嵌入式应用技术系统研究

1、嵌入式应用技术系统研究电子 0701 汪蕾 20074720 指导老师 张海涛论文摘要：嵌入式技术无处不在， ARM 几乎成为嵌入式技术的代名词。 基于嵌入式系统的概念， 阐述嵌入式系统的关键技术、嵌入式开发以及广泛的应用。 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理器、 外围硬件设备、 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。关键字：嵌入式系统、嵌入式处理器、 ARM 、应用1 嵌入式系统的定义与特点（1）嵌入式系统的定

2、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。（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。 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。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。2 嵌入式处理器（ 1） 嵌入式处理器可以分为三类：嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式 DSP （ Digital Signal Processor ）、嵌入式片上系统。嵌入

3、式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的CPU。在应用中，一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上，在母板上只保留和嵌入式相关的功能即可，这样 可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。 目前的嵌入式处理器主要包括： PowerPC、 Motorola 68000 、 ARM 系列等等。（2）嵌入式处理器的特点：1）对实习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，需要设计强大的存储区保护功能， 同时也有利

4、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 中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有 mW 甚至 W级。（3）嵌入式处理器的选型问题 嵌入式微处理器的选型原则：调查市场上已有的 CPU 供应商 、 CPU 的处理速度、技 术指标、处理器的低功耗、处理器的软件支持工具、处理器是否内置调试工具、 处理器供 应商是否提供评估板。选择一个嵌入式系统运行所需要的微处理器， 在很多时候运算速度并不是最重要的考虑 内容，有时候也必须考虑微处理器制造厂商对于该微处理器的支持态度

5、， 有些嵌入式系统产品一用就是几十年， 如果过了五六年之后需要维修， 却已经找不到该种微处理器的话， 势必 全部产品都要淘汰， 所以许多专门生产嵌入式系统微处理器的厂商， 都会为嵌入式系统的微 处理器留下足够的库存或是生产线， 即使过好几年之后还可以找到相同型号的微处理器或者 完全兼容的替代品。目前来说 ,用 ARM 芯片的人相对比较多 ,所以学习 ARM 的也多 ,从而出现了现在 ARM11 S3C6410 才一出来就被很多商家选择 . 在这个基础上又做很多开发和扩展 ,实现的功能也越 来越多 .如重庆海特克 S3C6410 开发板在 S3C6410X_667 芯片上实现 800M 主频 .

6、3 嵌入式系统的应用领域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。(1) 工业控制领域：作为 32 位的 RISC 架构，基于 ARM 核的微控制器芯片不但占据了 高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展， ARM 控 制器的低功耗、

7、高性价比，向传统的8位/16 位微控制器提出了挑战。(2) 无线通讯领域：目前已有超过 85的无线通讯设备采用了 ARM 技术， ARM 以其高 性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。(3) 网络应用：随着宽带技术的推广，采用ARM 技术的 ADSL 芯片正逐步获得竞争优势。此外， ARM 在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持，也对 DSP 的应用领域 提出了挑战。(4) 消费类电子产品： ARM 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中 得到广泛应用。(5) 成像和安全产品： 现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM 技术。 手机中的 32 位 SIM 智能卡也采用

8、了 ARM 技术。除此以外， ARM 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广泛 的应用。家电行业是嵌入式应用的一大领域，我们传统的电视，电冰箱当然其中也嵌有处理器， 但是这些处理器只是在控制方面应用。 而现在只有按钮、 开关的电器显然已经不能满足人们 的日常需求，具有用户界面，能远程控制，智能管理的电器是未来的发展趋势。据 IDG 发 布的统计数据表明， 未来信息家电将会成长五至十倍。 中国的传统家电厂商向信息家电过渡 时，首先面临的挑战是核心操作系统软件开发工作。 硬件方面， 进行智能信息控制并不是很 高的要求， 目前绝大多数嵌入式处理器都可以满足硬件要求， 真正的难点是

9、如何使软件操作 系统容量小、稳定性高且易于开发。 Linux 核心可以起到很好的桥梁作用，作为一个跨平台 的操作系统，它可以支持二三十种 CPU ，而目前已有众多家电业的芯片都开始做 Linux 的 平台移植工作。 1999 年就登录中国的微软 “维纳斯 ”计划给了国人一个数字家庭的概念，引 导各大家电厂商纷纷投入到这场革命中来， 虽然最终未能获得成功， 却使信息家电深入人心。 如今各大厂商仍然在努力推出适用于新一代家电应用的芯片， 英特尔公司已专为信息家电业 研发了名为 StrongARM 的 ARM CPU 系列，这一系列 CPU 本身不象 X86CPU 需要整合不同 的芯片组， 它在一颗

10、芯片中可以包括你所需要的各项功能， 即硬件系统实现了 SOC 的概念。 美商网虎公司已将全球最小的嵌入式操作系统 QUARK 成功移植到 StrongARM 系列芯 片上，这是第一次把 Linux 、图形界面和一些程序进行完整移植 (QUARK 的内核只有 143K )， 它将为信息家电提供功能强大的核心操作系统。 相信在不久的将来， 数字智能家庭必将来到 我们身边。4 嵌入式系统发展现状嵌入式产品应用的需求日益增长， 2003年我国嵌入式系统应用产品经济总量达 1000 亿 元，其中嵌入式处理器芯片约为 100亿。 2003年我国嵌入式微处理器销售总量约为10.2 亿片， 4位MCU 占2.

11、6亿片、 8位约占 6.6亿片， 32位 MPU 占0.75亿片。另外，据有关机构 预测分析， 今年中国大陆市场 8 位 MCU 的需求量会增长 15%-20%左右； 32 位 MPU 的需求 量继续以 100%的速度增长。由此可以看出， 8 位 MCU 市场已逐步趋向稳定， 32 位 MPU 代表着嵌入式技术的发展 方向，正在加速发长。在 32 位嵌入式微处理器市场上，基于 ARM 内核的微处理器在市场 上处于绝对的领导地位，因此追踪 ARM 技术的发展趋势，学习 SOC 的系统构建显得尤为 重要。ARM 技术的发展趋势表现在：高度集成化的 SOC 趋势、软核与硬核同步发展的 SOPC 技术

12、、与 DSP 技术融合、开发和调试手段不断完善、软件工程师思想融入嵌入 式软件。市场需求为嵌入式系统产业化发展注入巨大推动力。嵌入式系统的市场是巨大 的，市场需求是嵌入式系统产业化发展的巨大推动力。据报告，10% 20% 的计算机芯片是为台式或便携式电脑设计的， 80% 90% 的计算机芯片是为嵌入式设备设计 的，这意味着每年有 10 亿至 20 亿个 CPU 是为嵌入式设备设计制造的。 2003 年，全 球嵌入式系统产品的产值已达 2000 亿美元，估计全世界嵌入式系统产品潜在的市场 将超过 10 000 亿美元。世界范围内嵌入式系统带来的工业年产值已超过了 1 万亿美 元。5 嵌入式系统的

13、发展趋势信息时代，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，同时也对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：1）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。目前很多厂商已经充分考虑到这一点，在主推系统的同时，将开发环境也作为重 点推广。比如三星在推广Arm7 ， Arm9 芯片的同时还提供开发板和版及支持包（ BSP ），而 WindowCE 在主推系统时也提供 Embedded VC 作为开发工具，还有 V xworks 的 Tonado

14、 开发环境， DeltaOS 的 Limda 编译环境等等都是这一趋势的典型 体现。当然，这也是市场竞争的结果。2）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。这就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能， 为了满足应用功能的升级， 设 计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如 32 位、 64 位 RISC 芯片或信号处理器 D SP 增强处理能力，同时增加功能接口，如 USB ，扩展总线类型，如 CAN BUS ，加 强对多媒体、图形等的处理，逐步实施片上系统（ SOC ）的概念。软件方面采用实时

15、 多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软 件质量和缩短开发周期。如 HP3）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。传统的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络 接口，除了支持 TCP IP 协议，还有的支持 IEEE1394 、USB 、CAN 、 Bluetooth 或 IrDA 通信接口中的一种或者几种， 同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层 驱动软件。软件方面系统系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入 Web 浏览 器，真正实现随时随地用各种设备上网。4）精

16、简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。 未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了减低功耗和成本，需要设计者 尽量精简系统内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适 当的功能，这就要求设计者选用最佳的编程模型和不断改进算法，优化编译器性能。 因此，既要软件人员有丰富的硬件知识，又需要发展先进嵌入式软件技术，如 Java 、 Web 和 WAP 等。5）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。图像界面，灵活的控制方式，使得人们感觉嵌入式设备就象是一个熟悉的老朋 友。这方面的要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面，多媒体技术上痛下苦功。手 写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使使用者获得自 由的感受。目前一些先进的 PDA 在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布， 但一般的嵌入式设备距离这个要求还有很长的路要走。6 结语 随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，嵌入式系统将会不断的变 化和进步， 嵌入式系统的应用领域会再次扩大， 嵌入式系统带来的工业产值将会剧增， 嵌入式系统产品的市场前景更