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嵌入式系统开发大作业


《嵌入式系统开发》大作业

题目;对嵌入式系统学习的认识

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2014 年 11 月 25 日

这个学期我们学习了嵌入式系统开发与应用, 对嵌入式系统的发展和应用都 有浓厚的兴趣,同时在老师的指导下,随着对嵌入式系统的学习,对嵌入式系统 有了自己的认识。

一、嵌入式系统的基本概念、特点与架构
1、嵌入式系统的基本概念 嵌入式系统的英文叫做 Embedded System,是一种包括硬件和软件的完整的 计算机系统,但又跟通用计算机系统不同。嵌入式系统的定义是:“嵌入式系统 是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可剪裁,适用于应用系统对 功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。”嵌入式系统 所用的计算机是嵌入到被控对象中的专用微处理器, 但是功能比通用计算机专门 化,具有通用计算机所不能具备的针对某个方面特别设计的、合适的运算速度、 高可靠性和较低比较成本的专用计算机系统。 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。 3、 嵌入式系统的架构 嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统,自底向上包含有 3 硬件环境: 是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台,硬件平台包 括嵌入式处理器和外围设备。嵌入式处理器是嵌入式系统的核心,是控制、辅助 系统运行的硬件单元。 嵌入式操作系统: 完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。具有内核 较精简、 可配置、 与高层应用紧密关联等特点。 嵌入式操作系统具有相对不变性。 嵌入式应用程序: 运行于操作系统之上,利用操作系统提供的机制完成特定 功能的嵌入式应用。不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。

二、嵌入式开发
硬件,主要使用语言是 C 语言和汇编,例如做 dsp 开发,做驱动开发,这类 的开发对硬件要求比较高,短期内比较难掌握,除非是专业人士,另外,这类开 发的就业机会比较少, 因为国内的硬件设计力量很弱,稍复杂的硬件都交给国外 公司设计, 所以大学生找这样的工作很难,这也是为什么很多这类的毕业生都转 行去做应用层的软件开发或者做网络维护之类的工作了。 软件,主要基于嵌入式操作系统,例如 Symbian、Linux、Windows mobile、 Android 等等,开发人员主要从事嵌入式操作系统和应用软件的开发。特点是: 比较容易上手学习, 就业机会多,因为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。越是智能设备越是复杂系统,软件越 起关键作用,而且这是目前的趋势,所以需要大量的研发人员,而且就业前景也 非常的看好。

三、嵌入式系统的发展和现状
1、嵌入式系统发展历史 20 世纪 70 年代,微处理器的出现,计算机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。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。 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。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。 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。 嵌入式计 算机系统走单芯片化道路。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。 2、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)。MCS51 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。 3、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。

四、嵌入式系统的应用前景
嵌入式控制器的应用几乎无处不在:移动电话、家用电器、汽车??无不有 它的踪影。嵌入控制器因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点, 其应用已深入到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域,对各 行各业的技术改造、产品更新换代、加速自动化化进程、提高生产率等方面起到 了极其重要的推动作用。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机,一台通用计算机的 外部设备中就包含了 5 - 10 个嵌入式微处理器。 在制造工业、 过程控制、 网络、 通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均 是嵌入式计算机的应用领域。 嵌入式系统工业是专用计算机工业,其目的就 是要把一切变得更简单、更方便、更普遍、更适用;通用计算机的发展变为功能 电脑,普遍进入社会,嵌入式计算机发展的目标是专用电脑,实现“普遍化计算”, 因此可以称嵌入式智能芯片是构成未来世界的“数字基因”。正如我国资深嵌入 式系统专家—沈绪榜院士的预言, “未来十年将会产生头大小、具有超过一亿次 运算能力的嵌入式智能芯片”,将为我们提供无限的创造空间。总之“嵌入式微 控制器或者说单片机好象是一个黑洞,会把当今很多技术和成果吸引进来。中国 应当注意发展智力密集型产业”。 计算机和网络已渗透到我们日常生活的每一个角落。我们每个人,需要的已 不再仅仅是放在桌上处理文档,进行工作管理和生产控制的计算机“机器”;各 种各样的嵌入式系统在应用数量上已超过通用 PC,任何一个人可能拥有嵌入式 技术的各种电子产品,mp3、PDA、网络家电、智能家电、车载电子设备等等。而 在工业领域中,使用嵌入式技术的数字机床,智能工具,工业机器人也在逐渐改 变传统的工业方式。 从上世纪 90 年代开始,嵌入式技术已全面展开,成为通信产品和消费类产 品的共同发展方向,在通信领域、广播电视领等得到广泛应用。个人领域嵌入式 产品主要是个人商用, 作为个人移动的数据处理和通讯软件得到普及。 由此可见, 嵌入式系统技术发展的空间是无比广大。嵌入式系统是研究的热点,促使我们投 入到其中。 研究的同时, 我们也能发现由于嵌入式系统中对微处理器的研究和硬

件系统的研究早已相当长时间, 所以无论是硬件方面还是软件方面,我们都很容 易获得研发的资料

五、小结
虽然学习的时间只有十五周,但我觉得嵌入式系统是一很有应用前景的事 业,也许这将是我所要从事的产业。我们国家现在大力发展信息产业,前一段时 间的学习和实验学到很多关于嵌入式系统方面的东西, 也认识到我们国家目前水 平还不高。在写论文的资料查找过程中,自己感觉学到了不少东西,对该学科有 所了解,认识到我们要努力学习,这样我们国家的科技水平才能够提高。目前最 体现科技水平就是芯片和软件,也就是在这些方面,我和别的同学相差很远,但 我会努力的。


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