1.2 嵌入式系统概述

嵌入式系统现在已经是大家耳熟能详的名词了，嵌入式技术已经逐步渗入人们工作和生活的各个方面，成为人类社会进入全面智能化时代的有力工具。

1.2.1 嵌入式系统的定义与特点

1）嵌入式系统的定义

嵌入式系统（Embedded System）是嵌入式计算机系统的简称，它是相对于通用计算机而言的。嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术等先进技术与各个行业的具体应用相结合的产物，应用范围遍及各个领域，通常要求它具有很高的可靠性和稳定性。

根据嵌入式系统的作用和特点，可以把嵌入式系统定义为“嵌入到对象系统（可以是一种装置、仪表或设备等）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，它的用途是实现对对象的智能控制、监视或辅助工作。

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。显然，单片机（MCU）就是一个典型的嵌入式系统的核心。

嵌入式计算机（也称嵌入式处理器）按形态可分为设备级（工控机）、板级（单板、模块）、芯片级（微处理器、单片机等）。因为工控机和单板机都无法满足小体积、高可靠性和低价位等要求，近年来，其形态基本都变成芯片级了。

2）嵌入式系统的特点

嵌入式系统的主要特点如下：

（1）功能专一。只针对某个对象的要求而设计。

（2）抗干扰能力强、可靠性高。嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，因而可靠性要求可达到工业级或者军品级以上。

（3）自动化程度高。对于所有的被控对象，包括工业产品、航天产品，均可实现一旦启动即自动循环操作，不需要人工干预。

（4）体积小。因为嵌入式系统通常是安装在为特定应用而设计的对象中，而对象形态和大小五花八门，为尽可能不影响对象的外形与体积，要求嵌入式系统的体积越小越好。

（5）功耗低。因为有很多对象是便携式产品，低功耗将延长它的使用时间，一般产品均可达到毫瓦级，有的已可达到微瓦级。

（6）性能价格比高。在嵌入式市场，用户既可以根据实际应用对象“量身定做”，也可以“量身选衣”。所谓“量身定做”，即根据应用对象的实际要求，请厂家专门定制内存、I/O接口、外设等符合要求的芯片；所谓“量身选衣”，即根据它在软件和硬件上的可选择性，选择最适合对象要求的芯片，这样可实现产品的最佳性能价格比。

显然，正是由于上述特点才使嵌入式系统迅速推广到各个行业。

1.2.2 嵌入式系统的组成

嵌入式系统是由嵌入式计算机、外围设备（简称外设）、嵌入式操作系统和应用软件等组成。

1.嵌入式计算机

嵌入式计算机是嵌入式系统的核心，它是一种软硬件高度专业化的特定计算机，它的核心部件是嵌入式处理器，根据目前发展现状，嵌入式处理器可以分成如下几类。

1）嵌入式微处理器（Embedded Microprocessor Unit，EMPU）

微处理器实际是计算机或单片机的CPU，即它们的中央处理器。嵌入式微处理器在功能上与通用计算机中的标准微处理器基本相同，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。

目前，采用的嵌入式微处理器主要是32位的，常用的型号有ARM、MIPS、68000等，

2）单片机与微控制器

单片机一词最初源于“Single Chip Microcomputer（SCM）”，在单片机诞生时，因为它的组成与原理是基于计算机的，所以SCM是一个准确的、流行的称谓。随着SCM在技术上、体系结构上的进步，其主要作用已经是控制而不是计算了。国际上逐渐采用微控制器（Micro Controller Unit，MCU）来代替SCM，形成了单片机界公认的、最终统一的名词。在国内因为单片机一词已约定俗成，故继续沿用。

为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，所不同的是存储器、内部功能模块和外设的配置及封装。

3）嵌入式数字信号处理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）

为满足数字滤波、快速傅里叶变换（FFT）、谱分析等运算量大的智能系统的要求，出现了DSP，该处理器编译效率较高，有专门的乘加指令，指令执行速度也较快，能满足复杂算法的高速要求。

4）嵌入式片上系统（System on Chip，SoC）

SoC实现了把嵌入式系统的大部分部件集成到一块芯片上，在这上面除了具有计算机的主要部件之外，还增加了模/数（A/D）转换、数/模（D/A）转换及通信单元等用户需要的各种功能模块。这使应用系统电路板变得更简洁，体积更小，功耗更低，可靠性更高。

5）片上可编程系统（System on Programmable Chip，SoPC）

随着现场可编程序门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）技术的发展，出现了一种新的嵌入式系统，即片上可编程系统（SoPC），它通过FPGA与SoC技术结合进行软件和硬件设计，将处理器、片上存储器、I/O接口、内部外设及自定义逻辑集成到一片FPGA上，并且软硬件均可剪裁、升级、修改，从而使处理器构成的单芯片应用系统既稳定可靠，又灵活多样，性能价格比也高，这也是现代嵌入式系统设计的一种发展趋势。

2.外围设备

外围设备是指除了嵌入式计算机以外的用于通信、存储、调试及显示等功能的其他部件。按照外设的功能可将其分为如下三类。

1）存储器

根据存储功能的不同要求，存储器可以分为易失性存储器和非易失性存储器，容量可根据实际应用要求选择。对于无存储器的处理器，这是必须配备的部件。

2）接口

包括并行接口和串行接口，串行接口又包括SPI、I2C、USB及CAN等接口。

3）人机交互

包括显示器、键盘和触摸屏等人机交互设备。

3.嵌入式操作系统

嵌入式操作系统是一种实时的、支持嵌入式系统应用的操作系统软件，是嵌入式应用软件的开发平台，通常包括与硬件相关的底层驱动软件和网络协议等。它使嵌入式系统的开发更方便、快捷，嵌入式操作系统的品种较多，其中较为流行的主要有Windows CE、、C/OS-Ⅱ、Linux等。8位单片机通常是不采用嵌入式操作系统的。

4.应用软件

应用软件是针对被控制对象的实际要求而设计的软件，是嵌入式系统的核心。除了玩具类市场，在绝大部分领域都要求它有极高的可靠性和极高的品质，因而在设计好应用软件并经过反复多次测试通过后，最后要固化在存储器中，以确保软件的可靠性。

对于没有操作系统的嵌入式系统，一般没有系统软件，只能装载用户自己编制的应用软件，一旦启动就执行某一特定的应用软件，中间无须人工干预，直到关机为止。