嵌入式技术概述

51.2嵌入式技术概述1.2.1嵌入式系统概念嵌入式系统(EmbeddedSystems)是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统[5]。举例来说，大到油田的集散控制系统和工厂流水线，小到家用VCD机或手机，甚至组成普通PC终端设备的键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、Modem、网卡、声卡等均是由嵌入式处理器控制的，嵌入式系统市场的深度和广度，由此可见一斑。尽管如此，它的市场价值也许仍然超乎想象：今天，嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元从嵌入式系统的概念可知，“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[6]。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。嵌入式CPU与通用型CPU的最大不同[7]就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，与网络的耦合也更紧密。1.2.2嵌入式技术发展历程嵌入式系统的构成从诞生到现在发生了巨大的变化，最初嵌入式系统的构成主要指的是4/8/16位的微控制器(MC)，而今所言新一代嵌入式计算机已经发展为由RISC与DSP双核复合而成的32位微处理器形成的计算机系统[8]。进入90年代后嵌入式设备更是结合了Internet技术(产品有可接入Internet的手持式第1章引言6PDA设备等)和多媒体技术(产品有高质量数字音响、数字视频播放器，数码相机、数码摄像机等等)。嵌入式系统通常包括硬件平台和嵌入式软件两部分。在初期的嵌入式系统很多都不采用操作系统，它们只是为了实现某个控制功能，使用一个简单的循环控制对外界的控制请求进行处理。当应用系统越来越复杂、利用的范围越来越广泛的时候，每添加一项新的功能，都可能需要从头开始设计。没有操作系统所造成的嵌入式系统功能上的约束和产品开发上的障碍也越来越多。从80年代起，国际上就开始进行一些商用嵌入式系统和专有操作系统的开发，目前的应用范围也比较广泛，一些著名的嵌入式操作系统有：WindowsCE、VxWorks、QNS、OS-9以及嵌入式Linux如MontaVistaLinux等。在国内比较著名的嵌入式操作系统有中科院计算所的EEOS，凯思集团的HOPENOS，中软实时嵌入式Linux等。经过这么多年的发展，嵌入式技术已经发展成为一个相当成熟的技术，嵌入式系统已经被应用于日常生活的方方面面，许多企业在嵌入式领域也都有了相当程度的技术积累。1.2.3嵌入式Linux优势嵌入式Linux(EmbededLinux)是指对Linux经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几十万字节或几十亿字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用Linux操作系统。嵌入式Linux的开发和研究是目前操作系统领域的一个热点。与其他的嵌入式操作系统相比，Linux具有一些独特的优势[9]0首先，Linux系统是层次结构且内核完全开放。Linux是由很多体积小且性能高的微内核和系统组成。在内核代码完全开放的前提下，不同领域和不同层次的用户可以根据自己的应用需要很容易地对内核进行改造，在低成本的前提下，设计和开发出真正满足自己需要的嵌入式系统。其次，强大的网络支持功能。Linux诞生于因特网并具有Unix的特性，这就保证了它支持所有标准因特网协议，并且可以利用Linux的网络协议栈将其开发成为嵌入式的TCP/IP网络协议栈。第三，Linux具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，并且可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。一般开发嵌入式操作系统的程序调试和跟踪都是使用仿真器来实现的，而使用Linux系统做原第1章引言7型的时候，可以绕过这个障碍，直接使用内核调试器来做操作系统的内核调试和查错。第四，Linux具有广泛的硬件支持特性。无论是RISC还是CISC、32位还是64位等各种处理器，Linux都能运行。Linux最通常使用的微处理器是IntelX86芯片家族，但它同样能运行于Motorola公司的68K系列CPU和IBM、Apple、Motorola公司的PowerPCCPU以及Intel公司的StrongARMCPU等处理器系统，这意味着嵌入式Linux将具有更广泛的应用前景，因此，众多Linux厂商把发展的重点放在嵌入式应用领域。1.2.4嵌入式行业现状嵌入式系统和技术发展非常迅速，已经被广泛应用于各种航空航天飞行器控制系统、武器系统、汽车电子系统、电话系统、各种智能设备、仪器仪表、办公电器、家用电器等各种各样的军用和民用嵌入式设备。单片机就是一种典型的简单嵌入式系统，例如，一些汽车工业生产厂家已经在他们生产的高档小轿车中嵌入了多达20多个以上的微处理器。新一代嵌入式系统主要面向手持或移动消费类设备，如手机、PDA、数字相机等。据统计，目前95%的微处理器以及65%的软件产品用于嵌入式电子设备。嵌入式系统应用的市场迅猛扩大，对嵌入式软件在正确性、灵活性、规模和快速高效方面提出了极高的要求，市场的激烈竞争也将在这些方面展开。据美国GartnerGroup公司的估计，到2004年前，全世界投入使用的嵌入式系统约有700亿个。如移动电话，自动柜员机，IC卡系统，电子收款机(PointOfSellsPOS)，全球定位系统(GlobalPositionSystemGPS)，手持电脑(HPC)，个人数字处理(PDA)，信息家电，Internet接入终端设备、自动控制领域的工业自动化仪表与检测设备，化工过程自动化设备，电网系统，自动抄表设备，飞行控制器，空中交通控制系统，自动收费，航天器姿态与轨道定位装置等。从某种意义上来说，通用计算机行业的技术是垄断的。占整个计算机行业90%的PC产业，80%采用Intel的8x86体系结构，芯片基本上出自Intel，AMD，Cyrix等几家公司。在几乎每台计算机必备的操作系统和文字处理系统方面，Microsoft的Windows及Word占80〜90%，凭借操作系统还可以搭配其它应用软件。因此，当代的通用计算机工业的基础被认为是由Wintel（Microsoft和Intel第1章引言8建立的联盟）垄断的工业。而嵌入式系统与技术则不同，它是将先进的计算机技术、半导体技术、微电子技术、通讯技术、消费电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个高新技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统和一个分散的应用广泛的信息产业，充满了机遇、创新与竞争，没有哪一个系列的微处理器和嵌入式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，但各不相同的应用领域决定了不可能只有少数几个公司、少数几种产品垄断全部市场。因此，嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的，留给各个行业的中小规模高新技术公司的创新与发展空间非常巨大。另外，社会上的各个应用领域是在不断向前发展的，要求其中的嵌入式系统与技术也要同步发展，这也构成了推动嵌入式系统与技术发展的强大动力。随着嵌入式技术发展越来越成熟，嵌入式系统应用越来越广泛，这也必然导致嵌入式产品的成本越来越具有非常强的竞争力。为什么不在每一台计算机前面配置一套防火墙设备？最直接的原因就是这样代价太高。嵌入式技术在日常生活中的广泛采用，必然导致其成本的降低，如果我们采用嵌入式设备来实现防火墙，那么为每一台计算机配置一套防火墙设备就不仅仅是一种设想了。1.3紧耦合防火墙的软、硬件平台本论文设计的紧耦合防火墙的硬件平台采用我们自行研制的一款基于PCI接口的嵌入式系统一一计算机安全模块（简称“安全模块”）。安全模块内部全部由自主研制的嵌入式硬件平台、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件组成，构成一个可信的、安全的、独立的安全处理环境，可为不可信的计算机主机系统及其应用软件提供可信的安全机制。安全模块项目是2001年信息产业部电子信息产业发展基金重点招议标项目，安全模块的设计综合了可信计算、嵌入式技术等诸多思想，形成一套解决计算机系统安全、网络安全、数据安全的完整解决方案。安全模块的全称为计算机安全控制模块，计算机安全控制模块已经申请相应的专利保护。第1章引言91.3.1硬件系统结构经过大量分析综合各种可选的安全实现方案，安全模块硬件上均采用嵌入式技术设计，使用的嵌入式CPU是PowerPC405EP。嵌入式CPU具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。与通用网络安全设备相比，采用嵌入式技术设计的网络安全设备有着许多独有的优势：嵌入式系统的硬件和软件都经过了高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力；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，提高了整个系统的执行速度和可靠性；嵌入式网络安全设备具有整体的自主知识产权。计算机安全模块的硬件基本结构如图1.1所示：图1.1安全模块硬件结构框图安全模块的嵌入式CPU单元PowerPC405EP具有高性能、低功耗、集成度第1章引言高和外设接口丰富等特点。在时钟频率为333MHz时，处理器性能可达500MIPS（每秒百万次运算速度）。同时集成了PCI接口控制器、以太网控制器、存储器接口控制器、UART等单元。PowerPC405EP的DMA功能可以将外围接口和动态存储器之间的数据通过DMA通道进行快速交换；FLASH存储器单元保存了安全操作系统和安全应用程序代码；安全模块硬件设计有两个10/100Mbps传输速率自适应的以太网接口两个以太网接口可以使安全模块分别连接内网（Intranet）和外网（Internet），来抵御和检测外网的非法入侵和内网的故意破坏；安全模块硬件提供了两个RS232串行接口可用于连接控制台和连接Modem、ADSL