心是嵌入式微處理器，嵌入式微處理器與通用CPU最大的不同在于嵌入式微處理器大多工作在為特定用戶群所專用設計的系統(tǒng)中，它將通用CPU（例如51單片機）許多由板卡完成的任務集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設計時趨于小型化，同時還具有很高的效率和可靠性。這里可以理解為STM32單片機和51單片機的不同。

嵌入式微處理器的體系結構可以采用馮·諾依曼體系或哈佛體系結構；

1)馮諾依曼體系結構：也稱普林斯頓結構，是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器 合并在一起 的存儲器結構。取指令和取操作數(shù)都在同一總線上，通過分時復用的方式進行；

缺點是在高速運行時，不能達到同時取指令和取操作數(shù)，從而形成了傳輸過程的瓶頸。由于程序指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置，因此程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同，如英特爾公司的8086中央處理器的程序指令和數(shù)據(jù)都是16位寬。

指令系統(tǒng)可以選用精簡指令系統(tǒng)（Reduced Instruction Set Computer，RISC）和復雜指令系統(tǒng)CISC（Complex Instruction Set Computer，CISC）。

RISC計算機在通道中只包含最有用的指令，確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令，從而提高了執(zhí)行效率并使CPU硬件結構設計變得更為簡單。嵌入式微處理器有各種不同的體系，即使在同一體系中也可能具有不同的時鐘頻率和數(shù)據(jù)總線寬度，或集成了不同的外設和接口。

據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界嵌入式微處理器已經(jīng)超過1000多種，**體系結構有30多個系列，其中主流的體系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。**但與全球PC市場不同的是，沒有一種嵌入式微處理器可以主導市場，僅以32位的產(chǎn)品而言，就有100種以上的嵌入式微處理器。嵌入式微處理器的選擇是根據(jù)具體的應用而決定的。

（2）存儲器：嵌入式系統(tǒng)需要存儲器來存放和執(zhí)行代碼。

嵌入式系統(tǒng)的存儲器包含Cache、主存和輔助存儲器。

1、Cache

Cache是一種容量小、速度快的存儲器陣列它位于主存和嵌入式微處理器內(nèi)核之間，存放的是一段時間微處理器使用最多的程序代碼和數(shù)據(jù)。

在需要進行數(shù)據(jù)讀取操作時，微處理器盡可能的從Cache中讀取數(shù)據(jù)，而不是從主存中讀取，這樣就大大改善了系統(tǒng)的性能，提高了微處理器和主存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。

Cache的主要目標就是：減小存儲器（如主存和輔助存儲器）給微處理器內(nèi)核造成的存儲器訪問瓶頸，使處理速度更快，實時性更強。

在嵌入式系統(tǒng)中Cache全部集成在嵌入式微處理器內(nèi)，可分為數(shù)據(jù)Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的大小依不同處理器而定。一般中高檔的嵌入式微處理器才會把Cache集成進去。

2、主存

主存是嵌入式微處理器能直接訪問的寄存器，用來存放系統(tǒng)和用戶的程序及數(shù)據(jù)。它可以位于微處理器的內(nèi)部或外部，其容量為256KB~1GB，根據(jù)具體的應用而定，一般片內(nèi)存儲器容量小，速度快，片外存儲器容量大。

常用作主存的存儲器有：ROM類：NOR Flash、EPROM和PROM等。RAM類：SRAM、DRAM和SDRAM等。其中NOR Flash 憑借其可擦寫次數(shù)多、存儲速度快、存儲容量大、價格便宜等優(yōu)點，在嵌入式領域內(nèi)得到了廣泛應用。

3、輔助存儲器

輔助存儲器用來存放大數(shù)據(jù)量的程序代碼或信息，它的容量大、但讀取速度與主存相比就慢的很多，用來長期保存用戶的信息。嵌入式系統(tǒng)中常用的外存有：硬盤、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等。

（3）通用設備接口和I/O接口

嵌入式系統(tǒng)和外界交互需要一定形式的通用設備接口，如A/D、D/A、I/O等，外設通過和片外其他設備的或傳感器的連接來實現(xiàn)微處理器的輸入/輸出功能。

每個外設通常都只有單一的功能，它可以在芯片外也可以內(nèi)置芯片中。

嵌入式系統(tǒng)中常用的通用設備接口有A/D（模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口）、D/A（數(shù)/模轉(zhuǎn)換接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太網(wǎng)接口）、USB（通用串行總線接口）、音頻接口、VGA視頻輸出接口、I2C（現(xiàn)場總線）、SPI（串行外圍設備接口）和IrDA（紅外線接口）等。

二、中間層：

硬件層與軟件層之間為中間層，也稱為硬件抽象層（Hardware Abstract Layer，HAL）或板級支持包（Board Support Package，BSP），它將系統(tǒng)上層軟件與底層硬件分離開來，使系統(tǒng)的底層驅(qū)動程序與硬件無關，上層軟件開發(fā)人員無需關心底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP 層提供的接口即可進行開發(fā)。

該層一般包含相關底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作和硬件設備的配置功能。

BSP具有以下兩個特點：

1.硬件相關性：因為嵌入式實時系統(tǒng)的硬件環(huán)境具有應用相關性，而作為上層軟 件與硬件平臺之間的接口，BSP需要為操作系統(tǒng)提供操作和控制具體硬件的方法。

2.操作系統(tǒng)相關性：不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結構，因此，不同的操作系統(tǒng)具有特定的硬件接口形式。

實際上，BSP是一個介于操作系統(tǒng)和底層硬件之間的軟件層次，包括了系統(tǒng)中大部分與硬件聯(lián)系緊密的軟件模塊。

設計一個完整的BSP需要完成兩部分工作：嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化以及BSP功能，設計硬件相關的設備驅(qū)動。

三、系統(tǒng)軟件層:

由實時多任務操作系統(tǒng)(Real-timeOperation System , RTOS)、文件系統(tǒng)、圖形用戶界面接口(Graphic User Interface , GUI)、網(wǎng)絡系統(tǒng)及通用組件模塊組成

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