嵌入式操作系统简介以及发展史
嵌入式操作系统简介以及发展史
导语：嵌入式操作系统离我们生活并不远，甚至我们生活中处处都可见，比如各种路由器，机顶盒，洗衣机，空调，手机等。
嵌入式操作系统的定义：
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用操作系统。
嵌入式系统的发展：嵌入式操作系统并不是一个新生的事物，从20世纪80年代起，国际上就有了一些IT组织，公司开始进行商用嵌入式系统和专用操作系统的研发，这期间涌现了一些著名的嵌入式操作系统：windows CEVxWorkspSOSQNXPalm OSOS-9LynxOS目前，有很多商用嵌入式操作系统都在努力的为自己争取嵌入式市场的份额。
但是，这些专用操作系统均属于商业化产品，价格昂贵，而且，他们的源码不公开，使得各自的嵌入式系统上的应用软件不能互相兼容。
这导致了商业嵌入式系统对支持各种设备存在了很大的问题，使软件移植变得相当困难，但是，在这个时候，我们伟大的linux操作系统横空出世，
由于linux自身诸多的优点以及优势，吸引了许多开发商的
目光，使得linux成为了嵌入式操作系统的新宠。
嵌入式操
作系统发展的四个阶段：第一阶段：无操作系统的嵌入式算法阶段，以单芯片为核心的可编程控制器的系统，具有监测，
伺服，指示设备相配合的功能。
应用在一些专业性极强的工业控制系统，使用古老的汇编语言进行系统的直接控制。
第二阶段：以嵌入式CPU为基础，简单操作系统为核心的嵌入式操作系统，CPU种类繁多，通用性差，系统开销小，效率高，一般配备系统仿真器，操作系统有一定的兼容性，软件较为专业，用户界面不够友好，系统主要用来监测系统和应用程序运行。
第三阶段：通用的嵌入式实时操作系统阶段，以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统，能运行于各种微处理器上，兼容性好，内核小，效率高，具有高度的模块化和扩展化，有文件管理和目录管理，设备支持，多任务，网络支持，图形窗口以及用户界面等功能，具有大量的应用程序接口（API），软件非常丰富，代表就是linux。
第四阶段：以Internet为标志的嵌入式操作系统，这是一个正在迅速发展的阶段，现在非常多的嵌入式操作系统已经有了接入Internet的能力。
通过一个综合网关。
常见的嵌入式操作系统：uC/OS-Ⅱ：uC/OS-Ⅱ是一个公开源码，结构小巧，实时内核的实时操作系统。
是一种基于优先级的可抢占式的硬实时内核，其内核提供任务管理与调度，时间管理，任务同步和通信，内存管理，中断服务等功能。
其内核最小可以编译至2KB左右。
-RTLinux：RTLinux是一个源代码开放的具有硬实时特性的多任务操作系统，他是通
过底层对linux改造的产物，通过在linux内核与硬件中间加了一个精巧的可抢先的实时内核，多勇于航天飞机的空间数据采集，科学仪器监控等实时环境下。
-ARM-Linux：
ARM-Linux就是在ARM芯片上应用的嵌入式实时操作系统，现在大部分手机的CPU架构都是ARM。
当然现在手机运行的是安卓，IOS等，都是linux内核的。
-uCLinux：uCLinux 是Lineo公司的主打产品，也是源代码开放的嵌入式linux
的典范之作。
uCLinux主要是针对目标处理器没有
MMU(Memory Management Unit)的嵌入式操作系统设计，它已经被移植到很多平台，由于MMU，其多任务实现需要
一定技巧，uclinux是一种优秀的嵌入式linux版本，它的体积非常小，但仍然保留了linux的大多数优点，稳定良好的
移植性，优秀的网络功能，对各种文件系统完备的支持和标准丰富的API，其编译后的目标文件可控制在几百KB。
-Windows CE：Windows CE，一看这名字就知道是微软开发的，由于是微软开发的，它继承了传统的windows图形界面，并且在windows CE平台上可以使用windows上的编程工具，如Visual Basic，Visual C++，使用同样的函数和同
样的界面风格，使得windows上的软件只需简单的修改就可运行在windows CE平台上。
-VxWorks：VxWorks操作系
统是美国WindRiver公司于1983年设计研发的一种嵌入式实时操作系统，有良好的持续发展能力，高性能的内核，友
好的开发环境，但是收费昂贵，而且不提供源代码，只提供二进制代码。
支持的硬件数量有限。
-Android：Android是Google于2007年11月5日宣布的基于linux平台的开源手机操作系统，该平台由操作系统，中间件，用户界面和应用软件组成，是首个为移动终端打造的真正开放和完整的移动软件，Android基于linux免费开放源代码的操作系统，应用是基于Java语言开发的。
Android基于Apache许可。
可运行开发者任意修改，分发源代码，开发的新代码不再使用相同的许可模式，甚至可以不再开源，这为开发者带来了完全的自由。
现在Android已经发展到了7.1，马上8.0版本也快发布了。
生活中的嵌入式系统：过程控制：食品加工，化工厂通信：路由器，交换机汽车：发动机控制，防抱死系统(ABS）航空航天：飞机管理系统，武器系统，喷气发动机控制办公自动化：传真机，复印机民用消费品：微波炉，洗碗机，洗衣机，空调，计算机外设：打印机，扫描仪。
主流嵌入式操作系统介绍
主流嵌入式操作系统介绍嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。
具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。
嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。
嵌入式操作系统EOS（Embedded OperatingSystem）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、调度工作，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。
目前，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。
嵌人式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态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，它除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等外，还有以下特点：(1)可装卸性。
开放性、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当中。
(3)统一的接口。
提供各种设备驱动接入.(4)操作方便、简单、提供友好的图形GUI，图形界面，追求易学易用.(5)提供强大的网络功能，支持TCP/IP协议及其它协议，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.(6)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臭有较强的稳定性。
嵌入式操作系统的用户接日一般不提供操作命令，它通过系统调用命令向用户程序提供服务。
(7)固化代码。
在嵌入系统中，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。
嵌入式系统发展历程
嵌入式系统发展历程嵌入式系统是指集成电子计算机技术和软件技术于一体，用于控制、监测和操作其他系统的特定计算机系统。
它通常运行在嵌入式设备内部，具有实时性、低功耗等特点。
嵌入式系统的发展历程经历了多个阶段，以下是一篇关于嵌入式系统发展历程的700字的文章：嵌入式系统是近年来快速发展的一种计算机技术，它将计算机系统集成到其他设备中，以控制和操作这些设备。
随着技术的进步和市场的需求，嵌入式系统发展经历了多个阶段。
20世纪70年代，嵌入式系统的发展刚刚起步。
当时的嵌入式系统主要用于军事和航天领域，以控制和监测各种设备和系统。
这些系统通常采用自定义的硬件和嵌入式操作系统，功能有限，性能较低。
到了80年代，随着大规模集成电路（VLSI）技术的发展和微处理器的应用，嵌入式系统开始向民用领域扩展。
诸如电视机、电冰箱、打印机等家电产品开始普及，并且集成了嵌入式系统。
这些嵌入式系统运行在基于微处理器的硬件平台上，具备更高的性能和更多的功能。
90年代，随着嵌入式系统市场的不断扩大和竞争的加剧，更加强大、功能更为复杂的嵌入式系统开始出现。
这些系统通常使用现成的硬件平台，如ARM、Intel等，以更高的性能和更低的能耗来满足市场需求。
同时，嵌入式操作系统也得到了快速发展，如Linux、Windows CE等。
这些操作系统为嵌入式系统提供了更好的软件支持和开发环境。
进入21世纪，嵌入式系统发展呈现出多样化和个性化的特点。
在智能手机和平板电脑的推动下，消费类电子产品市场逐渐崛起，并成为嵌入式系统的主要应用领域。
这些系统具备更高的计算能力、更丰富的功能和更便捷的用户界面，成为人们生活中必不可少的工具。
目前，嵌入式系统正朝着更加智能、连接、安全和可靠的方向发展。
随着人工智能和物联网技术的不断进步，嵌入式系统将与各类传感器、云计算和大数据等领域相互结合，实现更全面、更高级别的功能。
例如，在智能家居领域，嵌入式系统可以通过各种传感器收集家庭的温度、湿度、照明等信息，并通过互联网进行远程控制和管理。
嵌入式操作系统
嵌入式操作系统嵌入式操作系统是一种特殊的操作系统，用于控制嵌入式设备的操作和功能。
它通常被设计成具有小巧、高效、快速响应和稳定性强等特点，以适应嵌入式设备的资源限制和实时性要求。
本文将介绍嵌入式操作系统的基本概念、分类、应用和发展趋势。
一、基本概念嵌入式操作系统是在嵌入式系统中运行的一种软件系统。
它负责管理和控制硬件资源，提供对应用程序的支持和调度，以实现各种功能需求。
在嵌入式系统中，它不仅仅是一个软件组件，更是整个系统的核心。
二、分类嵌入式操作系统可以根据其结构和特点进行分类。
1. 实时操作系统（RTOS）实时操作系统是一种关注任务响应时间的嵌入式操作系统。
它能够确保任务在预定的时间内完成，并满足实时性要求。
实时操作系统广泛应用于航空航天、汽车电子、工业控制等领域。
2. 嵌入式Linux嵌入式Linux是指将Linux操作系统移植到嵌入式设备上的一种操作系统。
它继承了Linux的开放性和稳定性，并且具有丰富的软件资源和开发工具。
嵌入式Linux在智能手机、平板电脑、智能电视等设备中得到广泛应用。
3. 嵌入式Windows嵌入式Windows是指将Windows操作系统移植到嵌入式设备上的一种操作系统。
它兼容Windows的API和应用程序，为开发者提供了熟悉的开发环境和工具。
嵌入式Windows在工业自动化、医疗设备等领域被广泛采用。
三、应用嵌入式操作系统在各个领域都有广泛的应用。
1. 汽车电子嵌入式操作系统在汽车电子中起到了至关重要的作用。
它可以控制车身电子系统、信息娱乐系统、车载网络等，提高驾驶安全性和乘车舒适度。
2. 智能家居随着物联网技术的发展，越来越多的家庭设备开始智能化。
嵌入式操作系统可以用于控制家庭自动化设备，如智能门锁、智能灯光、智能家电等，实现远程控制和智能化管理。
3. 工业自动化工业自动化是嵌入式操作系统的一个重要应用领域。
它可以用于控制工业机器人、生产线设备、监控系统等，提高生产效率和质量稳定性。
嵌入式操作系统
嵌入式操作系统
三星Android TouchWiz
一种典型Android系统UI（Android 4.1）
嵌入式操作系统
Android操作系统
发行版本：
Android 1.1：2008年9月发布的Android第一版。
Android 1.5 ：Cupcake（纸杯蛋糕）：2009年 4 月30日发布。
嵌入式操作系统
zzzzzzzzz 常见手机嵌入式系统
Android
基于Linux的操作系 统，主要用于移动设 备，由Google公司和 开放手机联盟开发。
Windows Phone
微软开发，将熟悉的 Windows 体验扩展到了 移动环境中，现更名为 Windows Phone 7
ios
苹果公司开发的手 持设备操作系统
嵌入式操作系统
10网络二班 李玲
嵌入式操作系统
何为嵌入式操作系统？
嵌入式系统 以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功
能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。
嵌入式处理器
嵌入式系统
相关支撑硬件
嵌入式操作系统
应用软件系统
嵌入式操作系统（real-time embedded operating system,RTOS
嵌入式操作系统
Android操作系统
Android操作系统是一种基于Linux的自由的、开放源代码的操作系统， 最初由Andy Rubin开发，主要支持手机，后拓展应用到多种移动设备。 2005年8月由Google收购注资。2007年11月，Google与84家硬件制造商、软 件开发商及电信营运商组建开放手机联盟共同研发改良Android系统。随后 Google以Apache开源许可证的授权方式，发布了Android的源代码。 第一款采用Google的Android操作系统的智能手机是台湾宏达国际电子 股份有限公司(HTC)公司研发设计于2008年10月推出的T-Mobile G1研发代 号称HTC Dream,简称G1。Android逐渐扩展到平板电脑及其他领域上，如电 视、数码相机、游戏机等。2011年第一季度，Android在全球的市场份额首 次超过塞班系统，跃居全球第一。 2012年11月数据显示，Android占据全 球智能手机操作系统市场76%的份额，中国市场占有率为90%。
嵌入式系统的定义与发展历史
嵌入式系统的定义与发展历史嵌入式系统是一种专门设计用于执行特定功能的小型计算机系统，它们通常嵌入在更大的系统中，如机器人、航空航天设备、智能手机、电视等。
嵌入式系统的主要特点是它们的高度专业化、适应性、可靠性、实时性、体积小和功耗低。
嵌入式系统的发展可以追溯到上世纪七十年代，当时人们开始将计算机硬件和软件集成到更大的系统中。
随着微电子技术的不断发展，嵌入式系统也得到了迅速的发展。
在八十年代，随着个人计算机的普及，嵌入式系统开始被广泛应用在各种领域，如工业控制、自动化、交通、医疗等。
到了九十年代，随着Internet的普及，嵌入式系统开始与网络技术结合，形成了嵌入式互联网。
嵌入式互联网是指将嵌入式系统通过互联网连接起来，实现远程控制、监测、诊断等功能。
在21世纪，嵌入式系统已经成为了各种设备的核心技术，如智能家居、智能城市、智能医疗等。
嵌入式系统的应用领域非常广泛，下面列举几个主要的领域：工业控制：在工业控制领域，嵌入式系统被用于各种自动化设备和机器的控制，如PLC、DCS、机器人等。
医疗设备：在医疗领域，嵌入式系统被用于各种医疗设备的控制和监测，如起搏器、人工呼吸机、血糖仪等。
军事应用：在军事领域，嵌入式系统被用于各种武器系统的控制和监测，如导弹制导、火控系统等。
智能家居：在智能家居领域，嵌入式系统被用于各种智能设备的控制和监测，如智能照明、智能安防、智能家电等。
硬件方面：嵌入式系统的硬件主要包括微处理器、存储器、输入输出接口和电源等部分。
微处理器是嵌入式系统的核心，它控制着整个系统的运行。
存储器用于存储系统和用户的数据和程序。
输入输出接口用于连接外部设备和接收外部信号。
电源则是整个系统的能量来源。
软件方面：嵌入式系统的软件通常包括操作系统、应用程序和驱动程序等部分。
操作系统是整个系统的软件基础，它负责管理系统的资源、调度任务、提供接口等。
应用程序是用户为了实现特定功能而编写的程序。
驱动程序则是用于控制硬件设备的程序。
3、嵌入式操作系统介绍
——ARM与C/OS-Ⅱ
北京航空航天大学 智能嵌入式技术工作室
王田苗 魏洪兴
1
第四讲、嵌入式实时操作系统分析
一、操作系统概述 二、嵌入式实时操作系统C/OS 三、嵌入式Linux简介 四、WinCE
2
一、操作系统的发展
串行处理 简单批处理系统——IBMSYS 多通道程序批处理系统 分时操作系统 实时操作系统
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任务控制块结构
Struct os_tcb {
OS_STK *OSTCBStkPtr;
struct os_tcb *OSTCBNext; struct os_tcb *OSTCBprev;
事件控制块的指针
OS_EVENT *OSTCBEventPtr;
void
*OSTCBMsg;
INT16U OSTCBDly; INT8U OSTCBStat;
21
µC/OS-II提供的系统服务
信号量 带互斥机制的信号量
减少优先级倒置的问题 事件标志 消息信箱 消息队列 内存管理 时钟管理 任务管理
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µC/GUI and µC/FS
µC/GUI 嵌入式的用户界面 用ANSI C书写 支持任何8, 16, 32-bits CPU 彩色，灰、度，等级或黑白显示 代码尺寸小
3
批处理操作系统
工作方式： 用户将作业交给系统操作员 系统操作员将许多用户的作业组成一批作业 之后输入到计算机中，在系统中形成一个自动转接
的连续的作业流 启动操作系统 系统自动、依次执行每个作业 最后由操作员将作业结果交给用户
4
分时操作系统
工作方式:
一台主机连接了若干个终端 每个终端有一个用户在使用 交互式的向系统提出命令请求 系统接受每个用户的命令 采用时间片轮转方式处理服务请求 并通过交互方式在终端上向用户显示结果 用户根据上步结果发出下道命令
嵌入式系统的发展历史
嵌入式系统的发展历史嵌入式系统是一种特定应用下的计算机系统，通常被嵌入到一些特定的设备中，包括智能手机、数码相机、汽车电子、医疗设备、电视和家电等等。
简而言之，嵌入式系统是计算机科学与工程的一种应用形式，其发展史又是一幅充满热情和创新的历程。
1. 早期嵌入式系统最初的嵌入式系统开发主要是面向轻量级的应用场景，用于控制单一机器或设备的工作。
这些系统主要采用微控制器和微处理器作为主要的控制单元，包括了科学仪器、嵌入式医疗设备和家电等等。
这些系统通常拥有极低的运算能力和内存容量，并且需要通过硬件而非软件实现其复杂功能。
在电子产品的早期学院中，嵌入式系统的开发主要依赖程序员来手工编写汇编语言程序，进行低级别的硬件控制。
这种手工开发方式存在着许多问题，比如调试难度大、开发效率低下和代码复杂性高等等。
初创企业也很难面对这些问题，因为他们需要使用更少的资源来开发产品。
2. 进入数字时代到了20世纪80年代和90年代，随着数字技术的不断进步，嵌入式系统也出现了重大转折。
在这一时期，基于数字信号处理器和嵌入式C语言实现的远程通讯终端可以接近英特尔x86处理器的性能。
这种进步使得嵌入式系统的开发成为了一种更加可行的方案。
同时，在90年代，嵌入式系统的应用范围也不断拓宽。
从移动设备、交通信号、到航天飞行器，嵌入式系统已经成为了各种行业中关键的一环。
嵌入式系统的研究领域被扩展到了自动化、医药、通信、交通和安全等领域，使得嵌入式系统技术逐渐成为了未来技术的主打之一。
3. 硬件和软件的不断革新2010年前后，随着电子产品的普及和嵌入式技术的急剧发展，以ARM架构为代表的嵌入式系统处理器逐渐增强了其性能和功能。
同时，新的软件开发平台也逐渐出现。
当时的开发者可以使用Linux、Android、WindowsCE和嵌入式Java等不同的嵌入式操作系统，给软件开发带来了革命性的变化。
此外，嵌入式软件、分布式系统和云计算等技术的出现，催生了嵌入式系统领域里的大规模互联，这为嵌入式系统的发展带来了重要的启示。
嵌入式系统的发展历程
嵌入式系统的发展历程嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，它嵌入在一些特定的设备中，用于控制和执行特定的功能。
随着科技的发展，嵌入式系统得到了广泛的应用，其发展历程也经历了几个阶段。
第一阶段是嵌入式系统的起步阶段。
在20世纪50年代和60年代，嵌入式系统主要用于军事和航空领域。
这些系统使用的是早期的电子管和磁芯存储器，体积庞大且功能有限。
然而，随着集成电路技术的发展，嵌入式系统开始变得更小巧、更高效。
第二阶段是嵌入式系统的成熟阶段。
在20世纪70年代和80年代，嵌入式系统开始在工业控制、汽车电子和家用电器等领域得到广泛应用。
这些系统使用的是更加先进的微处理器和存储器，能够实现更多样化的功能。
同时，实时操作系统的发展也使得嵌入式系统能够更好地响应外部事件和控制任务。
第三阶段是嵌入式系统的智能化阶段。
在20世纪90年代和2000年代，嵌入式系统开始融合更多的智能化技术，如人工智能、机器学习和无线通信等。
这些系统能够实现更复杂的任务，如语音识别、图像处理和无线通信。
同时，嵌入式系统的体积也进一步缩小，能够嵌入到更多的设备中。
第四阶段是嵌入式系统的互联网化阶段。
随着互联网的普及，嵌入式系统开始与互联网进行连接，形成了IoT（物联网）的概念。
这使得嵌入式系统能够实现远程访问、数据共享和云计算等功能，极大地扩展了其应用范围。
例如，智能家居、智能交通和智能医疗等领域的发展，都与嵌入式系统的互联网化密不可分。
第五阶段是嵌入式系统的人工智能阶段。
随着深度学习和神经网络等人工智能技术的快速发展，嵌入式系统也开始加入更复杂的智能化算法和硬件。
这使得嵌入式系统能够实现更高级的人工智能功能，如人脸识别、自动驾驶和智能机器人等。
同时，人工智能技术的推动也使得嵌入式系统在医疗、安防和工业等领域发挥了更大的作用。
总的来说，嵌入式系统在发展历程中经历了起步阶段、成熟阶段、智能化阶段、互联网化阶段和人工智能阶段等几个阶段。
每个阶段都伴随着技术的进步和应用的拓展，使得嵌入式系统在各个领域发挥了越来越重要的作用。
嵌入式操作系统的发展历程讲解
嵌入式操作系统的发展历程、特点及发展趋势信安1301 田泽佳摘要：随着3C融合进程和我国传统产业结构升级的加速，人们对设备越来越高的应用需求已无法满足当前和未来高性能的应用与发展需求。
同时，激烈的市场竞争和技术竞争，要求产品的开发周期越来越短，显然，嵌入式系统的软、硬件技术和开发手段，正日益受到重视，成为各领域技术创新的重要基础。
嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。
本文回顾了嵌入式操作系统发展的历史，通过与通用桌面操作系统的比较，分析了嵌入式操作系统的特点，并且从嵌入式操作系统市场和技术的发展着手，探讨了嵌入式系统的未来发展趋势。
1、嵌入式系统的历史嵌入式系统的产生20世纪70年代嵌入式系统诞生于微型机时代，经过微型计算机的嵌入式专用化的短暂探索后，便进入到嵌入式系统独立的微控制器发展时代。
直接在嵌入式处理器与外围集成电路技术基础上发展的带处理器内核的单片机，即微控制器的智能化电子系统。
无论是工控机，还是单板机，都无法彻底地满足嵌入式系统的微小体积、极低价位、高可靠性的要求。
目前正以前所未有的速度影响和改变着我们的生活，迄今为止，只要我们目之能及，嵌入式系统已经无所不能、无处不在。
无所不能是指嵌入式系统将人工智能技术和超级计算技术有机结合，而无所不在则是指嵌入式系统有着广阔的应用领域，如人们平常用的手机、摄像机、医疗仪器、汽车、工业控制设备、航天设备、航空设备都有嵌入式系统，这些只是嵌入式应用的冰山一角。
由于迅速发展的互联网技术和廉价的微处理器的出现，不远的将来，嵌入式设备将会“嵌”入在各种日常用品中，全面走入人类的生活，还会在工业、军事、自然探索等各方面广泛应用。
事实上，有数据显示，当前市面上销售的CPU只有不到10%流向了各类通用计算机系统，而超过90%的CPU则被装在了各类嵌入式系统中。
嵌入式发展及定义与发展简史
嵌入式发展及定义与发展简史Investment and study are the most important things in life, and there is no better idea.嵌入式发展前景及定义与发展简史嵌入式系统的定义与发展简史一、现代计算机的技术发展史1.始于微型机时代的嵌入式应用电子数字计算机诞生于1946年,在其后漫长的历史进程中,计算机始终是供养在特殊的机房中,实现数值计算的大型昂贵设备.直到20世纪70年代,微处理器的出现,计算机才出现了历史性的变化.以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性特点,迅速走出机房；基于高速数值解算能力的微型机,表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣,要求将微型机嵌入到一个对象体系中,实现对象体系的智能化控制.例如,将微型计算机经电气加固、机械加固,并配置各种外围接口电路,安装到大型舰船中构成自动驾驶仪或轮机状态监测系统.这样一来,计算机便失去了原来的形态与通用的计算机功能.为了区别于原有的通用计算机系统,把嵌入到对象体系中,实现对象体系智能化控制的计算机,称作嵌入式计算机系统.因此,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.2.现代计算机技术的两大分支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.早期,人们勉为其难地将通用计算机系统进行改装,在大型设备中实现嵌入式应用.然而,对于众多的对象系统如家用电器、仪器仪表、工控单元……,无法嵌入通用计算机系统,况且嵌入式系统与通用计算机系统的技术发展方向完全不同,因此,必须独立地发展通用计算机系统与嵌入式计算机系统,这就形成了现代计算机技术发展的两大分支.如果说微型机的出现,使计算机进入到现代计算机发展阶段,那么嵌入式计算机系统的诞生,则标志了计算机进入了通用计算机系统与嵌入式计算机系统两大分支并行发展时代,从而导致20世纪末,计算机的高速发展时期.3.两大分支发展的里程碑事件通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发展,导致20世纪末、21世纪初,计算机技术的飞速发展.计算机专业领域集中精力发展通用计算机系统的软、硬件技术,不必兼顾嵌入式应用要求,通用微处理器迅速从286、386、486到奔腾系列；操作系统则迅速扩张计算机基于高速海量的数据文件处理能力,使通用计算机系统进入到尽善尽美阶段.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.因此,现代计算机技术发展的两大分支的里程碑意义在于：它不仅形成了计算机发展的专业化分工,而且将发展计算机技术的任务扩展到传统的电子系统领域,使计算机成为进入人类社会全面智能化时代的有力工具.二、嵌入式系统的定义与特点如果我们了解了嵌入式计算机系统的由来与发展,对嵌入式系统就不会产生过多的误解,而能历史地、本质地、普遍适用地定义嵌入式系统.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特点与定义不同,它是由定义中的三个基本要素衍生出来的.不同的嵌入式系统其特点会有所差异.与“嵌入性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中,必须满足对象系统的环境要求,如物理环境小型、电气/气氛环境可靠、成本价廉等要求.与“专用性”的相关特点：软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬件配置等.与“计算机系统”的相关特点：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统.与上两个特点相呼应,这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路.另外,在理解嵌入式系统定义时,不要与嵌入式设备相混淆.嵌入式设备是指内部有嵌入式系统的产品、设备,例如,内含单片机的家用电器、仪器仪表、工控单元、机器人、手机、PDA等.3.嵌入式系统的种类与发展按照上述嵌入式系统的定义,只要满足定义中三要素的计算机系统,都可称为嵌入式系统.嵌入式系统按形态可分为设备级工控机、板级单板、模块、芯片级MCU、SoC.有些人把嵌入式处理器当作嵌入式系统,但由于嵌入式系统是一个嵌入式计算机系统,因此,只有将嵌入式处理器构成一个计算机系统,并作为嵌入式应用时,这样的计算机系统才可称作嵌入式系统.嵌入式系统与对象系统密切相关,其主要技术发展方向是满足嵌入式应用要求,不断扩展对象系统要求的外围电路如ADC、DAC、PWM、日历时钟、电源监测、程序运行监测电路等,形成满足对象系统要求的应用系统.因此,嵌入式系统作为一个专用计算机系统,要不断向计算机应用系统发展.因此,可以把定义中的专用计算机系统引伸成,满足对象系统要求的计算机应用系统.三、嵌入式系统的独立发展道路1.单片机开创了嵌入式系统独立发展道路嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代,然而,微型计算机的体积、价位、可靠性都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求,因此,嵌入式系统必须走独立发展道路.这条道路就是芯片化道路.将计算机做在一个芯片上,从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代.在探索单片机的发展道路时,有过两种模式,即“Σ模式”与“创新模式”.“Σ模式”本质上是通用计算机直接芯片化的模式,它将通用计算机系统中的基本单元进行裁剪后,集成在一个芯片上,构成单片微型计算机；“创新模式”则完全按嵌入式应用要求设计全新的,满足嵌入式应用要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式等.Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照创新模式发展起来的单片形态的嵌入式系统单片微型计算机.MCS-51是在MCS-48探索基础上,进行全面完善的嵌入式系统.历史证明,“创新模式”是嵌入式系统独立发展的正确道路,MCS-51的体系结构也因此成为单片嵌入式系统的典型结构体系.2.单片机的技术发展史单片机诞生于20世纪70年代末,经历了SCM、MCU、SoC三大阶段.即单片微型计算机Single Chip Microcomputer阶段,主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构.“创新模式”获得成功,奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路.在开创嵌入式系统独立发展道路上,Intel公司功不可没.即微控制器Micro Controller Unit阶段,主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时,对象系统要求的各种外围电路与接口电路,突显其对象的智能化控制能力.它所涉及的领域都与对象系统相关,因此,发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家.从这一角度来看,Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素.在发展MCU方面,最着名的厂家当数Philips公司.Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势,将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器.因此,当我们回顾嵌入式系统发展道路时,不要忘记Intel和Philips的历史功绩.3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路,向MCU阶段发展的重要因素,就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此,专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势.随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展,基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展.因此,对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统.四、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.嵌入式系统应用的高低端由于嵌入式系统有过很长的一段单片机的独立发展道路,大多是基于8位单片机,实现最底层的嵌入式系统应用,带有明显的电子系统设计模式特点.大多数从事单片机应用开发人员,都是对象系统领域中的电子系统工程师,加之单片机的出现,立即脱离了计算机专业领域,以“智能化”器件身份进入电子系统领域,没有带入“嵌入式系统”概念.因此,不少从事单片机应用的人,不了解单片机与嵌入式系统的关系,在谈到“嵌入式系统”领域时,往往理解成计算机专业领域的,基于32位嵌入式处理器,从事网络、通信、多媒体等的应用.这样,“单片机”与“嵌入式系统”形成了嵌入式系统中常见的两个独立的名词.但由于“单片机”是典型的、独立发展起来的嵌入式系统,从学科建设的角度出发,应该把它统一成“嵌入式系统”.考虑到原来单片机的电子系统底层应用特点,可以把嵌入式系统应用分成高端与低端,把原来的单片机应用理解成嵌入式系统的低端应用,含义为它的底层性以及与对象系统的紧耦合.引言目前红外技术作为一种高技术,它与激光技术并驾齐驱,在军事上占有举足轻重的地位.红外成像、红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等在现代和未来战争中都是很重要的战术和战略手段.在70年代以后,军事红外技术又逐步向民用部门转化.红外加热和干燥技术广泛应用于工业、农业、医学、交通等各个行业和部门.红外测温、红外测湿、红外理疗、红外检测、红外报警、红外遥感、红外防伪更是各行业争相选用的先进技术.标志红外技术最新成就的红外热成像技术,它与雷达、电视一起构成当代三大传感系统,尤其是焦平面列阵技术的采用,将使它发展成可与眼睛相媲美的凝视系统.红外简介1.2.1红外线概述1672年,牛顿使用分光棱镜把太阳光白光分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色单色光,证实了太阳光白光是由各种颜色的光复合而成.1800年,英国物理学家F. W. 赫胥尔从热的观点来研究各种色光时,偶然发现放在光带红光外的一支温度计,比其他色光温度的指示数值高.经过反复试验,这个所谓热量最多的高温区,总是位于光带最边缘处红光的外面.于是他宣布:太阳发出的辐射中除可见光线外,还有一种人眼看不见的“热线”,这种看不见的“热线”位于红色光外侧,叫做红外线.这种红外线,又称红外辐射,是指波长为～1000μm的电磁波.其中波长为～μm 的部分称为近红外,波长为～10μm的部分称为中红外,波长为10～1000μm的部分称为远红外线.而波长为～1000μm的部分,也称为热红外线.红外线是中众多不可见光线中的一种,是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射,它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域.这种红外线辐射是,基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动,并不停地辐射出热红外能量.分子和原子的运动愈剧烈,辐射的能量愈大;反之,辐射的能量愈小.1.2.2红外线特性红外线具有热效应：生物体中的偶极子和自由电荷在电磁场的作用下,有按电磁场方向排列的趋势.在此过程中,引发分子,原子无规则运动加剧而产生热.当红外辐射有足够强度时,即超过了生物体的散热能力,就会使被照射机体局部温度升高,这是红外线的热效应.理论分析和实验研究表明,不仅太阳光中有红外线,而且任何温度高与绝对零度的物体如人体等都在不停地辐射红外线.就是冰和雪,因为它们的温度也源源高与绝对零度,所以也在不断的辐射红外线.因此,红外线的最大特点是普遍存在于自然界中.也就是说,任何“热”的物体虽然不发光但都能辐射红外线.因此红外线又称为热辐射线简称热辐射.红外线和可见光相比的另一个特点是,色彩丰富多样,.由于可见光的最长波长是最短波长的1倍780nm～380nm,所以也叫作一个倍频程.而红外线的最长波长是最短波长的10倍,即具有10个倍频程.因此,如果可见光能表现为7种颜色,则红外线便可能表现70种颜色,显示了丰富的色彩.红外线是一种电磁辐射,具有与可见光相似的特性,服从反射和折射定律,也有干涉、衍射和偏振等现象；同时,它又具有粒子性,即它可以光量子的形式发射和吸收.此外,红外线还有一些与可见光不一样的独有特性:1 红外线对人的眼睛不敏感,所以必须用对红外线敏感的红外探测器才能接收到；2 红外线的光量子能量比可见光的小,例如10μm波长的红外光子的能量大约是可见光光子能量的1/20；3 红外线的热效应比可见光要强得多；4 红外线更易被物质所吸收,但对于薄雾来说,长波红外线更容易通过. 1.2.3红外技术的发展19世纪：研究天文星体的红外辐射,应用红外光谱进行物质分析.20世纪：红外技术首先受到军事部门的关注,因为它提供了在黑暗中观察、探测军事目标自身辐射及进行保密通讯的可能性.第一次世界大战期间研制了一些实验性红外装置,如信号闪烁器、搜索装置等.第二次世界大战前夕,德国：红外显像管；战争期间：德国,美国：红外辐射源、窄带滤光片、红外探测器、红外望远镜、测辐射热计等.第二次世界大战后：前苏联.50年代以后,美国：响尾蛇导弹上的寻的器制导装置和u—2间谍飞机上的红外照相机代表着当时军用红外技术的水平.前视红外装置FLIR获得了军界的重视,并广泛使用：机载前视红外装置能在1500m上空探测到人、小型车辆和隐蔽目标,在20000 m高空能分辨出汽车,特别是能探测水下40m深处的潜艇.在海湾战争中,红外技术,特别是热成像技术在军事上的作用和威力得到充分显示.第2章红外探测技术红外探测器2.1.1 物理学的进展与红外探测器红外辐射与物质材料相互作用产生各种效应.100多年来,从经典物理到20世纪开创的近代物理,特别是量子力学、半导体物理等学科的创立,到现代的介观物理、低维结构物理等等,有许多而且越来越多可用于红外探测的物理现象和效应.2.1.1.1热探测器：热辐射引起材料温度变化产生可度量的输出.有多种热效应可用于红外探测器.1热胀冷缩效应的液态的水银温度计、气态的高莱池Golay cell;2温差电Seebeck效应.可做成热电偶和热电堆,主要用于测量仪器.3共振频率对温度的敏感可制作石英共振器非致冷红外成像阵列.4材料的电阻或介电常数的热敏效应--辐射引起温升改变材料电阻用以探测热辐射- 测辐射热计Bolometer：半导体有高的温度系数而应用最多,常称 "热敏电阻".利用转变温度附近电阻巨变的超导探测器引起重视.如果室温度超导成为现实,将是21世纪最引人注目的探测器.5热释电效应：快速温度变化使晶体自发极化强度改变,表面电荷发生变化,可作成热释电探测器. 热探测器一般不需致冷超导除外而易于使用、维护,可靠性好；光谱响应与波长无关,为无选择性探测器；制备工艺相对简易,成本较低.但灵敏度低,响应速度慢.热探测器性能限制的主要因素是热绝缘的设计问题.光电探测器：红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子电子或空穴,引起电学性能变化.因为载流子不逸出体外,所以称内光电效应.量子光电效应灵敏度高,响应速度比热探测器快得多,是选择性探测器.为了达到最佳性能,一般都需要在低温下工作.光电探测器可分为： 1光导型：又称光敏电阻.入射光子激发均匀半导体中的价带电子越过禁带进入导带并在价带留下空穴,引起电导增加,为本征光电导.从禁带中的杂质能级也可激发光生载流子进入导带或价带,为杂质光电导.截止波长由杂质电离能决定.量子效率低于本征光导,而且要求更低的工作温度. 2光伏型：主要是p－n结的光生伏特效应.能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对.存在的结电场使空穴进入p区,电子进入 n 区,两部分出现电位差.外电路就有电压或电流信号.与光导探测器比较,光伏探测器背影限探测率大于40％；不需要外加偏置电场和负载电阻,不消耗功率,有高的阻抗.这些特性给制备和使用焦平面阵列带来很大好处. 3光发射－Schottky势垒探测器：金属和半导体接触,典型的有PtSi/Si结构,形成Schott ky势垒,红外光子透过Si层为PtSi吸收,电子获得能量跃上 Fermi能级,留下空穴越过势垒进入Si衬底,PtSi层的电子被收集,完成红外探测.充分利用Si集成技术,便于制作,具有成本低、均匀性好等优势,可做成大规模1024×1024甚至更大焦平面阵列来弥补量子效率低的缺陷.有严格的低温要求.用这类探测器,国内外已生产出具有像质良好的热像仪.Pt Si/Si结构FPA是最早制成的IRFPA. 4量子阱探测器QWIP：将两种半导体材料A和B用人工方法薄层交替生长形成超晶格,在其界面,能带有突变.电子和空穴被限制在低势能阱A层内,能量量子化,称为量子阱.利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器.90年代以来发展很快,已有512×512、64 0×480规模的QWIPGaAs/AlGaAs焦平面制成相应的热像仪诞生.因为入射辐射中只有垂直于超晶格生长面的电极化矢量起作用,光子利用率低；量子阱中基态电子浓度受掺杂限制,量子效率不高；响应光谱区窄；低温要求苛刻.人们正深入研究努力加以改进,可望与碲镉汞探测器一争高低.2.1.2新技术飞速发展促进红外探测器更新换代60年代以前多为单元探测器扫描成像,但灵敏度低,二维扫描系统结构复杂笨重.增加探测元,例如有N元组成的探测器,灵敏度增加N1/2倍,一个M×N阵列,灵敏度增长M×N1/2倍.元数增加还将简化光机扫描机构,大规模凝视焦平面阵列,不再需要光机扫描,大大简化整机系统.现代探测器技术进入第二、第三代,重要标志之一就是元数大大增加.另一方面是开发同时覆盖两个波段以上的双色和多光谱探测器.所有进展都离不开新技术特别是半导体技术的开发和进步.几项具有里程碑意义的技术有：1半导体精密光刻技术使探测器技术由单元向多元线列探测器迅速发展,即后来称为第一代探测器.2Si集成电路技术 Si读出电路与光敏元大面阵耦合,诞生了所谓第二代的大规模红外焦平面阵列探测器 .更进一步有Z平面和灵巧型智能探测器等新品种.此项技术还诱导产生非制冷焦平面阵列 ,使一度冷落的热探测器重现勃勃生机.3先进的薄层材料生长技术分子束外延、金属有机化学汽相淀积和液相外延等技术可重复、精密控制生长大面积高度均匀材料,使制备大规模红外焦平面阵列成为可能.也是量子阱探测器出现的前提.4微型制冷技术高性能探测器低温要求驱动微型制冷机的开发,制冷技术又促进了探测器的研制和应用.我国红外探测器研制从1958年开始,至今已40多年.先后研制过PbS、PbSe、Ge:Au、Ge:Hg 、InSb、PbSnTe、HgCdTe、PtSi/Si、GaAs/AlGaAs量子阱和热释电探测器等. 随着低维材料出现,纳米电子学、光电一体化等技术日新。