什么是嵌入式系統(tǒng)？

嵌入式系統(tǒng)（Embedded Systems）是指：“嵌入到對(duì)象體系中的、用于執(zhí)行獨(dú)立功能的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。定義為以應(yīng)用為中心，以微電子技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)硬件軟件的協(xié)同性與整合性，軟件硬件可剪裁的，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗和應(yīng)用環(huán)境有等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)的嵌入式本質(zhì)就是將一個(gè)計(jì)算機(jī)嵌入到一個(gè)對(duì)象體系中去。

從廣義上講，凡是帶有微處理器的專用硬件系統(tǒng)都可以稱為嵌入式系統(tǒng)，如各類單片機(jī)和 DSP 系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在完成較為單一的專業(yè)功能時(shí)具有簡(jiǎn)潔高效的特點(diǎn)。但他們的軟件的能力有限。

復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)采用嵌入式微處理器，具有自己的操作系統(tǒng)，具有特定功能，用于特定的場(chǎng)合。

嵌入式系統(tǒng)的歷史與發(fā)展

1.始于微型機(jī)時(shí)代的嵌入式系統(tǒng)

（1）單片機(jī)開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展之路

（2）單片機(jī)的技術(shù)發(fā)展史

單片機(jī)誕生于 20 世紀(jì) 70 年代末，經(jīng)歷了 SCM(Smart Controller Module )、MCU、SoC 三大階段。

2.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的兩大分支

• 通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

• 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)的分類

根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，嵌入式系統(tǒng)有不同的分類方法。

（1）嵌入式系統(tǒng)按形態(tài)可分為

• 設(shè)備級(jí)（工控機(jī)）

• 板級(jí)（單板、模塊）

• 芯片級(jí)（MCU — Micro Control Unit 、SoC — System onChip ）

因此，有些人把嵌入式處理器當(dāng)作嵌入式系統(tǒng)，但由于嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，因此，只有將嵌入式處理器構(gòu)成一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并作為嵌入式應(yīng)用時(shí)，這樣的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)才可稱作嵌入式系統(tǒng)。

（2）按嵌入式微處理器的位數(shù)分類

• 4 位

• 8 位

• 16 位

• 32 位

• 64 位…….

其中，4 位、8 位、16 位嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)獲得了大量應(yīng)用，32 位嵌入式系統(tǒng)正成為主流發(fā)展趨勢(shì)。而一些高度負(fù)責(zé)和要求高速處理的嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)開始使用 64 位嵌入式微處理器。

（3）按軟件實(shí)時(shí)性需求分類

• 非實(shí)時(shí)系統(tǒng)（如 PDA）

• 軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)（如消費(fèi)類產(chǎn)品）

• 硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)（如工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)）

實(shí)時(shí)系統(tǒng)是一個(gè)能夠在指定時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)功能并對(duì)外部或內(nèi)部事件做出響應(yīng)的系統(tǒng)；

實(shí)時(shí)邏輯的正確性不僅依賴于計(jì)算結(jié)果的正確性還取決于輸出結(jié)果的時(shí)間。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)分類

• 強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng), 其系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在毫秒或微秒級(jí)。

• 一般實(shí)時(shí)系統(tǒng), 其系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在幾秒的數(shù)量級(jí)上,其實(shí)時(shí)性的要求比強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)要差一些。

• 弱實(shí)時(shí)系統(tǒng), 其系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約為數(shù)十秒或更長(zhǎng)。這種系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間可能隨系統(tǒng)負(fù)載的輕重而變化。

根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)間的確定性的強(qiáng)弱，可將嵌入式系統(tǒng)分為硬實(shí)時(shí)、軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)：

• 硬實(shí)時(shí)：系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格的要求，如果系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不能滿足，就要引起系統(tǒng)崩潰或致命的錯(cuò)誤。(如工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制）

• 軟實(shí)時(shí)：系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有要求，但是如果系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不能滿足，不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)致命的錯(cuò)誤或崩潰。（如多媒體應(yīng)用系統(tǒng)）

實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特性：

• 實(shí)時(shí)性：系統(tǒng)產(chǎn)生的結(jié)果在時(shí)間上有嚴(yán)格的要求，只有符合時(shí)間要求產(chǎn)生的結(jié)果才是正確的；

• 并行性：如果系統(tǒng)有多個(gè)輸入時(shí)，要求系統(tǒng)具有并行處理能力，能同時(shí)響應(yīng)多個(gè)輸入信號(hào)。

• 可預(yù)測(cè)性：結(jié)果產(chǎn)生時(shí)間和產(chǎn)生范圍都是可預(yù)測(cè)的。

• 可靠性：即系統(tǒng)的正確性和健壯性。

• 專用性：不同應(yīng)用的實(shí)時(shí)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上都是不同的。

（3）按嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜程度分類

• 小型嵌入式系統(tǒng)

• 中型嵌入式系統(tǒng)

• 復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)特別強(qiáng)調(diào)“量身定做”的原則，開發(fā)人員往往需要針對(duì)某一種特殊用途開發(fā)出一個(gè)截然不同的嵌入式系統(tǒng)來，所以我們很難不經(jīng)過“大量”修改而直接將一個(gè)嵌入式系統(tǒng)全套用到其他的嵌入式產(chǎn)品上去。

“嵌入性”、“專用性”與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的三個(gè)基本要素。對(duì)象系統(tǒng)則是指嵌入式系統(tǒng)所嵌入的宿主系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)是由三個(gè)基本要素衍生出來的。不同的嵌入式系統(tǒng)其特點(diǎn)會(huì)有所差異。

• 與“嵌入性”的相關(guān)特點(diǎn)：由于是嵌入到對(duì)象系統(tǒng)中，必須滿足對(duì)象系統(tǒng)的環(huán)境要求，如物理環(huán)境（小型）、電氣/環(huán)境（可靠）、成本（價(jià)廉）等要求。

• 與“專用性”的相關(guān)特點(diǎn)：軟、硬件的裁剪性；滿足對(duì)象要求的最小軟、硬件配置等。

• 與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”的相關(guān)特點(diǎn)：具有計(jì)算機(jī)的一般特點(diǎn)，有 CPU、存儲(chǔ)器、IO 接口、通信接口、人機(jī)接口等各種硬件組件。計(jì)算機(jī)的具體功能由軟件來實(shí)現(xiàn)?？梢跃哂胁僮飨到y(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)的硬件組成如下：

嵌入式處理器種類有 1000 多種，流行的體系結(jié)構(gòu)有 30 多個(gè)系列，數(shù)據(jù)總線寬度從 8 位到 32 位，處理速度為 0.1——2000MIPS（MIPS——每秒百萬(wàn)條指令）

與通用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)化相比，嵌入式系統(tǒng)具有以下顯著特點(diǎn)。

• 系統(tǒng)內(nèi)核小

• 專用性強(qiáng)

• 運(yùn)行環(huán)境差異大

• 可靠性要求高

• 系統(tǒng)精簡(jiǎn)和高實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)

• 具有固化在非易失性存儲(chǔ)器中的代碼

• 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工作和環(huán)境