[科普中国]-嵌入式

IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，美国电气和电子工程师协会）对嵌入式系统的定义：“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。原文为：Devices Used to Control，Monitor or Assist the Operation of Equipment，Machinery or Plants）。

嵌入式系统是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑。

从应用对象上加以定义，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。国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统组成一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型的电机，当手机处于震动接收状态时打开；也可以很复杂，如SONY 智能机器狗，上面集成了多个微小型控制电机和多种传感器，从而可以执行各种复杂的动作和感受各种状态信息。

硬件层硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用设备接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。

（1）嵌入式微处理器

嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器与通用CPU最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将通用CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。

嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯·诺依曼体系或哈佛体系结构；指令系统可以选用精简指令系统（Reduced Instruction Set Computer，RISC）和复杂指令系统CISC（Complex Instruction Set Computer，CISC）。RISC计算机在通道中只包含最有用的指令，确保数据通道快速执行每一条指令，从而提高了执行效率并使CPU硬件结构设计变得更为简单。

嵌入式微处理器有各种不同的体系，即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度，或集成了不同的外设和接口。据不完全统计，全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，体系结构有30多个系列，其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但与全球PC市场不同的是，没有一种嵌入式微处理器可以主导市场，仅以32位的产品而言，就有100种以上的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。

（2）存储器

嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码。嵌入式系统的存储器包含Cache、主存和辅助存储器。

1、Cache

Cache是一种容量小、速度快的存储器阵列它位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。在需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能的从Cache中读取数据，而不是从主存中读取，这样就大大改善了系统的性能，提高了微处理器和主存之间的数据传输速率。Cache的主要目标就是：减小存储器（如主存和辅助存储器）给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快，实时性更强。

在嵌入式系统中Cache全部集成在嵌入式微处理器内，可分为数据Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的大小依不同处理器而定。一般中高档的嵌入式微处理器才会把Cache集成进去。

2、主存

主存是嵌入式微处理器能直接访问的寄存器，用来存放系统和用户的程序及数据。它可以位于微处理器的内部或外部，其容量为256KB~1GB，根据具体的应用而定，一般片内存储器容量小，速度快，片外存储器容量大。

常用作主存的存储器有：

ROM类：NOR Flash、EPROM和PROM等。

RAM类：SRAM、DRAM和SDRAM等。

其中NOR Flash 凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。

3、辅助存储器

辅助存储器用来存放大数据量的程序代码或信息，它的容量大、但读取速度与主存相比就慢的很多，用来长期保存用户的信息。

嵌入式系统中常用的外存有：硬盘、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等。

（3）通用设备接口和I/O接口

嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口，如A/D、D/A、I/O等，外设通过和片外其他设备的或传感器的连接来实现微处理器的输入/输出功能。每个外设通常都只有单一的功能，它可以在芯片外也可以内置芯片中。外设的种类很多，可从一个简单的串行通信设备到非常复杂的802.11无线设备。

嵌入式系统中常用的通用设备接口有A/D（模/数转换接口）、D/A（数/模转换接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太网接口）、USB（通用串行总线接口）、音频接口、VGA视频输出接口、I2C（现场总线）、SPI（串行外围设备接口）和IrDA（红外线接口）等。

中间层硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer，HAL）或板级支持包（Board Support Package，BSP），它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据BSP 层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。BSP具有以下两个特点。

硬件相关性：因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，而作为上层软 件与硬件平台之间的接口，BSP需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。

操作系统相关性：不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此，不同的操作系统具有特定的硬件接口形式。

实际上，BSP是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：嵌入式系统的硬件初始化以及BSP功能，设计硬件相关的设备驱动。12

系统特点1）可裁剪性。支持开放性和可伸缩性的体系结构。

2）强实时性。EOS实时性一般较强，可用于各种设备控制中。

3）统一的接口。提供设备统一的驱动接口。

4）操作方便、简单、提供友好的图形GUI和图形界面，追求易学易用。

提供强大的网络功能，支持TCP/IP协议及其他协议，提供TCP/UDP/IP/PPP协议支持及统一的MAC访问层接口，为各种移动计算设备预留接口。

5）强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预、这就要负责系统管理的EOS具有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用户接口一般不提供操作命令，它通过系统的调用命令向用户程序提供服务。

6）固化代码。在嵌入式系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系统计算机的ROM中。

7）更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。

8）嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。2

解决方案基于嵌入式系统的RFID手持机系统方案

在基于嵌入式系统的RFID 手持机系统设计中，以微处理器LPC2142 为主控制器，根据系统的需求外扩了SRAM、Flash、SD 卡、键盘、LCD 显示、声响提示进行数据处理、数据存储、人机交互以及出错报警提示，通过USB 接口可以与主机进行数据通信，背光模块可以为LCD 和键盘提供背光，电压检测模块通过核心处理器的A/D 转换器进行电池电压的检测，从而间接检测出电池的剩余电量，RF 模块能够进行读写器与标签之间射频信号的收发，通过JTAG 接口可以进行程序的调试与下载。电源部分可以为系统中需要电源的各个模块提供电源，这是本文设计的重点内容。

嵌入式智能平台在医疗仪器行业的应用方案

“EVOC”嵌入式智能平台在医疗仪器行业的应用。系统一般由多台监护仪和一台中央护士工作站组成，监护仪采用“EVOC”104-1541CLDN型全功能嵌入式工业主板为核心操作平台。该主板仅有手掌的一半大小，板上集成了超低功耗的NS GX 300MHz CPU处理芯片、 SDRAM、CRT/LCD控制、10/100Mbps网络接口、Compact Flash、IDE、FDD、两串一并、二个USB、一个115Kbps IrDA红外接口、1~255秒可编程看门狗定时器、PS2 键盘和鼠标，支持国内医疗行业最通用的PC/104接口，系统通过该接口扩展的用户板完成包括血压、血氧、体温、呼吸等一系列传感探测器的信号采集，进行实时处理，最后结果可经由多种形式输出。该平台支持高精度LCD和VGA两种显示模式，在板视频最大分辨率可达1024*768，支持通用的热敏打印接口，并可通过标准串口与中央护士工作站相互通讯。在平台操作系统的选择方面，我们给予客户更多的自由度，打破了传统多参数仪仅支持单一DOS操作系统的局限，以提供更加灵活广泛的应用模式。2

系统初始化系统初始化过程可以分为3个主要环节，按照自底向上、从硬件到软件的次序依次为：片级初始化、板级初始化和系统级初始化。

片级完成嵌入式微处理器的初始化，包括设置嵌入式微处理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微处理器核心工作模式和嵌入式微处理器的局部总线模式等。片级初始化把嵌入式微处理器从上电时的默认状态逐步设置成系统所要求的工作状态。这是一个纯硬件的初始化过程。

板级完成嵌入式微处理器以外的其他硬件设备的初始化。另外，还需设置某些软件的数据结构和参数，为随后的系统级初始化和应用程序的运行建立硬件和软件环境。这是一个同时包含软硬件两部分在内的初始化过程。

系统该初始化过程以软件初始化为主，主要进行操作系统的初始化。BSP将对嵌入式微处理器的控制权转交给嵌入式操作系统，由操作系统完成余下的初始化操作，包含加载和初始化与硬件无关的设备驱动程序，建立系统内存区，加载并初始化其他系统软件模块，如网络系统、文件系统等。最后，操作系统创建应用程序环境，并将控制权交给应用程序的入口。2

系统软件系统软件层由实时多任务操作系统（Real-time Operation System，RTOS）、文件系统、图形用户接口（Graphic User Interface，GUI）、网络系统及通用组件模块组成。RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。

EOS嵌入式操作系统（Embedded Operation System，EOS）是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。EOS负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。已推出一些应用比较成功的EOS产品系列。随着Internet技术的发展、信息家电的普及应用及EOS的微型化和专业化，EOS开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。EOS是相对于一般操作系统而言的，它除具有了一般操作系统最基本的功能，还有以下功能：如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等。

文件系统通用操作系统的文件系统通常具有以下功能：

提供用户对文件操作的命令。

提供用户共享文件的机制。

管理文件的存储介质。

提供文件的存取控制机制，保障文件及文件系统的安全性。

提供文件及文件系统的备份和恢复功能。

提供对文件的加密和解密功能。

嵌入式文件系统比较简单，主要提供文件存储、检索和更新等功能，一般不提供保护和加密等安全机制。它以系统调用和命令方式提供文件的各种操作，主要有：

设置、修改对文件和目录的存取权限。

提供建立、修改、改变和删除目录等服务。

提供创建、打开、读写、关闭和撤销文件等服务。

文件系统的特点：

1）兼容性。嵌入式文件系统通常支持几种标准的文件系统，如FAT32、JFFS2、YAFFS等。

2）实时文件系统。除支持标准的文件系统外，为提高实时性，有些嵌入式文件系统还支持自定义的实时文件系统，这些文件系统一般采用连续的方式存储文件。

3）可裁剪、可配置。根据嵌入式系统的要求选择所需的文件系统，选择所需的存储介质，配置可同时打开的最大文件数等。

4）支持多种存储设备。嵌入式系统的外存形式多样了，嵌入式文件系统需方便的挂接不同存储设备的驱动程序，具有灵活的设备管理能力。同时根据不同外部存储器的特点，嵌入式文件系统还需要考虑其性能、寿命等因素，发挥不同外存的优势，提高存储设备的可靠性和使用性。

图形接口GUI的广泛应用是当今计算机发展的重大成就之一，他极大地方便了非专业用户的使用人们从此不再需要死记硬背大量的命令，取而代之的是可用用通过窗口、菜单、按键等方式来方便地进行操作。而嵌入式GUI具有下面几个方面的基本要求：轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特点。

嵌入式系统中的图形界面，一般采用下面的几种方法实现：

针对特定的图形设备输出接口，自行开发相关的功能函数。

购买针对特定嵌入式系统的图形中间软件包。

采用源码开放的嵌入式GUI系统。

使用独立软件开发商提供的嵌入式GUI产品。

应用软件层应用软件层是由基于实时系统开发的应用程序组成，用来实现对被控对象的控制功能。功能层是要面对被控对象和用户，为方便用户操作，往往需要提供一个友好的人机界面。

对于一些复杂的系统，在系统设计的初期阶段就要对系统的需求进行分析，确定系统的功能，然后将系统的功能映射到整个系统的硬件、软件和执行装置的设计过程中，称为系统的功能实现。1

发展前景嵌入式系统是软硬结合的东西，搞嵌入式开发的人有两类。

一类是学电子工程、通信工程等偏硬件专业出身的人，他们主要是搞硬件设计，有时要开发一些与硬件关系最密切的最底层软件，如BootLoader、Board Support Package（像PC的BIOS一样，往下驱动硬件，往上支持操作系统），最初级的硬件驱动程序等。他们的优势是对硬件原理非常清楚，不足是他们更擅长定义各种硬件接口，但对复杂软件系统往往力不从心（例如嵌入式操作系统原理和复杂应用软件等）。

另一类是学软件、计算机专业出身的人，主要从事嵌入式操作系统和应用软件的开发。如果这类人对硬件原理和接口有较好的掌握，也完全可以写BSP和硬件驱动程序。嵌入式硬件设计完后，各种功能就全靠软件来实现了，嵌入式设备的增值很大程度上取决于嵌入式软件，这占了嵌入式系统的最主要工作（有很多公司将硬件设计包给了专门的硬件公司，稍复杂的硬件都交给台湾或国外公司设计，国内的硬件设计力量很弱，很多嵌入式公司自己只负责开发软件，因为公司都知道，嵌入式产品的差异很大程度在软件上，在软件方面是最有“花头“可做的），所以软件研发人员完全不用担心在嵌入式市场上的无用武之地，越是智能设备越是复杂系统，软件越起关键作用，而且这是趋势。

嵌入式领域较新，发展非常快，很多软硬件技术出现的时间都不太长（如ARM处理器、嵌入式操作系统、LINUX操作系统），大多数人没有条件接触或进入嵌入式行业，更谈不上能有机会接受专业人士的指导。因此，踏进这个行业的难度比较大，嵌入式人才稀缺，身价自然也水涨船高。

权威部门统计，我国嵌入式人才缺口每年50万人左右。根据前程无忧网发布的调查报告，嵌入式软件开发是未来几年最热门和最受欢迎的职业之一，具有10年工作经验的高级嵌入式工程师年薪在30万元左右。即使是初级的嵌入式软件开发人员，平均月薪也达到了3000—5000元，中高级的嵌入式工程师月薪平均超过10000元。 做软件实际上有高下之分，开发语言从机器语言、汇编到C、C++，再到红透半边天的Java、C#等，该学哪种呢？为什么有些开发者工资低，而有些开发者千金难求？为什么3年的Java高级程序员薪水仅仅8k-10k，而一个Linux底层C语言程序员两年经验就敢要10k的薪水？

还是门槛，比如月薪15k的Linux嵌入式开发职位，门槛就有 Linux系统、Shell编程、Linux开发环境、C语言、ARM硬件平台、数据结构、Linux内核、驱动程序等，粗略数数就有8道关口，他需要非常熟悉整个的计算机体系，能做出实际的产品，而Java的开发者却仅仅是会使用名叫Java的语言工具，始终高高飘在众多层次之上，开发项目非常快，甚至可以不知道OSI模型，很可能自始至终都是软件蓝领。

嵌入式开发本身也有高下之分，至少包含嵌入式应用程序工程师和底层的驱动内核工程师两种。前者同样是使用现成工具进行简单劳动，比如使用J2ME开发小游戏或者进行一些界面开发，而后者是根据芯片具体情况把操作系统（如Linux）移植到上面，同时编写必要的驱动程序，改写相应的内核代码。很显然后者是一个公司真正的技术核心。而技术核心的工资很可能是其他开发者的数倍。

嵌入式开发突出强制和项目，学习不仅仅是学习几项技术，而是构建你的知识体系。比如学习嵌入式开发，就要从基础Linux，C语言，数据结构开始，到ARM，汇编，Linux内核、驱动等，更重要的是更多的项目练习，设计至少5个项目，多达10000行强制核心代码的编写可以让你真正获得知识。为进入外企或者出国做准备。未来的几年内，随着信息化，智能化，网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空间。美国著名未来学家尼葛洛庞帝99年1月访华时预言，4～5年后嵌入式智能（电脑） 工具将是PC和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系统专家沈绪榜院士98年11月在武汉全国第11次微机学术交流会上发表的《计算机的发展与技术》一文中，对未来10年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述和展望。1999年世界电子产品产值已超过12000亿美元，2000年达到13000亿美元，预计2005年，销售额将达18000亿美元。一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，日用范围也将日益广阔。对于企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移动信息采集等，这种小型手持嵌入式系统将发挥巨大的作用。自动控制领域，不仅可以用于ATM机，自动售货机，工业控制等专用设备，和移动通讯设备结合、GPS、娱乐相结合，嵌入式系统同样可以发挥巨大的作用。

经济型闪存将会成为嵌入式市场的一个方向。3

附录嵌入式相关专业术语：

Embedded Control Channel：嵌入式控制通道。

Embedded Document Architecture：嵌入式文件架构。

Embedded Linking and Control：嵌入式链路及控制。

Embedded Micro Internetworking Technology：嵌入式微型互联网技术。

Embedded System Area Network：嵌入式系统域网。

Embedded System Conference：嵌入式系统会议。

Novell Embedded Systems Technology Novell：嵌入式系统技术。

Rapid Object-Oriented Process for Embedded Systems：嵌入式快速面向对象过程。

embedded Java：嵌入式Java。

embedded Web server：嵌入式网络服务器。

embedded controller：嵌入式控制器。

embedded servo system：嵌入式伺服系统。

embedded software：嵌入式软件。

embedded test：嵌入式测试。

controller， embedded：嵌入式控制器。

Java embedded server Java：嵌入式Java服务器。3

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学