《嵌入式系统设计与应用》——学习笔记01（第一章 嵌入式系统基础）

第一章 嵌入式系统知识

本章要点：
⑴嵌入式系统的概念。
⑵嵌入式系统的体系结构。
⑶嵌入式系统的发展趋势。
⑷嵌入式操作系统的概念。
⑸嵌入式系统的开发过程。
⑹嵌入式系统的应用开发。

1.1嵌入式系统简介

1.1.1嵌入式系统基本概念

在很多网站和书籍资料中，一般对嵌入式系统的定义是这样的：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件是可裁剪的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。可以说，嵌入式系统是嵌入到产品设备中的专用计算机。人们日常使用的手机、平板、电视机顶盒等属于嵌入式系统设备；而车载GPS系统、智能家电、机器人也属于嵌入式系统。

1.1.2嵌入式系统的体系结构

嵌入式系统一般包括以下3个方面：硬件设备、嵌入式操作系统和应用软件。

1.硬件设备

硬件设备包括嵌入式处理器和外围设备。其中嵌入式处理器（CPU）是嵌入式系统的核心部分，它的特点是为特定用户群专门设计，体积小，但同时具有较高的效率和可靠性。外围设备是嵌入式系统中用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。目前常用的按功能分存储设备、通信设备和显示设备3类。存储设备常用的有静态易失型存储器（RAM、SRAM）、动态存储器（DRAM）和非易失型存储器（ROM、EPROM、EEPROM、Flash）3种，其中Flash凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点被广泛应用。通信设备常用的有RS232接口（串行通信接口）、SPI（船型外围设备接口）、IrDA（红外线接口）、I2C（现场总线）、USB（通用串行总线接口）、Ethernet（以太网接口）等。外围显示设备常用的是阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）和触摸板（Touch Panel）等。

2.嵌入式操作系统

这里指的是通用嵌入式实时操作系统，它具有通用操作系统的一般功能，如向上提供对用户的接口（图形界面、库函数、API等），向下提供与硬件设备交互的接口（如硬件驱动程序等），管理复杂的系统资源，同时还具有系统实时性、硬件依赖性、软件固化性及应用专用性的鲜明特点。

3.应用软件

应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到完成预期目标的计算机软件。

1.1.3嵌入式系统的特点

嵌入式计算机系统与通用计算机系统相比具有以下特点：
⑴嵌入式系统功耗低、体积小、专用性强、集成度高等。
⑵是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业具体应用相结合的产物。
⑶对系统性能要求严格。嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计、系统要精简，量体裁衣、去除冗余，力争在同样面积的硅片上实现更高的性能。
⑷软件固话。嵌入式系统的软件一般都固化在存储器芯片中，而不是存储于磁盘等载体中。
⑸需专业的开发工具。嵌入式系统本身不具有开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。

1.2嵌入式系统的发展和应用领域

嵌入式系统始于微型机时代的嵌入式应用。20世纪70年代，微处理器的出现开始了嵌入式的发展历程。现代计算机技术主要有两大分支：通用计算机系统和嵌入式计算机系统。它们 的区别是：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。

1.3嵌入式操作系统

1.3.1嵌入式操作系统的发展

嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展历程经历了4个比较明显的阶段。
第一阶段：无操作系统的嵌入算法阶段，以单芯片为核心的可编程序控制器形式的系统，具有检测、伺服、指示设备相配合的功能。
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系统。
第三阶段：通用的嵌入式实时操作系统阶段，是以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统。
第四阶段：以基于Internet为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。

1.3.2几种有代表性的嵌入式系统

1.VxWorks
VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），是Tornado嵌入式开发环境的关键组成部分。它具有以下特点：良好的持续发展能力，可裁剪微内核结构，高效的任务管理，灵活的任务间通信，微秒级的中断处理，支持多种物理介质及标准的、完整的TCP/IP网络协议等，但其价格昂贵软件的开发和维护成本较高。
2.Windows CE
Windows CE操作系统是Windows家族的一个成员。是一种针对小容量、移动式、智能化、小型设备的模块化实时嵌入式操作系统。但缺陷较多：没有开放源代码，功率、功耗方面表现也不出色，占用内存较大等。
3.嵌入式Linux
最大特点是源代码公开并且遵循GPL协议，内核精悍、运行所需资源少，开发和维护成本很低。缺点：Linux体系提供实时性能需要添加实时软件模块，由于实时软件模块是在内核空间运行的，因此代码错误可能会破坏操作系统，从而影响整个系统的可靠性。
4.μC/OS-Ⅱ
特点：公开源代码、可移植性强、可高、固化、可裁剪性、占先式、多任务、实用性和可靠性，仅是一个实时内核。
5.Android
Android系统是2007年底由Google公司推出的一种基于Linux内核的面向智能便携式设备的操作系统。Android应用开发分为移植开发嵌入式设备和Android应用程序开发两大类。

1.4嵌入式系统的开发过程

系统开发流程：
系统需求分析、体系结构设计、硬件/软件协同设计、系统集成、完成测试并形成产品。