嵌入式系统发展现状与开发应用

1、. . . . 结课论文题目:嵌入式系统发展现状与开发应用院系名称：xxxxxxxxxx专业班级：电子信息工程xx级xx班学生：进业学号： 5 指导教师：王胜轩教师职称：讲师2011 年 11 月 29日IX / 11 摘要 在现在日益信息化的社会中，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个角落。对于我们每个人，需要的已经不再仅仅是那种放在桌上处理文档，进行工作管理和生产控制的计算机与仪器；各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过通用计算机，任何一个普通人可能拥有从大到小的各种使用嵌入式技术的电子产品，小到mp3，PDA等微型数字化产品，大到网络家电，智能家电，车载电子设备。而在

2、工业和服务领域中，使用嵌入式技术的数字机床，智能工具，工业机器人，服务机器人也将逐渐改变传统的工业和服务方式。当今信息时代，嵌入式系统的应用无处不在，而ARM嵌入式系统应用市场份额约占75%。从嵌入式系统的发展史入手，分别从从嵌入式系统的含义、特点、开发工具与其工业特征出发 ,深入阐述了嵌入式计算机技术的发展现状。接着，讨论了ARM嵌入式系统的实时性要求，介绍了目前市场上的实时多任务操作系统（RTOS）。最后，概括了ARM技术的应用领域与其发展，并预测ARM技术发展的前景。关键词：嵌入式系统；ARM；微处理器；RTOS; 电子产品第一章：嵌入式系统发展历程目前，在嵌入式系统应用领域中

3、，不少人对什么是嵌入式系统不甚了解。有些人搞了十多年的单片机应用，不知道单片机就是一个最典型的嵌入式系统；也有些人在解释什么是嵌入式系统时，不是从定义出发，而是列举了嵌入式系统的一些特点，往往不知所云。因此，有必要从现代计算的发展历史，了解嵌入式系统的由来，从学科建设的角度来探讨嵌入式系统较为准确的定义。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。通用计算机系统的技术要高速、海量的数值计算；

4、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。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，承担起发展与普与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。在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是：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

5、求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处器、处围硬件设备、嵌入式操作系统以与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。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

6、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。嵌入式设备是指部有嵌入式系统的产品、设备，例如，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、ARM嵌入式系统开发工具ARM处理器产品作为一种高性能、低功耗的处理器产品，现在已经得到广泛的应用，开发工具也因此得到发展，除ARM公司自己推出ARM集成开发工具外，还有

7、一些公司也研发ARM开发工具。目前市场上有ARM SDT、ARM ADS、MULTI 2000、Hitools for ARM、Embest IDE for ARM五种集成开发环境。这些产品在国有相对较畅通的销售渠道，用户容易购买。前三种由国外厂商出品，历史比较悠久，在全球围应用较为广泛，后两种由国厂商推出，具有很高的性价比。 ARM应用软件的开发工具根据功能的不同，分别有编译软件、汇编软件、软件、调试软件、嵌入式实时操作系统、函数库、评估板、JTAG仿真器、在线仿真器等。用户选用ARM处理器开发嵌入式系统时，选择合适的开发工具可以加快开发进度，节省开发成本。因此一套含有编辑软件、编译软件、汇

8、编软件、软件、调试软件、工程管理与函数库的集成开发环境（IDE）一般来说是必不可少的，至于嵌入式实时操作系统、评估板等其他开发工具则可以根据应用软件规模和开发计划选用。 4、嵌入式系统的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

9、，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。第2章 ：嵌入式系统发展现状1、嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业嵌入式系统则不同,它是一个分散的工业,充满了竞争、机遇与创新,没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。即便在体系结构上存在着主流,但各不一样的应用领域决定了不可能有少数公司、少数产品垄断全部市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术,必然是高度分

10、散的,留给各个行业的中小规模高技术公司的创新余地很大。另外,社会上的各个应用领域是在不断向前发展的,要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展,这也构成了推动嵌入式工业发展的强大动力。2、嵌入式系统具有的产品特征嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的,如果独立于应用自行发展,则会失去市场。嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约,这些也是各个半导体厂商之间竞争的热点。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起,它的升级换代也是和具体产品同步进行,因此嵌入式系统产品一旦进入市场,具有较长的生命周期。嵌入式系统中的软件,一般都固化在只读存储器中,而不是以

11、磁盘为载体,可随意更换,所以嵌入式系统的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长。另外,各个行业的应用系统和产品,和通用计算机软件不同,很少发生突然性跳跃,嵌入式系统中的软件也因此更强调可继承性和技术衔接性,发展比较稳定。. 3、嵌入式系统软件的特征嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键,对嵌入式处理器系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同。(1)软件要求固态化存储    为了提高执行速度和系统可靠性,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,而不是存贮于磁盘等载体中。   (2)软件代码高质量、

12、高可靠性尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加,但在大多数应用中,存储空间仍然是宝贵的,还存在实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量要高,以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。   (3)系统软件(OS) 的高实时性是基本要求多任务嵌入式系统中,对重要性各不一样的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务与时执行的关键,单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的,这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成,因此系统软件的实时性是基本要求。    (4)多任务操作系统是知识集成的平

13、台和走向工业标准化道路的基础 4、嵌入式系统开发需要开发工具和环境通用计算机具有完善的人机接口界面,在上面增加一些开发应用程序和环境即可进行对自身的开发。而嵌入式系统本身不具备自举开发能力,即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的,必须有一套开发工具和环境才能进行开发,这些工具和环境是基于通用计算机上的软硬件设备以与各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。5、嵌入式系统软件需要RTOS 开发平台通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口(API) ,是计算机基本组成不可分离的一部分,应用程序的开发以与完成后的软件都在操作系统(OS) 平台上面运行,但一

14、般不是实时的。嵌入式系统则不同,应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行;但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以与和专家库函数接口,用户必须自行选配RTOS 开发平台,这样才能保证程序执行的实时性、可靠性,并减少开发时间,保障软件质量。6、嵌入式系统开发人员以应用专家为主通用计算机的开发人员一般是计算机科学或计算机工程方面的专业人士,而嵌入式系统则是要和各个不同行业的应用相结合的,要求更多的计算机以外的专业知识,其开发人员往往是各个应用领域的专家。因此开发工具的易学、易用、可靠、高效是基本要求。第3章 ：嵌入式系统的开发实时性要求响应时间：是实时系统从识别出一个外部事件到

15、做出响应的时间；生存时间：是数据的有效等待时间，数据只有在这段时间才是有效的；吞吐量：是在给定的时间系统能够处理的事件总数，吞吐量通常比平均响应时间的倒数要小一点。实时系统根据响应时间可以分为弱实时系统、一般实时系统和强实时系统三种。弱实时系统在设计时的宗旨是使各个任务运行得越快越好，但没有严格限定某一任务必须在多长时间完成，弱实时系统更多关注的是程序运行结果的正确与否，以与系统安全性能等其他方面，对任务执行时间的要求相对来讲较为宽松，一般响应时间可以是数十秒或者更长。一般实时系统是弱实时系统和强实时系统的一种折衷，它的响应时间可以在秒的数量级上，广泛应用于消费电子设备中。强实时系统则要求各个

16、任务不仅要保证执行过程和结果的正确性，同时还要保证在限定的时间完成任务，响应时间通常要求在毫秒甚至微秒的数量级上，这对涉与到医疗、安全、军事的软硬件系统来说是至关重要的。1、嵌入式系统软件需要RTOS开发平台通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口(API)，是计算机基本组成不可分离的一部分，应用程序的开发以与完成后的软件都在OS平台上面运行，但一般不是实时的。嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以与和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。

17、2、RTOSRTOS是英文Real Time multi-tasking Operation System的缩写，即实时多任务操作系统。它是嵌入式应用软件的基础和开发平台。目前在中国大多数嵌入式软件开发还是基于处理器直接编写，没有采用商品化的RTOS，不能将系统软件和应用软件分开处理。RTOS最关键的部分是实时多任务核，它的基本功能包括任务管理、定时器管理、存储器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理、旗语管理等，这些管理功能是通过核服务函数形式交给用户调用的，也就是RTOS的API。RTOS的引入，对嵌入式软件的标准化和加速知识创新是一个里程碑。 第四章：嵌入式系统的信息产业

18、化发展与应用前景1、 ARM技术的应用领域 现在，嵌入式技术无处不在，ARM几乎成为嵌入式技术的代名词。作为一种16/32位高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC微处理器，ARM微处理器目前已经成为应用广泛的嵌入式微处理器。ARM微处理器与技术的应用几乎已经深入到各个领域。 (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、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

19、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在语音与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智能卡也采用了ARM技术。 除此以外，ARM微处理器与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。 2、嵌入式系统产业化发展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，

20、市场需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。世界围嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元。 3、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、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、科研以与日常生活等各个领域,对各

21、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”。结 论（感想）嵌入式系统无疑是当前最热门最有发展前途的IT应用领域之一，可应用在工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理、网络与电子商务、环境检