如果我們環(huán)顧四周，我們會發(fā)現(xiàn)自己被計算機系統(tǒng)所包圍。每年，數(shù)以百萬計的計算機系統(tǒng)都是為臺式計算機而建造的

圖1: 嵌入式系統(tǒng)的表征圖像

(個人電腦、工作站、大型機和服務器)但令人驚訝的是，每年都有數(shù)十億計算機系統(tǒng)嵌入到更大的電子設備中，而這些系統(tǒng)仍然沒有引起注意。任何使用電力的設備要么已經(jīng)有了計算系統(tǒng)，要么很快就會有嵌入式計算系統(tǒng)。

今天，嵌入式系統(tǒng)被發(fā)現(xiàn)在手機、數(shù)碼相機、攝像機、便攜式視頻游戲、計算器、個人數(shù)字助理、微波爐、應答機、家庭安全系統(tǒng)、洗衣機、照明系統(tǒng)、傳真機、復印機、打印機和掃描儀、收銀機、報警系統(tǒng)、自動出納機、變速器控制、巡航控制、燃油噴射、防抱死剎車、主動懸架和許多其他設備/裝置。

什么是嵌入式系統(tǒng)？

準確定義嵌入式系統(tǒng)并不容易。簡單地說，除了通用計算機(帶顯示器、鍵盤等)之外，所有計算機系統(tǒng)都是嵌入式系統(tǒng)。

系統(tǒng)是一種工作方式，組織或執(zhí)行一個或多個任務根據(jù)一套固定的規(guī)則，程序或計劃。換句話說，所有單位按照一個程序或計劃集合在一起工作的一種安排。嵌入式系統(tǒng)是將軟件嵌入到硬件中的系統(tǒng)，它使系統(tǒng)專門用于應用程序或應用程序或產(chǎn)品的特定部分或更大系統(tǒng)的一部分。它處理一組固定的預編程指令來控制機電設備，這些機電設備可能是更大系統(tǒng)的一部分(不是帶有鍵盤、顯示器等的計算機)。

嵌入式系統(tǒng)的通用定義是，它們是用于控制、監(jiān)視或協(xié)助設備、機械或工廠操作的設備?！扒度胧健狈从沉怂鼈兪窍到y(tǒng)不可分割的一部分這一事實。在許多情況下，他們的“嵌入性”可能使得他們的存在對于不經(jīng)意的觀察者來說遠非顯而易見。一個典型的嵌入式系統(tǒng)框圖如圖所示。

圖2: 一個典型的嵌入式系統(tǒng)框圖

嵌入式系統(tǒng)是一種工程人工制品，包括受到物理約束(反應約束和執(zhí)行約束)的計算，這些約束是通過計算過程與物理世界的交互作用產(chǎn)生的。反應約束源于行為要求 & 指定最后期限、吞吐量和抖動，而執(zhí)行約束源于實現(xiàn)要求 & 限制可用處理器的速度、功耗、內(nèi)存和硬件故障率。嵌入式系統(tǒng)設計的關鍵是在這兩種約束條件下獲得所需的功能。

特點 ?

嵌入式系統(tǒng)是特定于應用程序的單功能系統(tǒng)，應用程序是已知的，程序是重復執(zhí)行的。

效率對于嵌入式系統(tǒng)來說是至關重要的。他們優(yōu)化了能源，代碼大小，執(zhí)行時間，重量和尺寸，和成本。

嵌入式系統(tǒng)通常設計為滿足實時約束; 實時系統(tǒng)對來自受控對象/操作員的刺激作出反應，時間間隔由環(huán)境決定。對于實時系統(tǒng)，正確的答案來得太晚(甚至太早)是錯誤的。

嵌入式系統(tǒng)通常通過傳感器和執(zhí)行器與外部世界進行交互(感知、操作和通信) ，因此是典型的反應式系統(tǒng); 反應式系統(tǒng)不斷與環(huán)境進行交互，執(zhí)行速度由環(huán)境決定。

他們通常有最小的或沒有用戶界面。

設計指標和體系結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)的設計指標

除了滿足嵌入式系統(tǒng)的預期功能外，嵌入式系統(tǒng)設計人員還必須在以下設計指標上進行優(yōu)化。

• 非經(jīng)常性工程(NRE)成本: 投資于研發(fā)和開發(fā)第一，功能和測試原型的資金。

• 單位成本: 生產(chǎn)一個單位的成本。

• 性能-系統(tǒng)吞吐量，計算能力，響應時間

• 可靠性; 容錯性，可靠性，可維護性，可用性

• 大小及重量

• 原型制作時間

• 上市時間

• 安全: 不應對他人造成傷害。

• 維護，易于使用

這些指標之間相互競爭，增加一個指標可能會影響其他指標。因此，對于嵌入式系統(tǒng)設計人員來說，優(yōu)化這些指標是一個挑戰(zhàn)。

嵌入式系統(tǒng)的要素

硬件 ?

嵌入式系統(tǒng)的核心元素是處理器或計算單元。處理器可以充當系統(tǒng)的大腦。它們可以被編程來執(zhí)行一項任務。這可以使用多種選項來設計。

通用微處理器

通用微處理器是單片半導體器件，是片上計算機，不是完整的計算機。它的 CPU 包含一個算術(shù)和邏輯單元(ALU) ，一個程序計數(shù)器(PC) ，一個堆棧指針(SP) ，寄存器，一個時鐘和單芯片中斷電路。要制作一臺完整的微型計算機，必須增加存儲器通常是 ROM 和 RAM、存儲器解碼器、振蕩器、一些串口和并口

圖3: 通用微處理器結(jié)構(gòu)示意圖

通用處理器是為了滿足大量應用而設計的，因此是批量生產(chǎn)的。在嵌入式系統(tǒng)中使用它會帶來各種好處。設計時間很短，因為只需要開發(fā)軟件，不涉及數(shù)字設計。通用處理器的典型特征是成本相對較高，速度較快，功耗較高，體系結(jié)構(gòu)較大，內(nèi)置閃存和緩存，外部總線接口更大的內(nèi)存使用。

例如: 摩托羅拉的680 × 0，英特爾的 x86

微控制器/嵌入式處理器

微控制器是一個功能性的計算機系統(tǒng)單晶片。它包含一個集成處理器，存儲器(少量的 RAM，程序存儲器，或兩者兼有) ，幾個外圍設備，如定時器，模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，和串行通信設備都在一個芯片上，導致緊湊和低功耗的 implementations.It 是不可擴展的，因為它沒有外部總線接口。例如 PIC 的 DSPIC33/PIC24，摩托羅拉的6811，英特爾的8051

微控制器的典型特點是: 低成本、低速度、低功耗、小體系結(jié)構(gòu)、小存儲器體積、集成閃存、有限 i/o。

圖4: 一個展示微處理器/嵌入式處理器不同元素的圖

微控制器提供引腳訪問，允許程序輕松監(jiān)控傳感器，設置執(zhí)行器，并與其他設備傳輸數(shù)據(jù)。提供專門的指令可以提高嵌入式系統(tǒng)應用程序的性能; 因此，微控制器在某種程度上可以被認為是 asip。

特殊的微控制器通常被稱為嵌入式處理器。微控制器和嵌入式處理器之間的區(qū)別并不清楚，但是具有快速處理、快速上下文切換和原子 ALU 操作的大型結(jié)構(gòu)的處理器被許多廠商標榜為嵌入式處理器。嵌入式處理器的例子有 ARM 7，INTEL i960，AMD 29050

ASIP/DSPs

ASIP 是為具有通用特性的特定類型的應用而設計的，如數(shù)字信號處理、通信、嵌入式控制等專用指令集處理器。在嵌入式系統(tǒng)中使用 ASIP 可以提供靈活性的好處，同時還能獲得良好的性能、功耗和體積。然而，這樣的處理器可能需要大量的非周期性工程(NRE)成本(如果不存在，則構(gòu)建處理器和編譯器)。數(shù)字信號處理器是計算機輔助設計的一種常用類型。DSP 是一種單芯片超大規(guī)模集成電路單元，是一種專門為支持高性能、重復、數(shù)值密集型任務而設計的處理器，包括乘法、加法、移位和加法等操作。

DSP 處理器的典型特性如下

1. ? ? Harvard架構(gòu)

2. ? ?MAC 單元支持多重累積操作在一個周期內(nèi)。

3. 在一個指令周期內(nèi)完成多次內(nèi)存訪問的能力。

4. ?一個或多個專用地址生成單元，以加速算法處理。

DSP 的例子有: TMS320Cxx、 SHARC 和 Motorola 5600xx。

ASICs

集成電路基本上是“芯片”，即硅晶片與晶體管，電阻，電容器制造作為微處理器，放大器，存儲器等。專用集成電路(asic)是為特殊應用而設計的。數(shù)字音頻轉(zhuǎn)換器，直接序列擴頻接收器，mpeg2解碼器是 asic 的例子。

Asic 提供非常高的性能，但是 NRE 成本非常高。對于 asic，計時閉包是一個問題，特別是對于深亞微米幾何圖形。可重構(gòu)性是非常有限的。

FPGA/CPLDs

(FPGA)是一種完全可編程的替代定制芯片。它們也被稱為可重構(gòu)處理單元。

它是一個由邏輯塊和觸發(fā)器組成的二維數(shù)組，用戶可以通過它配置邏輯塊之間的互連和每個塊的功能。FPGA 技術(shù)允許您將處理器、 ROM、 RAM、 DSP 和其他任何塊嵌入到單個芯片上。這正在取代大量的專用集成電路芯片。FPGA 具有并行硬件的性能優(yōu)勢和軟件的靈活性。這在成本、可靠性、知識產(chǎn)權(quán)的可重用性和上市時間方面具有重大優(yōu)勢。

基于單元之間的相互連接，它們是兩種類型的 fpga

可重新編程(基于 sram)-Xilinx，LatticeXP2，Altera，Atmel

一次性可編程-Actel，Quicklogic

復雜可編程邏輯器件(CPLD)與 fpga 略有不同，主要區(qū)別在于體系結(jié)構(gòu)。一個 CPLD 由一個或多個可編程產(chǎn)品和邏輯陣列組成，該陣列提供相對較少的時鐘寄存器。因此，它們的靈活性較差，因此提供了更多可預測的時間延遲和更高的邏輯互連比的優(yōu)勢。另一方面，F(xiàn)PGA 體系結(jié)構(gòu)以互連為主。這使得它們更加靈活，但是設計起來也更加復雜。而且，fpga 在資源方面通常比其它 cpld 大得多。另一個常見的區(qū)別是，cpld 包含嵌入式閃存來存儲它們的配置，而 fpga 通常(但并非總是)需要一個外部閃存。

可重構(gòu)的 SoCs

技術(shù)的進步，特別是縮小的硅制造幾何，使復雜的平臺集成在一個單一的系統(tǒng)芯片(SoC)中成為可能。除了專用硬件子系統(tǒng)，現(xiàn)代 SoC 還可以包括一個或多個 CPU 子系統(tǒng)來執(zhí)行軟件和復雜的互連。Nomadik 和 Nexperia 等多媒體平臺就是使用數(shù)字信號處理器、微控制器和其他可編程處理器的多處理器單片機的例子。Atmel 的 FPSLIC (avr + fpga) ，TI 的 OMAP (ARM Cortex + Custom gpu + TI DSP)也是其中的例子。

架構(gòu)二

軟件

如果說硬件是嵌入式系統(tǒng)的主體，那么軟件就是嵌入式系統(tǒng)的靈魂。該軟件為嵌入式系統(tǒng)提供了這種功能。

由于嵌入式系統(tǒng)的任務具有多樣性，因此出現(xiàn)了多種語言。一種語言可能適合于以控制為主的應用程序，但對于信號處理應用程序可能不太適合。

硬件語言

Verilog 和甚高速集成電路硬件描述語言(VHDL)是這一類中最流行的語言。兩者都是用結(jié)構(gòu)層次描述系統(tǒng)，用離散事件語義描述模型系統(tǒng)，并允許并發(fā)進程按照程序進行描述。Verilog 主要用于模擬數(shù)字集成電路，而 VHDL 則更大、更詳細，可以處理更廣泛的建模和模擬任務。

軟件語言

軟件語言使用指令來描述要執(zhí)行的序列。軟件語言有兩種類型: 匯編語言和高級語言。匯編語言程序包含以符號形式編寫的指令，由操作碼、尋址模式、寄存器和存儲器設計。高級語言包括 c，c + + ，RT-Java，ADA 等。它們使用各種結(jié)構(gòu)，如函數(shù)、循環(huán)、數(shù)組、變量、結(jié)構(gòu)等，并且是用易于理解的語言編寫的。

數(shù)據(jù)流語言

數(shù)據(jù)流語言描述了并發(fā)運行并通過隊列進行通信的過程進程系統(tǒng)。數(shù)據(jù)流模型由轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的節(jié)點，和表示數(shù)據(jù)在這些節(jié)點之間傳遞的弧線組成。它們不方便一般應用，但非常適合信號處理應用?？ǘ髁鞒叹W(wǎng)絡就是其中的應用之一。LUSTRE 是同步數(shù)據(jù)流語言的一個例子。

混合語言

這類語言結(jié)合了其他語言的思想。

Esterel (用于控制支配的反應系統(tǒng))將抽象的硬件語義(并發(fā)性和數(shù)字電路的同步性)與典型軟件語言的不同結(jié)構(gòu)結(jié)合起來。

SDL 是為描述通信協(xié)議而開發(fā)的圖形化語言(使用有限狀態(tài)機)

SystemC 提供了類似 vhdl 的同步離散事件仿真模型，但是允許從軟件中引入異步執(zhí)行和交互機制(c + +)。

CoCentricTM System Studio 將 kahn 樣的數(shù)據(jù) ow 與 esterel 樣的 FSM 語義相結(jié)合，以模擬和合成同樣需要控制的數(shù)據(jù) ow 應用程序。

架構(gòu)三

與物理世界的接口

嵌入式系統(tǒng)通過傳感器和執(zhí)行器與物理世界接口。對于嵌入式系統(tǒng)，傳感器起著“感官”的作用，而執(zhí)行器起著“肢體”的作用。在嵌入式系統(tǒng)中使用了各種傳感原理的傳感器。光、溫度、加速度、速度、質(zhì)量、距離等是常見的被感知的物理參數(shù)。電機是許多系統(tǒng)中使用的驅(qū)動器之一。

這些傳感器通過各種接口與處理器接口:

串行通信接口(SCI) : RS-232，RS-422，rs-485等

同步串行通信接口: I2C，SPI

通用串行總線(USB)

網(wǎng)絡: 以太網(wǎng)、控制器局域網(wǎng)路/網(wǎng)絡(CAN)等

離散 IO: 通用輸入/輸出(GPIO)

模擬到數(shù)字/數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(ADC/DAC)

相關的重要概念

電腦體系結(jié)構(gòu)

兩種常見的處理器體系結(jié)構(gòu)是 Neumann Vs Harvard。馮 · 諾依曼體系結(jié)構(gòu)具有相同的程序和數(shù)據(jù)存儲空間，共享地址總線和數(shù)據(jù)總線。哈佛架構(gòu)對程序和數(shù)據(jù)有不同的存儲空間。對于每個總線，都提供了單獨的數(shù)據(jù)總線和地址總線。

圖5: 紐曼架構(gòu)與哈佛建筑的比較圖

集合結(jié)構(gòu)(ISA)

作為軟件和硬件之間的抽象層。精簡指令集和復雜指令集計算機代表了現(xiàn)代計算機體系結(jié)構(gòu)設計中兩種不同的競爭理念。

RISC 有簡單的原始指令和尋址模式。指令長度均勻，在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行，并支持流水線。CISC 芯片有大量的可變長度，不同的和復雜的指令，需要比一個時鐘周期執(zhí)行更長的時間。

與 RISC 芯片相比，cisc 芯片每條指令的速度相對較慢，但是使用的指令比 RISC 少。因此，RISC 系統(tǒng)通過減少時鐘每個指令周期數(shù)縮短執(zhí)行時間，而 CISC 通過減少 MIPS r2000縮短執(zhí)行時間是純 RISC 的典型產(chǎn)品，Intel 80386是典型的純 CISC 芯片。

嵌入式系統(tǒng)的設計

嵌入式系統(tǒng)的設計

一個嵌入式系統(tǒng)的設計包括以下幾個階段

· ? ?需求分析

· ? ? 定義系統(tǒng)規(guī)格

為要設計的系統(tǒng)建?！貌煌乃惴ㄟM行實驗并對其進行初步評估。將任務分解為較小的子任務，并為它們的交互建模

HW-SW 劃分(將任務劃分為 h/w、 s/w)或協(xié)同設計(h/w 和 s/w 設計)在兩個進程之間并行進行交互和反饋。聯(lián)合優(yōu)化設計指標)

· ? 科技的選擇

· ? 資源分析-成本、時間及人力

· ? 組件和開發(fā)工具的標識

· ? 電路設計/原理圖獲取，PCB 布局設計和制作

· ? 固件開發(fā)-調(diào)試和測試

· ? 系統(tǒng)集成

· ? 測試-功能、環(huán)境

· ? 如果需要證書的話

· ? 文件

設計嵌入式系統(tǒng)有不同的設計周期方法。

瀑布模型

瀑布模型是一種開發(fā)模型，在這種模型中，開發(fā)可以在需求分析、設計、實現(xiàn)、測試、集成和維護的各個階段中穩(wěn)定地進行。由于清晰的里程碑，它允許良好的進度跟蹤，但缺點是缺乏靈活性(對變化的需求作出響應)。

自上而下與自下而上

在自頂向下模型中，最初考慮的是系統(tǒng)的總體功能，而不涉及需求的更細微的方面。進一步的分析將會越來越深入到更多的細節(jié)中。

自底向上模型遵循相反的方法。首先，它非常詳細地定義了系統(tǒng)的各個部分。然后，各個子系統(tǒng)被集成，形成更大的系統(tǒng)，最終形成整個系統(tǒng)。

螺旋模型

螺旋模型是現(xiàn)代設計實踐中常用的一種模型。它同時使用自頂向下和自底向上的方法。首先確定目標、方案和約束條件。然后開始迭代以消除主要的風險。然后計算出每個子系統(tǒng)的更詳細的細節(jié)。

甘特圖

甘特圖/計劃評審技術(shù)圖表顯示了各種計劃活動之間的關系，有助于監(jiān)測項目的進展情況。