嵌入式系统论文

浅谈嵌入式系统

摘要：在现在日益信息化的社会中，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个角落。对于我们每个人，需要的已经不再仅仅是那种放在桌上处理文档，进行工作管理和生产控制的计算机"机器"；各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过通用计算机，任何一个普通人可能拥有从大到小的各种使用嵌入式技术的电子产品，小到mp3，PDA等微型数字化产品，大到网络家电，智能家电，车载电子设备。而在工业和服务领域中，使用嵌入式技术的数字机床，智能工具，工业机器人，服务机器人也将逐渐改变传统的工业和服务方式。

目前嵌入式系统技术已经成为了最热门的技术之一，吸引了大批的优秀人才投入其中。当今信息时代，嵌入式系统的应用无处不在，而ARM嵌入式系统应用市场份额约占75%。从嵌入式系统的基本概念入手，分别从ARM的定义、ARM微处理器、ARM开发工具及调试方法来介绍ARM嵌入式系统基础知识。接着，讨论了ARM嵌入式系统的实时性要求，介绍了目前市场上的实时多任务操作系统（RTOS）。最后，概括了ARM技术的应用领域及其产业化发展，并预测ARM技术发展的前景。

关键词：ARM 嵌入式系统嵌入式微处理器嵌入式微控制

1嵌入式系统基础

目前，在嵌入式系统应用领域中，但是这个概念并非新近才出现。从２０世纪七十年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器，微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近３０年的发展历史。

嵌入式系统诞生于微型机时代，嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去，这些是理解嵌入式系统的基本出发点。由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制，因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。

通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。而嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。

嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路，这条独立发展的道路就是单芯片化道路。它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士，接过起源于计算机领域的嵌入式系统，承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务，迅速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代。

在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处

器、处围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。

1、嵌入式系统的定义

按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入式系统应定义为：“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。

2、嵌入式系统的特点

嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点；

（1）对实时任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。

（2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。

（3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。

（4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有nW甚至uW级。

2 嵌入式系统的两种应用模式

嵌入式系统的嵌入式应用特点，决定了它的多学科交叉特点。作为计算机的内含，要求计算机领域人员介入其体系结构、软件技术、工程应用方面的研究。然而，了解对象系统的控制要求，实现系统控制模式必须具备对象领域的专业知识。因此，从嵌入式系统发展的历史过程，以及嵌入式应用的多样性中，可以了解到客观上形成的两种应用模式。

1、客观存在的两种应用模式

嵌入式计算机系统起源于微型机时代，但很快就进入到独立发展的单片机时代。在单片机时代，嵌入式系统以器件形态迅速进入到传统电子技术领域中，以电子技术应用工程师为主体，实现传统电子系统的智能化，而计算机专业队伍并没有真正进入单片机应用领域。因此，电子技术应用工程师以自己习惯性的电子

技术应用模式，从事单片机的应用开发。这种应用模式最重要的特点是：软、硬件的底层性和随意性；对象系统专业技术的密切相关性；缺少计算机工程设计方法。

虽然在单片机时代，计算机专业淡出了嵌入式系统领域，但随着后PC时代的到来，网络、通信技术得以发展；同时，嵌入式系统软、硬件技术有了很大的提升，为计算机专业人士介入嵌入式系统应用开辟了广阔天地。计算机专业人士的介入，形成的计算机应用模式带有明显的计算机的工程应用特点，即基于嵌入式系统软、硬件平台，以网络、通信为主的非嵌入式底层应用。

2、两种应用模式的并存与互补

由于嵌入式系统最大、最广、最底层的应用是传统电子技术领域的智能化改造，因此，以通晓对象专业的电子技术队伍为主，用最少的嵌入式系统软、硬件开销，以8位机为主，带有浓重的电子系统设计色彩的电子系统应用模式会长期存在下去。另外，计算机专业人士会愈来愈多地介入嵌入式系统应用，但囿于对象专业知识的隔阂，其应用领域会集中在网络、通信、多媒体、商务电子等方面，不可能替代原来电子工程师在控制、仪器仪表、机械电子等方面的嵌入式应用。因此，客观存在的两种应用模式会长期并存下去，在不同的领域中相互补充。电子系统设计模式应从计算机应用设计模式中，学习计算机工程方法和嵌入式系统软件技术；计算机应用设计模式应从电子系统设计模式中，了解嵌入式系统应用的电路系统特性、基本的外围电路设计方法和对象系统的基本要求等。

3 嵌入式系统的组成

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，上面集成了多个微上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种状态信息。

下面对嵌入式计算机系统的组成进行介绍。

4.1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I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。在一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。

4.2、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）或者板级支持包（Board Support Package,BSP），它半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。

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：嵌入工系统的硬件初始化的BSP功能，设计硬件相关的设备驱动。

4.3系统软件层

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。

4ARM

1、ARM简介

ARM他是英国一家电子公司的名字，全名的意思是Advanced RISC Machine。该公司成立于1990年11月，是苹果电脑，Acorn电脑集团和VLSI Technology的合资企业。Acorn 曾推出世界上首个商用单芯片RISC处理器，而苹果电脑当时希望将RISC技术应用于自身系统，ARM微处理器新标准因此应运而生。

80年代末90年代初半导体行业产业链刚刚出现分工，台积电，联电等半导体代工厂正悄悄崛起，美国硅谷中的一些fabless公司也如雨后春笋一样涌现出来，所谓的fabless公司自己设计芯片，但是生产过程则包给台积电等代工厂生产。而ARM更是为天下先，19年前首创了chipless的生产模式，即该公司既不生产芯片，也不设计芯片，而是设计出高效的IP 内核，授权给半导体公司使用，半导体公司在ARM技术的基础上添加自己的设计并推出芯片产品，最后由OEM客户采用这些芯片来构建基于ARM技术的系统产品。这种方式有点象通信行业的高通和半导体行业的RAMBUS，他们站在了半导体产业链上游的上游。19年前成立的ARM可能面临着很大风险，因为没有人知道这条路能不能行得通，但是现在的事实已经证明，ARM走了一条没人走过，却是正确的道路。，作为附加产品，他还让中国的行业人士从这个窗口认识到了英国的电子公司，ARM的成功带动了英国的chipless公司的发展。

因为ARM的产品是IP Core，没有任何物理意义上的硬件或者软件实体，所以只能在中国注册成为“咨询”公司，尽管咨询只是其业务中很小的一块。ARM的核心业务是销售芯片核

心技术IP，目前全球有103家巨型IT公司在采用ARM技术，20家最大的半导体厂商中有19家是ARM的用户，包括德州仪器，意法半导体，Philips, Intel等。20大巨头中唯一没有购买ARM授权的是Intel的老对头AMD，因为Intel便携式处理器采用的是StrongARM，而AMD则收购了Alchemy公司与之抗衡，采用的是MIPS结构。

2ARM产品介绍

ARM提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。由于所有产品均采用一个通用的软件体系，所以相同的软件可在所有产品中运行（理论上如此）。典型的产品如下。

CPU内核

ARM7：小型、快速、低能耗、集成式RISC内核，用于移动通信。

ARM7TDMI(Thumb):这是公司授权用户最多的一项产品，将ARM7指令集同Thumb扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。同时，它还利用嵌入式ICE调试技术来简化系统设计，并用一个DSP增强扩展来改进性能。该产品的典型用途是数字蜂窝电话和硬盘驱动器。

ARM710系列，包括ARM710、ARM710T、ARM720T和ARM740T:低价、低能耗、封装式常规系统微型处理器，配有高速缓存（Cache）、内存管理、写缓冲和JTAG。广泛应用于手持式计算、数据通信和消费类多媒体。

ARM7优化用于对价位和功耗敏感的消费应用的低功耗32位核，非常低的功耗；三段流水线和冯·诺依曼结构，提供0.9MIPS/MHz。

ARM9TDMI:采用5阶段管道化ARM9内核，同时配备Thumb扩展、调试和Harvard总线。在生产工艺相同的情况下，性能可达ARM7TDMI的两倍之多。常用于连网和顶置盒。ARM940T系列低价、低能耗、高性能系统微处理器，配有、内存管理和写缓冲。应用于高级引擎管理、保安系统、顶置盒、便携计算机和高档打印机。StrongARM:性能很高、同时满足常规应用需要的一种微处理器技术，与DEC联合研制，后来授权给Intel。SA110处理器、SA1100 PDA系统芯片和SA1500多媒体处理器芯片均采用了这一技术。

ARM920T, ARM922T, ARM940T,ARM966E-S,ARM968E-S,ARM996HS 有着高性能和低功耗领先的硬宏单元，5级流水线结构；哈佛结构提供 1.1MIPS/MHz。ARM920T和ARM922T内置全性能的MMU、指令和数据cache和高速AMBA总线接口。AMBA片上总线是一个开放标准，已成为SoC构建和IP库开发的事实标准。AMBA先进的高性能总线(AHB)接口现由所有新的ARM核支持，提供开发全综合设计系统。ARM940T内置指令和数据cache、保护单元和高速AMBA总线接口。

ARM7500和ARM7500FE:高度集成的单芯片RISC计算机，基于一个缓存式ARM7 32位内核，拥有内存和I/O控制器、3个DMA通道、片上视频控制器和调色板以及立体声端口;ARM7500FE则增加了一个浮点运算单元以及对EDO DRAM的支持。特别适合电视顶置盒和网络计算机（NC）。

ARM10 ARM1020E,ARM1022E,ARM1026EJ-S,系列是64位AHB指令和数据接口；6级流水线结构；1.25MIPS/MHz；比同等的ARM9器件性能提高50％。添加了两种新的先进的节能方式得到了异常低的耗电。VFP10协处理器完善地依从ARM10器件提供高性能的浮点解决方案ARM10有三个内核分别是：ARM1026EJ-S?, ARM1020E?, ARM1022E?。

ARM11 MPCore,ARM1136J(F)-S,ARM1176JZ(F)-S 这是高效率高性能的CPU,国内还没有产品出现。

3、ARM软件系统及操作系统概述

嵌入式系统通常是以具体应用为中心，以处理器为核心且面向实际应用的软硬件系统，其硬件整个嵌入式系统运行的基础和平台，提供了软件运行所需的物理平台和通信接口；而嵌入式系统的软件一般包括操作系统和应用软件，它们是整个系统的控制核心，提供机交互

的信息等。所以，嵌入式系统的开发通常包括硬件和软件两部分的开发，硬件部分主要包括选择合适的MCU 或者SOC器件、存储器类型、通讯接口及I/O、电源及其他的辅助设备等；软件部分主要涉及OS porting 和应用程序的开发等，与此同时，软件中断调试和实时调试，代码的优化、可移植性/可重用以及软件固化等也是嵌入式软件开发的关键。

ARM 对操作系统以及系统开发执行环境提供最广泛的选择，客户可以根据需要来选择最适应市场要求的基于ARM 的嵌入式操作系统。可供选择的嵌入式操作系统有几十种，使用较多的有Linux,WinCE,Palm,Symbian 等等。采用WinCE 更多的是OEM，以及按需进行特定的嵌入式器件开发的，例如GPS 导航设备。采用Palm 操作系统的厂家有联想三星索尼，他们的出货量都非常巨大。Symbian 操作系统是先进的全球公开工业标准操作系统，基于Symbian操作系统的手机有：BenQ，DoCoMo，Motorola，Nokia，Panasonic，三星，索尼爱立信等。Linux 是源代码开放的操作系统，可以运行在包括ARM 等多种主流处理器架构上。由于有一大批的工程师在开发开放源代码以及相关开发工具，Linux 可以更方便快捷的进行移植。

以Linux 为例，选择基于ARM 的Linux，可以得到更多的开发源代码的应用，可以利用ARM 处理器的高性能开发出更广阔的网络和无线应用，ARM 的Jazelle技术带来Linux 平台下Java 程序更好的性能表现。ARM 公司的系列开发工具和开发板，以及各种开发论坛的可利用信息带来更快的产品上市时间。

4、ARM开发流程

基于ARM926的Linux开发为例，浏览一下整个开发流程：

1 设计原理图（含WIGGLER的JTAG访真器）；

2 设计PCB（含WIGGLER的JTAG访真器）；

3 制版；

4 焊接电压，确定电压没问题；

5 焊接44B0+JTAG电路+WIGGLER的JTAG访真器+周边电路，用BANYANT+仿真器连接，BANYANT提示错误，但可以显示44B0编号，说明44B0没问题；

6 焊接晶体+RAM+ROM+周边电路，用BANY ANT+仿真器连接，可以显示正确的44B0了；

7 用BANYANT+仿真器连接，开AXD，在命令行窗口操作RAM，看可不可以修改，可以的话（用内存窗口看RAM地址）RAM就没问题可以用这个命令“setmem 0xc000000,0xffffffff,32”；

8把程序按照《FLASH烧写总结》里的烧到FLASH里，测试一下；

9按照《UBOOT 移植操作》移植UBOOT；

10按照《UCLINUX下载简单说明》下个UCLINUX

5嵌入式微处理器

嵌入式微处理器的核心是嵌入微处理器，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（Redyced Instryction Set Computer,RISC）和复

杂指令系统CISC (Complex instruction Set Computer,CISC)。RSIC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用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统，即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总宽度，或集成了不同的外设和接口。据不完全统计，目前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。

7 嵌入式系统的发展现状和发展趋势

7.1嵌入式系统目前发展水平

嵌入式系统设计的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。目前嵌入式系统设计模式主要有下面几类：

（1）、基于ASIC（专用集成电路）的嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit， EMPU)，ASIC是在一个芯片上定制设计的硬件。嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，目前16位和32位CPU的 ARM系列是嵌入式系统应用的主流微处理器。

（2）、DSP系统（Digital Signal Processor，数字信号处理器），DSP系统是一种类似于微处理器的的设备，不同的是它内部的CPU被优化，用于特定的应用，如离散信号处理。除了标准的微处理器指令外，DSP常常支持复杂指令集去非常快地完成通用的信号处理计算。DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。（3）、SoC系统，随着VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是SoC。他对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。

（4）、基于现场可编程逻辑器件FPGA（Field Programmable Gate Array）的嵌入式系统设计，FPGA在嵌入式系统设计领域已占据着越来越重要的地位。

（5）、SoPC系统，随着处理器以IP的形式嵌入到FPGA中，ASIC和FPGA之间的界限将越来越模糊，未来的某些电路板上可能只有这两部分电路：模拟部分（包括电源）和一块FPGA芯片，最多还有一些大容量的存储器。SoPC设计技术实际上涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理器和实时多任务操作系统（RTOS）为中心的软件设计技术、以PCB和信号完整性分析为基础的高速电路设计技术以外，SoPC还涉及目前已引起普遍关注的软硬件协同设计技术。

7.2嵌入式的发展趋势

随着信息化，智能化，网络化发展，嵌入式系统技术也将获得广阔发展空间。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。

信息时代，数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机，为嵌入式市场展现了美好的前景，同时也地嵌入式生产厂商提出了新的挑战，从中我们可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势；

一、嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。

二、网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高，使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂

三、网络互联成为必然趋势。未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网络通信接口。

四、精简系统内核，算法，降低功耗和软硬件成本。

五、提供友好的多媒体人机界面。嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面。

结论：

社会的全面信息化、数字化、智能化和自动化，家居的智能化必将成为未来

家居发展的新方向。本文提出了基于ARM9 的无线嵌入式智能家居控制系统的总体解决方案，该方案主要以微处理器ARM9 为核心，采用ZigBee 和GPRS 无线通信技术、传感技术和互联网技术，实现了对家居电器进行本地和远程的无线监控，克服了传统的仅限于有线和本地的家居监控方式，优化了人们的生活方式，具有较高的实用价值。