PCB不可不知的几个基本问题

PCB不可不知的几个基本问题这几个问题在eetchina上发过帖，那里有个大侠讲得比较详细了，不过由于基础弱，有些地方还是不太理解。发在这，想看看这里的各位朋友有什么看法，尤其是希望雷震子这样的大侠能指点一下，使我等初学者少走弯路，谢谢。

1.电阻电容的封装形式如何选择，有没有什么原则?比如,同样是104的电容有0603、0805的封装，同样是10uF电容有3216，0805,3528等封装形式，选择哪种封装形式比较合适呢?

我看到的电路里常用电阻电容封装：

电容：

0.01uF可能的封装有0603、0805

10uF的封装有3216、3528、0805

100uF的有7343

320pF封装：0603或0805

电阻：

4.7K、10k、330、33既有0603又有0805封装

请问怎么选择这些封装?

2.有时候两个芯片的引脚(如芯片A的引脚1,芯片B的引脚2)可以直接相连，有时候引脚之间(如A-1和B-2)之间却要加上一片电阻，如22欧，请问这是为什么?这个电阻有什么作用?电阻阻值如何选择?

3.藕合电容如何布置？有什么原则？是不是每个电源引脚布置一片0.1uf？有时候看到0.1uf和10uf联合起来使用，为什么?

4.所谓5Vttl器件、5Vcmos器件是指什么意思?是不是说该器件电源接上5V，其引脚输出或输入电平就是5Vttl或者5vcmos?

5.板子上要做两个串口，可不可以只用一块MAX232芯片?如果可以，用哪个型号的芯片?MAX3232C、MAX3232E还是MAX3232CSE?或者说这几个芯片哪个都可以

6.看PDIUSBD12芯片手册，见到两个概念，不清楚：单地址/数据总线配置、多路地址/数据总线配置,请问这两者有什么区别

7.protel99中，电源和地的网络标号是不是肯定是全局的(即使我使用层次电路原理图绘图模式3:电路端口全局，网络标号局部)

8.晶振起振电路电容好像一般为22pF，这是不是经验值，像上下拉电阻取值一般为4.7k~10K

9.usb插座电路，有一个电容:0.01uF/2KV，有这么高的耐压电压电容吗？为什么在这里需要使用这么高的耐压电容

10.DB9插座究竟是2发送，3接收还是3接收2发送，或者是由自己定义，无所谓

12.何谓扇入、扇出、扇入系数及扇出系数

13."高速的差分信号线具有速率高，好布线，信号完整性好等特点"，请问何谓高速差分信号线?

14.protel99se中，布线时，信号线、地线、电源线线宽一般是多少？有什么原则需要注意?

15.TTL电路和cmos电路有什么区别？什么时候使用TTL系列？什么时候使用cmos器件?

一些回答：

1.电阻电容的封装形式如何选择，有没有什么原则?比如,同样是104的电容有0603、0805的封装，同样是10uF电容有3216，0805,3528等封装形式，选择哪种封装形式比较合适呢?

我看到的电路里常用电阻电容封装：

电容：

0.01uF可能的封装有0603、0805

10uF的封装有3216、3528、0805

100uF的有7343

320pF封装：0603或0805

电阻：

4.7K、10k、330、33既有0603又有0805封装

请问怎么选择这些封装?

答：选择合适的封装第一要看你的PCB空间，是不是可以放下这个器件。一般来说，封装大的器件会比较便宜，小封装的器件因为加工进度要高一点，有可能会贵一点，然后封装大的电容耐压值会比封装小的同容量电容耐压值高，这些都是要根据你实际的需要来选择的，另外，小封装的元器件对贴装要求会高一点，比如SMT机器的精度。如手机里面的电路板，因为空间有限，工作电压低，就可以选用0402的电阻和电容，而大容量的钽电容就多为3216等等大的封装

2.有时候两个芯片的引脚(如芯片A的引脚1,芯片B的引脚2)可以直接相连，有时候引脚之间(如A-1和B-2)之间却要加上一片电阻，如22欧，请问这是为什么?这个电阻有什么作用?电阻阻值如何选择?

答：这个电阻一般是串电阻，拿来做阻抗匹配的，当然也可以做降压用，用于3.3VI/O连接2.5VI/O类似的应用上面。阻值的选择要认真看Datasheet，来计算

3.藕合电容如何布置？有什么原则？是不是每个电源引脚布置一片0.1uf？有时候看到0.1uf和10uf联合起来使用，为什么?

答：电容靠近电源脚，这个问题可以参见/bbs/DetailTopic_new.asp?topicid=3961&ForumID=5

补充一点看法：

在两个芯片的引脚之间串连一个电阻，一般都是在高速数字电路中，为了避免信号产生振铃（即信号的上升或下降沿附近的跳动）。原理是该电阻消耗了振铃功率，也可以认为它降低了传输线路的Q值。

通常在数字电路设计中要真正做到阻抗匹配是比较困难的，原因有二：1、实际的印制板上连线的阻抗受到面积等设计方面的限制；2、数字电路的输入阻抗和输出阻抗不象模拟电路那样基本固定，而是一个非线性的东西。

实际设计时，我们常用22到33欧姆的电阻，实践证明，在此范围内的电阻能够较好地抑制振铃。但是事物总是两面的，该电阻在抑制振铃的同时，也使得信号延时增加，所以通常只用在频率几兆到几十兆赫兹的场合。频率过低无此必要，而频率过高则此法的延时会严重影响信号传输。另外，该电阻也往往只用在对信号完整性要求比较高的信号线上，例如读写线等，而对于一般的地址线和数据线，由于芯片设计总有一个稳定时间和保持时间，所以即使有点振铃，只要真正发生读写的时刻已经在振铃以后，就无甚大影响。

前面已经补充了一点，再补充一点：关于接地问题。

接地是一个极其重要的问题，有时关系到设计的成败。

首先要明确的是，所有的接地都不是理想的，在任何时候都具有分布电阻与分布电感，前者在信号频率较低时起作用，后者则在信号频率高时成为主要影响因素。由于上述分布参数的存在，信号在经过地线的时候，会产生压降以及磁场。若这些压降或磁场（以及由该磁场引起的感应电压）耦合到其它电路的输入，就可能会被放大（模拟电路中）或影响信号完整性（数字电路中）。所以，一般要求在设计时就考虑这些影响，有一个大致的原则如下：

1、在频率较低的电路中（尤其是模拟电路或模数混合电路中的模拟部分），采用单点接地，即各级放大器的地线（包括电源线）分别接到电源输出端，成为星形连接，并且在这个星的节点上接一个大电容。这样做的目的是避免信号在地线上的压降耦合到其他放大器中。

2、在模拟电路中（尤其是小信号电路）要避免出现地线环，因为环状的地线会产生感应电流，此电流造成的感应电势是许多干扰信号的来源。

3、如果是单纯的数字电路（包括模数混合电路中的数字部分）且信号频率不高（一般不超过10兆），可以共用一组电源与地线，但是必须注意每个芯片的退耦电容必须靠近芯片的电源与地引脚。

4、在高速的数字电路（例如几十兆的信号频率）中，必须采取大面积接地，即采用4层以上的印制板，其中有一个单独的接地层。这样做的目的是给信号提供一个最短的返回路径。由于高速数字信号具有很高的谐波分量，所以此时地线与信号线之间构成的回路电感成为主要影响因素，信号的实际返回路径是紧贴在信号线下面的，这样构成的回路面积最小（从而电感最小）。大面积接地提供了这样的返回路径的可能性，而采用其他的接地方式均无法提供此返回路径。需要注意的是，要避免由于过孔或其他器件在接地平面上造成的绝缘区将信号的返回路径割断（地槽），若出现这种情况，情况会变得十分糟糕。

5、高频模拟电路，也要采取大面积接地。但是由于此时的信号线要考虑阻抗匹配问题，所以情况更复杂一些，在这里就不展开了。

以上是个人多年实践中成功的经验与失败的教训，希望对你有所帮助。基于单片机的低成本远程监控系统【摘要】简述了基于单片机的远程监控系统的设计思想，重点介绍了有线／无线数据通信的电路设计，最后就如何提高系统可靠性等技术问题进行了说明。

关键词：单片机，调制解调器，可靠性

1引言

随着信息技术的不断发展，对特定分散测控对象实现远程监控的应用需求正日益广泛。以单片机为核心设计的低成本远程监控系统可广泛应用于野外作业、企业生产及军事装备的指挥控制中，能够充分体现出组网灵活、高可靠性与可维护性以及令人满意的性能价格比。

2系统总体方案简介

系统由一个主站、若干个机动从站构成。主站负责自动化转台及传感器的数据采集、控制命令及状态信息的上传下达。从站位于固定机房、无人值守间及野外作业站等地方，负责接收检测传感器的指示数据、进行Karlman滤波后的生产工艺方程解算、相关显控处理等。主站与从站之间实现点与点之间的码分多址通信，可以实现有线数据通信（15km），以及在V／UHF电台支持下的无线分时复用数／话一体通信（25km）。

系统工作原理简图如图1所示，电路功能主要有：

·主站、从站均采用双CPU（80C196、8031）扩展STD总线结构，即除STD的56芯标准插件之外，自定义了60芯的专用系统信号。0C000H－0C3FFH分配给双口RAM（IDT7130），以便与数据通信板的8031进行透明的数据交换。非全地址译码I／O空间，采用了在线可编程芯片ISP2031，便于调试。

·付站显控电路。以MC6847作为显控主芯片，显存占用80C196地址空间的0A000－0C000H，外接工业级CRT，显示分辨率为256×192。根据在微机上获取的汉字字模，自建专用12×12非标准汉字库。键盘控制的主芯片为8279，在应用软件的支持下，可以获得类似于工控机的表页或图示式监控效果。

·各类I／O板，接收来自扩展STD总线的信号，完成数据、地址与控制信号的隔离驱动，为了防止设备间的互相干扰，在这类电路板上，广泛采用了MC1413支持下的继电器隔离、光电隔离，以及变压线圈隔离等措施，以保证系统工作的可靠性。

·智能接口板，主要以3片MC6821控制芯片为核心，形成48路可以任意位定义的信号（如瞬时IO方向，信号持续时间等），与模拟器进行数据通信，该电路板可以模拟给出展宽后的复杂总线时序驱动信号。

·转台方位转换电路。以分立元器件电路得出同步传输机的模拟方位信号，经过粗、精信号的分化，形成直流电平，再由CPU控制多路开关切换，以后由80C196内置的AD变换电路求出方位数据。其他传感器转换电路，在识别同步脉冲后，直接由高性能计数器计数，并产生外部中断信号，交CPU处理。

3有线／无线数据通信的软硬件设计

单片机串行口，只能解决近距离的通信，对中、远距离通讯则无能为力。当各点之间距离超过1km或更远时，就需要采用调制解调技术来解决，参见图2。

3．1有线数据通信

采用电话线作通信介质在主、从站都经过有线数字调制解调器（简称Modem）形成FSK调制信号。

在本方案中采用TCM3105，它是TI公司生产的单片CMOS工艺的Modem，符合CCITTV．23建议和BELL202标准，内含基本的调制解调、定时、载波检测，以及群延时均衡等，可工作于全双工或半双工方式。其RD及TD脚可以和单片机的串行口RXD、TXD直接相接，RDR1、RDR2外接至8031的P1口以设定波特率（1200、600bps）。RXB脚用于接受信号偏压调整，在片内调整最后一级比较器的门限电平。CDL脚作载波检测电平设定，所以应精确调整电位器W1、W2以保证良好的收发性能。这里的CLK脚仅作观测用，一般不接。

调制信号输入RC、输出脚TC经过两级运放及1:1变压线圈隔离后至外部电缆接插件。

3．2无线数、话一体通信

无线数据传输的传播介质是电磁波，很适合复杂地形或机动设备等应用场合，并且能和话音分时复用一部电台，其优点不言而喻。无论是数据还是话音，V／UHF电台本质上传输的都是低频基带信号。MSM6927是***OKI公司生产的一种单片集成、采用FSK调制的Modem，符合ITU－TV．23通信协议，与8031微处理器以及射频电路一起可以进行无线链路数据报的双向可靠传输。

图2中的发送RD和XD是收发数据脚，为了与有线Modem复用8031的串行口，还应将这二者和TCM3105的RD、TD脚通过多路开关54LS157转接至8031的RXD、TXD，这一点图中没有绘出。／CD2脚表示是否接收到载波信号，低电平有效，可接至指示灯。调制信号输入AIN、输出脚AO经过运放处理及低通滤波后馈送到电台。

3．3通信软件设计

通信采取由主机首先发起广播呼叫，检查各从机是否就绪，再将缺席者从以后的轮询队列中删除的方法。由于未采用复杂的TCP协议，所以主呼与应答必须事先确定好规则，这样可以避免多个现场节点同时呼叫而出现通信阻塞。数据帧定义为：

主呼方呼叫后无应答，给出超时标志后即脱离。分机收到数据包后如发现地址与本机符合则接受，有错则视信息的重要与否，要求重发或干脆丢弃。调试时可与微机进行仿真通信，评估控制关系及数据响应率，以减小研发工作量。

4改善可靠性的措施

·适当的冗余设计有助于军用系统的可靠性。如本系统的有线／无线通信，CRT与LET复合显示，以及备用通道的控制等，都起到了良好的效果。

·抗雷击措施在野外作业时应当加强。本系统曾遭雷击而重度受损，后追加了防雷保护器，包括有线数据通信电缆串接的防雷保护器、电源防雷保护器等，系统经受住了恶劣气候的考验。

·防止键盘死锁的一种特殊办法。键盘死锁是工业控制系统甚至家用电脑的常见故障，但对于实时性要求比较高的军用系统，则要坚决杜绝这一现象。本系统曾遇到由于8279的RST上出现小毛刺，而使8279异常复位，从而导致键盘死锁的现象。因此，在定时器子程序内追加了8279初始化代码，即，每隔10ms定时给8279初始化一次，以后再未出现键盘死锁现象。

·算法设计优化也可提高系统的可使用性。如AD采样后的“野值”剔除处理、Karlman滤波，以及数据通信的纠错编码等，本系统采用了海明（Hamming）编码校验与代码和相结合的方法进行检错与纠错。

5结束语

采用上述思路设计的远程监控系统，已批量生产并装备部队。经使用证明其启动快捷、组网灵活、运行可靠，取得了良好的效益。几种常用无线收发芯片性能比较表几种常用无线收发芯片性能比较表

Brand

nRF401

Nordic

RF2915RFMD

BC418Bluechip

XC1201Xemics

CC400ChipCon

工作电压

2.7—5.25V

2.4—5.0V

2.5---3.4V

2.4—5.5V

2.7---3.3V

数据可否直接接单片机串口使用

可以直接接单片机串口使用，数据无需曼彻斯特编码，可直接传输串口数据，效率高

不能直接接单片机串口使用，数据需要进行曼彻斯特编码，效率低（实际速率为标称的1/3）

不能直接接单片机串口使用，数据需要进行曼彻斯特编码，效率低（实际速率为标称的1/3）

不能直接接单片机串口使用，数据需要进行曼彻斯特编码，效率低（实际速率为标称的1/3）

不能直接接单片机串口使用，数据需要进行曼彻斯特编码，效率低（实际速率为标称的1/3）

发射电流@5dBmoutput

9mA

17mA

45mA

10mA

91mA

接收电流433MHz

11mA

6.8mA+ext.PLL&3ext.filters

maximum8mA

7.5mA

40mA

最大输出功率

+10dBm

+5dBm

+12dBm

-5dBm

+14dBm

速率

20Kbps

9.6Kbps

<128Kbps（外部调制）2.4Kbps（内部调制）

64Kbps

9.6Kbps

需要外接天线的数量（分别为收发用）

1

1

2*

2*

1

封装

SSOP20

LQFP32

TQFP44

TQFP32

SSOP28

外围元件数量

约10个

约50个

>50个

两根天线时约20个一根天线时约35个

>25个

由于无线收发芯片的种类和数量比较多，如何在你的设计中选择你所需要的芯片是非常关键的，正确的选择可以使你少走弯路，降低成本，更快地将你的产品推向市场。下面几点有助于你选择你所需要的产品：1、收发芯片的数据传输是否需要进行曼彻斯特编码？

采用曼彻斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，并且曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率，一般仅能达到标称速率的1/3。

而采用串口传输的芯片（如nRF401），应用及编程非常简单，传送的效率很高，标称速率就是实际速率，因为串口对大家来说是再熟悉不过的了，编程也很方便。2、收发芯片所需的外围元件数量

芯片外围元件的数量的直接决定你的产品的成本，因此应该选择外围元件少的收发芯片。有些芯片似乎比较便宜，可是外围元件使用很多昂贵的元件如变容管以及声表滤波器等；有些芯片收发分别需要两根天线，会大大加大成本。这方面nRF401做得很好，外围元件仅10个左右，无需声表滤波器、变容管等昂贵的元件，只需要便宜且易于获得的4MHz晶体，收发天线合一。3、功耗

大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗也非常重要，应该根据需要选择综合功耗较小的产品.4、发射功率

在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的产品。但是也应该注意，有些产品号称的发射功率虽然较高，但是由于其外围元件多，调试复杂，往往实际的发射功率远远达不到标称值。5、收发芯片的封装和管脚数

较少的管脚以及较小的封装，有利于减少PCB面积降低成本，适合便携式产品的设计，也有利于开发和生产。nRF401仅20脚，是管脚数和体积最小的。自制51/avr单片机USBISP下载线（硬件部分）技术分类：嵌入式系统

|2008-11-10

作者：borlittle:EDNChinaEDN博客精华文章

作者：borlittle如今呢是使用笔记本的人越来越多了，可是呢买了笔记本对于学习很多\o"单片机"单片机比如说51或者\o"avr"avr就不方便了。因为大多数电脑都不带串并口了。但是呢新出的笔记本上的\o"USB"USB接口是足够用的。因而都想用USB转了串口或者并口就能方便单片机学习开发时的\o"ISP"ISP编程或者JTAG仿真了。其实很多单片机开发商和销售商都早就有了USBisp的配套软件和硬件了的，只不过都比较昂贵，而且技术资料多是保密的，对于自己小本学习单片机的人而言不免都希望能与价廉物美的USBISP烧写器，而且也多想自己动手做一个了。网上公开的比较流行的支持51和AVR的烧写器是用ATMEL公司的MAGE8单片机做的，其机理也就是通过软件编程的方式将USB接口信号转换为并口信号以实现ISP的。其原理图如下图：点击看原图使用的是个名叫PROGISP的软件，我收集了制作的相关资料在压缩包中/upload/2008/11/11/bf1d3595-924d-493f-9893-e595913476bb.rar，有兴趣的朋友可以看看或者尝试一下。但是呢我在这里主要并不是向大家介绍这个MAGE8做的USBISP\o"下载线"下载线，因为它的编程软件很强大但是配置太灵活了，对于初学者，很容易配错相关设置，比如AVR的融丝位，弄不好可能将你的AVR单片机锁死了。而且烧入MAGE8的固件有可能不支持51或AVR，找固件比较麻烦。我要向大家推荐的另一种方案是用专门的USB转串口的USB芯片。利用它制作一个USBISP下载线，而且支持51和AVR系列的单片机，功能算比较强的，电路也并不比MAGE8做的USBISP下载线难多少，只需要在主芯片外接晶振和几个电容电阻就是了。这个方案就是利用我们国产的南京沁恒公司的CH341A芯片将USB转为并口直接实现ISP编程。电路图如下图：[修改]姓

名：许广利性

别：男出生年月：1984-01-06学

历：大专专

业：机械设计制造及其自动化目前状态：在职证件类型：身份证证件号码

口：河南省商丘现居住地：江苏省苏州市区健康状况：良好婚育状况：单身工作年限：二年以上计算机能力：熟练擅长外语1：英语良好擅长外语2：良好手机号码/p>

固定电话/p>

电子邮件：flczgli@163.com

职业概况/求职意向现从事行业：机械/机电现从事职业：单片机/底层开发现工作地点:苏州市区目前薪水:1500-1999元/月求职状态:有好的工作才会考虑工作性质:全职意向行业一:机械/机电意向行业二:IT服务/网络/电信/通讯意向职位一:单片机/底层开发意向职位二:自动控制期望工作地点一:期望薪水:面议

工作经验[修改]2008/07-至今:苏州名硕电脑所属行业：集成电路开发与设计

公司规模：5000人以上电气工程

主管以下工作描述及业绩：负责冲床（金丰）及成型注塑机（日纲、发那科、震雄、东芝等）、机械手(哈模、威得客等)、模温机(百阳)等生产设备的保养及维修。后又调入专案，自行设计温控箱，压合机，时序控制器等小型设备为公司节约大笔成本。为近一步降低成本，利用单片机自行设计的PCB板代替PLC，设计测试中，此为下一步发展目标。2007/11-2008/07:浙江华业塑料机械有限公司所属行业：机械/机电

公司规模：500-999CNC工程

主管以下工作描述及业绩：工作中虚心学习，敢于向老师傅提出疑问，并根据所学专业知识，结合CNC加工的特点，两次改进加工工艺，即减少了加工工序又提高了工作效率，也提高了加工精度，受到领导的嘉奖。

教育背景[修改]2005/09-2008/07黄河水利职业技术学院数控技术及应用大专所获证书：国家新型专利详细描述：主修课程：单片机、电工电子技术、电气控制与PLC、传感器与检测技术、现代控制基、工程力学、高等数学、C语言程序设计、CAM/CAD、AutoCAD、机械制图、数控机床及其应用、数控加工工艺与刀具、数控特种加工、模具设计与制造、机械设计基础、机械制造基础、液压传动、专业英语等

自我评价[修改]上进好学、知识面广、自学能力强、动手能力强；思维慎密、锐意进取、较强的创新能力；善于合作、较强的团队意识。梦想让我们成功，梦想让我们与众不同！嵌入式系统百科名片根据IEEE（国际电机工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。目前国内一个普遍被认同的定义是：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。目录[隐藏]嵌入式系统简介嵌入式系统的定义嵌入式系统重要概念嵌入式系统的特点嵌入式系统的分类嵌入式系统的组成嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的现状和发展趋势HYPERLINKHYPERLINK嵌入式系统简介嵌入式系统的定义嵌入式系统重要概念嵌入式系统的特点嵌入式系统的分类嵌入式系统的组成嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的现状和发展趋势嵌入式系统学习方法18常见的嵌入式操作系统19嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点：1）对实时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μW级。嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点：1.嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式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，跟网络的耦合也越来越紧密。2.嵌入式系统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技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。3.嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，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。4.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。5.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。6.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。7.目前，嵌入式系统多用于手机等操作系统的开发。具有巨大的市场潜力.[编辑本段]嵌入式系统简介嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每个角落，工业、服务业、消费电子……，而恰恰由于这种范围的扩大，使得“嵌入式系统”更加难于明确定义。举个简单例子：一个手持的mp3是否可以叫做是嵌入式系统呢？答案肯定是“是”。另外一个PC104的微型工业控制计算机你会认为它是嵌入式系统吗？当然，也是，工业控制是嵌入式系统技术的一个典型应用领域。然而比较两者，你也许会发现二者几乎完全不同，除了其中都嵌入有微处理器。那是否可以说嵌入着微处理器的设备就是嵌入式系统？那鼠标中也有单片机，能叫嵌入式系统嘛？那到底什么是嵌入式系统？莫非嵌入式系统只是一个难以定义的抽象概念？１．嵌入式系统的历史虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的，但是这个概念并非新近才出现。从20世纪七十年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器，微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近30年的发展历史。作为一个系统，往往是在硬件和软件交替发展的双螺旋的支撑下逐渐趋于稳定和成熟，嵌入式系统也不例外。嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。70年代单片机的出现，使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只是使用８位的芯片，执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的概念。提示：最早的单片机是Intel公司的8048，它出现在1976年。Motorola同时推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4K的ROM、4个8位并口、1个全双工串行口、两个16位定时器。之后在80年代初，Intel又进一步完善了8048，在它的基础上研制成功了8051，这在单片机的历史上是值得纪念的一页，迄今为止，51系列的单片机仍然是最为成功的单片机芯片，在各种产品中有着非常广泛的应用。从80年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写嵌入式应用软件，这使得可以获取更短的开发周期，更低的开发资金和更高的开发效率，“嵌入式系统”真正出现了。确切点说，这个时候的操作系统是一个实时核，这个实时核包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。其中比较著名的有ReadySystem公司的VRTX、IntegratedSystemIncorporation(ISI)的PSOS和IMG的VxWorks、QNX公司的QNX等。这些嵌入式操作系统都具有嵌入式的典型特点：它们均采用占先式的调度，响应的时间很短，任务执行的时间可以确定；系统内核很小，具有可裁剪，可扩充和可移植性，可以移植到各种处理器上；较强的实时和可靠性，适合嵌入式应用。这些嵌入式实时多任务操作系统的出现，使得应用开发人员得以从小范围的开发解放出来，同时也促使嵌入式有了更为广阔的应用空间。90年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时核逐渐发展为实时多任务操作系统（RTOS），并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。这时候更多的公司看到了嵌入式系统的广阔发展前景，开始大力发展自己的嵌入式操作系统。除了上面的几家老牌公司以外，还出现了PalmOS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，Nucleux，以及国内的Hopen，DeltaOs等嵌入式操作系统。随着嵌入式技术的发展前景日益广阔，相信会有更多的嵌入式操作系统软件出现。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。[编辑本段]嵌入式系统的定义定义可从几方面来理解嵌入式系统：◆嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。因此可以这样理解上述三个面向的含义，即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。◆嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和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技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。例如Palm之所以在PDA领域占有70％以上的市场，就是因为其立足于个人电子消费品，着重发展图形界面和多任务管理；而风河的Vxworks之所以在火星车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。◆嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几K到几十K微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减，但是由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利的进行。实际上，嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，而且有时很难以给它下一个准确的定义。现在人们讲嵌入式系统时，某种程度上指近些年比较热的具有操作系统的嵌入式系统，本文在进行分析和展望时，也沿用这一观点。一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输出（I/O）和软件（由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合的，在这里我们对其不加区分，这也是嵌入式系统和Windows系统的最大区别）。[编辑本段]嵌入式系统重要概念嵌入式系统中有许多非常重要的概念：◆嵌入式处理器：嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。范围极其广阔，从最初的４位处理器，目前仍在大规模应用的８位单片机，到最新的受到广泛青睐的32位，64位嵌入式CPU。◆实时操作系统（RTOS-RealTimeOperatingSystem）：嵌入式系统目前最主要的组成部分。根据操作系统的工作特性，实时是指物理进程的真实时间。实时操作系统具有实时性，能从硬件方面支持实时控制系统工作的操作系统。其中实时性是第一要求，需要调度一切可利用的资源完成实时控制任务，其次才着眼于提高计算机系统的使用效率，重要特点是要满足对时间的限制和要求。◆分时操作系统：对于分时操作系统，软件的执行在时间上的要求，并不严格，时间上的错误，一般不会造成灾难性的后果。目前分时系统的强项在于多任务的管理，而实时操作系统的重要特点是具有系统的可确定性，即系统能对运行情况的最好和最坏等的情况能做出精确的估计。◆多任务操作系统：系统支持多任务管理和任务间的同步和通信，传统的单片机系统和DOS系统等对多任务支持的功能很弱，而目前的Windows是典型的多任务操作系统。在嵌入式应用领域中，多任务是一个普遍的要求。◆实时操作系统中的重要概念：系统响应时间（Systemresponsetime）：系统发出处理要求到系统给出应答信号的时间。任务换道时间（Context-switchingtime）：任务之间切换而使用的时间。中断延迟（Interruptlatency）：计算机接收到中断信号到操作系统作出响应，并完成换道转入中断服务程序的时间。◆实时操作系统的工作状态：实时系统中的任务有四种状态：运行（Executing），就绪（Ready），挂起（Suspended），冬眠（Dormant）。运行：获得CPU控制权。就绪：进入任务等待队列，通过调度转为运行状态。挂起：任务发生阻塞，移出任务等待队列，等待系统实时事件的发生而唤醒，从而转为就绪或运行。冬眠：任务完成或错误等原因被清除的任务，也可以认为是系统中不存在的任务。任何时刻系统中只能有一个任务在运行状态，各任务按级别通过时间片分别获得对CPU的访问权。[编辑本段]嵌入式系统的特点这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因只要有几个方面：一是芯片技术的发展，使得单个芯片具有更强的处理能力，而且使集成多种接口已经成为可能，众多芯片生产厂商已经将注意力集中在这方面。另一方面的原因就是应用的需要，由于对产品可靠性、成本、更新换代要求的提高，使得嵌入式系统逐渐从纯硬件实现和使用通用计算机实现的应用中脱颖而出，成为近年来令人关注的焦点。从上面的定义，我们可以看出嵌入式系统的几个重要特征：１．系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如Enea公司的OSE分布式系统，内核只有5K，而Windows的内核？简直没有可比性。２．专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全两个概念。３．系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。４．高实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储，以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。５．嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的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、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS（Real－TimeOperatingSystem）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．嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其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，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。[编辑本段]嵌入式系统的分类由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，所以其分类也可以从硬件和软件进行划分。从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分，而目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种，流行体系结构包括MCU，MPU等30多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导体制造商都大规模生产嵌入式处理器，并且公司自主设计处理器也已经成为了未来嵌入式领域的一大趋势，其中从单片机、DSP到FPGA有着各式各样的品种，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从64kB到16MB，处理速度最快可以达到2000MIPS，封装从8个引脚到144个引脚不等。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点：1）对实时多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，同时也有利于软件诊断。3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展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μW级。根据其现状，嵌入式处理器可以分成下面几类：◆嵌入式微处理器（MicroProcessorUnit，MPU）嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。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。目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等。其中Arm／StrongArm是专为手持设备开发的嵌入式微处理器，属于中档的价位。◆嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)嵌入式微控制器的典型代表是单片机，从70年代末单片机出现到今天，虽然已经经过了20多年的历史，但这种８位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。由于MCU低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及MCU8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系统约70％的市场份额。近来Atmel出产的Avr单片机由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更高的发展。◆嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。MPU较低的处理速度无法满足DSP的算法要求，其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。随着大规模集成电路技术发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。其运算速度比MPU快了几十倍，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。至80年代中期，随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。到80年代后期，DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。90年代后，DSP发展到了第五代产品，集成度更高，使用范围也更加广阔。目前最为广泛应用的是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。◆嵌入式片上系统(SystemOnChip)SoC追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话题之一。SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且SOC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。由于SOC往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，比较典型的SOC产品是Philips的SmartXA。少数通用系列如Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。预计不久的将来，一些大的芯片公司将通过推出成熟的、能占领多数市场的SOC芯片，一举击退竞争者。SOC芯片也将在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中发挥重要作用。从软件方面划分，主要可以依据操作系统的类型。目前嵌入式系统的软件主要有两大类：实时系统和分时系统。其中实时系统又分为两类：硬实时系统和软实时系统。实时嵌入系统是为执行特定功能而设计的，可以严格的按时序执行功能。其最大的特征就是程序的执行具有确定性。在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务，会导致系统的全面失败，则系统被称为硬实时系统。而在软实时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命错误。一个硬实时系统往往在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片，而软实时系统则主要在软件方面通过编程实现时限的管理。比如WindowsCE就是一个多任务分时系统，而Ucos-II则是典型的实时操作系统。当然，除了上述分类之外，还有许多其他分类方法，比如从应用方面分为工业应用和消费电子等，在这里就不一一累述了。[编辑本段]嵌入式系统的组成一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，如图1-1所示，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型的电机，当手机处于震动接收状态时打开；也可以很复杂，如SONY智能机器狗，上面集成了多个微小型控制电机和多种传感器，从而可以执行各种复杂的动作和感受各种状态信息。下面对嵌入式计算机系统的组成进行介绍。1）硬件层硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用设备接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。（1）嵌入式微处理器嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器与通用CPU最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将通用CPU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在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯·诺依曼体系或哈佛体系结构；指令系统可以选用精简指令系统（ReducedInstructionSetComputer，RISC）和复杂指令系统CISC（ComplexInstructionSetComputer，CISC）。RISC计算机在通道中只包含最有用的指令，确保数据通道快速执行每一条指令，从而提高了执行效率并使CPU硬件结构设计变得更为简单。嵌入式微处理器有各种不同的体系，即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度，或集成了不同的外设和接口。据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，体系结构有30多个系列，其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但与全球PC市场不同的是，没有一种嵌入式微处理器可以主导市场，仅以32位的产品而言，就有100种以上的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。（2）存储器嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码。嵌入式系统的存储器包含Cache、主存和辅助存储器，其存储结构如图1-2所示。1>CacheCache是一种容量小、速度快的存储器阵列它位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。在需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能的从Cache中读取数据，而不是从主存中读取，这样就大大改善了系统的性能，提高了微处理器和主存之间的数据传输速率。Cache的主要目标就是：减小存储器（如主存和辅助存储器）给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快，实时性更强。在嵌入式系统中Cache全部集成在嵌入式微处理器内，可分为数据Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的大小依不同处理器而定。一般中高档的嵌入式微处理器才会把Cache集成进去。2>主存主存是嵌入式微处理器能直接访问的寄存器，用来存放系统和用户的程序及数据。它可以位于微处理器的内部或外部，其容量为256KB~1GB，根据具体的应用而定，一般片内存储器容量小，速度快，片外存储器容量大。常用作主存的存储器有：ROM类NORFlash、EPROM和PROM等。RAM类SRAM、DRAM和SDRAM等。其中NORFlash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，在嵌入式领域内得到了广泛应用。3>辅助存储器辅助存储器用来存放大数据量的程序代码或信息，它的容量大、但读取速度与主存相比就慢的很多，用来长期保存用户的信息。嵌入式系统中常用的外存有：硬盘、NANDFlash、CF卡、MMC和SD卡等。(3)通用设备接口和I/O接口嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口，如A/D、D/A、I/O等，外设通过和片外其他设备的或传感器的连接来实现微处理器的输入/输出功能。每个外设通常都只有单一的功能，它可以在芯片外也可以内置芯片中。外设的种类很多，可从一个简单的串行通信设备到非常复杂的802.11无线设备。目前嵌入式系统中常用的通用设备接口有A/D（模/数转换接口）、D/A（数/模转换接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太网接口）、USB（通用串行总线接口）、音频接口、VGA视频输出接口、I2C（现场总线）、SPI（串行外围设备接口）和IrDA（红外线接口）等。2)中间层硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（HardwareAbstractLayer，HAL）或板级支持包（BoardSupportPackage，BSP），它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据BSP层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。BSP具有以下两个特点。硬件相关性：因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，而作为上层软件与硬件平台之间的接口，BSP需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。操作系统相关性：不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此，不同的操作系统具有特定的硬件接口形式。实际上，BSP是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：嵌入式系统的硬件初始化以及BSP功能，设计硬件相关的设备驱动。(1)嵌入式系统硬件初始化系统初始化过程可以分为3个主要环节，按照自底向上、从硬件到软件的次序依次为：片级初始化、板级初始化和系统级初始化。片级初始化完成嵌入式微处理器的初始化，包括设置嵌入式微处理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微处理器核心工作模式和嵌入式微处理器的局部总线模式等。片级初始化把嵌入式微处理器从上电时的默认状态逐步设置成系统所要求的工作状态。这是一个纯硬件的初始化过程。板级初始化完成嵌入式微处理器以外的其他硬件设备的初始化。另外，还需设置某些软件的数据结构和参数，为随后的系统级初始化和应用程序的运行建立硬件和软件环境。这是一个同时包含软硬件两部分在内的初始化过程。系统初始化该初始化过程以软件初始化为主，主要进行操作系统的初始化。BSP将对嵌入式微处理器的控制权转交给嵌入式操作系统，由操作系统完成余下的初始化操作，包含加载和初始化与硬件无关的设备驱动程序，建立系统内存区，加载并初始化其他系统软件模块，如网络系统、文件系统等。最后，操作系统创建应用程序环境，并将控制权交给应用程序的入口。(2)硬件相关的设备驱动程序BSP的另一个主要功能是硬件相关的设备驱动。硬件相关的设备驱动程序的初始化通常是一个从高到低的过程。尽管BSP中包含硬件相关的设备驱动程序，但是这些设备驱动程序通常不直接由BSP使用，而是在系统初始化过程中由BSP将他们与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来，并在随后的应用中由通用的设备驱动程序调用，实现对硬件设备的操作。与硬件相关的驱动程序是BSP设计与开发中另一个非常关键的环节。3)系统软件层系统软件层由实时多任务操作系统（Real-timeOperationSystem，RTOS）、文件系统、图形用户接口（GraphicUserInterface，GUI）、网络系统及通用组件模块组成。RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。(1)嵌入式操作系统嵌入式操作系统（EmbeddedOperationSystem，EOS）是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用与工业控制和国防系统领域。EOS负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。目前，已推出一些应用比较成功的EOS产品系列。随着Internet技术的发展、信息家电的普及应用及EOS的微型化和专业化，EOS开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。EOS是相对于一般操作系统而言的，它除具有了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等外，还有以下[编辑本段]嵌入式系统的应用领域嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括：１．工业控制：基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展，目前已经有大量的8、16、32位嵌入式微控制器在应用中，网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途径，如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。就传统的工业控制产品而言，低端型采用的往往是８位单片机。但是随着技术的发展，32位、64位的处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来几年内必将获得长足的发展。２．交通管理：在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌GPS模块，GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元，就可以随时随地找到你的位置。３．信息家电：这将称为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使你不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控制。在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。４．家庭智能管理系统：水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高，更准确和更安全的性能。目前在服务领域，如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势。５．POS网络及电子商务：公共交通无接触智能卡(ContactlessSmartcard,CSC)发行系统，公共电话卡发行系统，自动售货机，各种智能ATM终端将全面走入人们的生活，到时手持一卡就可以行遍天下。６．环境工程与自然：水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。在很多环境恶劣，地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。７．机器人：嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化，高智能方面优势更加明显，同时会大幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。这些应用中，可以着重于在控制方面的应用。就远程家电控制而言，除了开发出支持TCP/IP的嵌入式系统之外，家电产品控制协议也需要制订和统一，这需要家电生产厂家来做。同样的道理，所有基于网络的远程控制器件都需要与嵌入式系统之间实现接口，然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实现控制。所以，开发和探讨嵌入式系统有着十分重要的意义。1.3嵌入式系统在机电产品方面的应用相对于其他的领域，机电产品可以说是嵌入式系统应用最典型最广泛的领域之一。从最初的单片机到现在的工控机、SOC在各种机电产品中均有着巨大的市场。工业设备是机电产品中最大的一类，在目前的工业控制设备中，工控机的使用非常广泛，这些工控机一般采用的是工业级的处理器和各种设备，其中以X86的MPU最多。工控的要求往往较高，需要各种各样的设备接口，除了进行实时控制，还须将设备状态，传感器的信息等在显示屏上实时显示。这些要求8位的单片机是无法满足的，以前多数使用16位的处理器，随着处理器快速的发展，目前32位、64位的处理器逐渐替代了16位处理器，进一步提升了系统性能。采用PC104总线的系统，体积小，稳定可靠，受到了很多用户的青睐。不过这些工控机采用的往往是DOS或者Windows系统，虽然具有嵌入式的特点，却不能称作纯粹的嵌入式系统。另外在工业控制器和设备控制器方面，则是各种嵌入式处理器的天下。这些控制器往往采用16位以上的处理器，各种MCU，Arm、Mips、68K系列的处理器在控制器中占据核心地位。这些处理器上提供了丰富的接口总线资源，可以通过它们实现数据采集，数据处理，通讯以及显示（显示一般是连接LED或者LCD）。最近飞利浦和ARM共同推出32位RISC嵌入式控制器，适用于工业控制，采用最先进的0.18微米CMOS嵌入式闪存处理技术，操作电压可以低至1.2伏，它还能降低25%到30%的制造成本，在工业领域中对最终用户而言是一套极具成本效益的解决方案。美国TERN工业控制器基于Am188/186ES、i386EX、NECV25、Am586(ElanSC520)，采用了SUPERTASK实时多任务内核，可应用于便携设备、无线控制设备、数据采集设备、工业控制与工业自动化设备以及其它需要控制处理的设备。家电行业是嵌入式应用的另一大行业，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ARMCPU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。机器人技术的发展从来就是与嵌入式系统的发展紧密联系在一起的。最早的机器人技术是50年代MIT提出的数控技术，当时使用的还远未达到芯片水平，只是简单的与非门逻辑电路。之后由于处理器和智能控制理论的发展缓慢从50年代到70年代初期，机器人技术一直未能获得充分的发展。70年代中期之后，由于智能理论的发展和MCU出现，机器人逐渐成为研究热点，并且获得了长足的发展。近来由于嵌入式处理器的高度发展，机器人从硬件到软件也呈现了新的发展趋势。例如火星车就是一个典型例子，这个价值10亿美金的技术高密集移动机器人，采用的是美国风河公司的Vxworks嵌入式操作系统，可以在不与地球联系的情况下自主工作。1997年美国发射的“索杰纳”火星车带有机械手，可以采集火星上的各种地况，并且通过摄像头把火星上的图像发回地面指挥中心。这台火星车在火星上自主工作了3个月，充分体现了Vxworks系统的高可靠性。以索尼的机器狗为代表的智能机器宠物，可以仅仅使用8位的AVR，51单片机或者16位的DSP来控制舵机，进行图像处理，就能制造出那些人见人爱的玩具，让我们不能不惊叹嵌入式处理器强大的功能。近来32位处理器，WindowsCE等32位嵌入式操作系统的盛行，使得操控一个机器人只需要在手持PDA上获取远程机器人的信息，并且通过无线通讯控制机器人的运行，与传统的采用工控机相比，要轻巧便捷的多。随着嵌入式控制器越来越微型化、功能化，微型机器人、特种机器人等也将获得更大的发展机遇。[编辑本段]嵌入式系统的现状和发展趋势1.4.1嵌入式系统的发展现状随着信息化，智能化，网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空间。美国著名未来学家尼葛洛庞帝99年1月访华时预言，4～5年后嵌入式智能（电脑)工具将是PC和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系统专家沈绪榜院士98年11月在武汉全国第11次微机学术交流会上发表的《计算机的发展与技术》一文中，对未来10年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述和展望。1999年世界电子产品产值已超过12000亿美元，2000年达到13000亿美元，预计2005年，销售额将达18000亿美元。进入20世纪90年代，嵌入式技术全面展开，目前已成为通信和消费类产品的共同发展方向。在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。在广播电视领域，美国已开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的DVB（数字电视广播）技术已在全球大多数国家推广。数字音频广播（DAB）也已进入商品化试播阶段。而软件、集成电路和新型元器件在产业发展中的作用日益重要。所有上述产品中，都离不开嵌入式系统技术。象前途无可计量的维纳斯计划生产机顶盒，核心技术就是采用32位以上芯片级的嵌入式技术。在个人领域中，嵌入式产品将主要是个人商用，作为个人移动的数据处理和通讯软件。由于嵌入式设备具有自然的人机交互界面，GUI屏幕为中心的多媒体界面给人很大的亲和力。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效。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，日用范围也将日益广阔。对于企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移动信息采集等，这种小型手持嵌入式系统将发挥巨大的作用。自动控制领域，不仅可以用于ATM机，自动售货机，工业控制等专用设备，和移动通讯设备结合、GPS、娱乐相结合，嵌入式系统同样可以发挥巨大的作用。近期长虹推出的ADSL产品，结合网络，控制，信息，这种智能化，网络化将是家电发展的新趋势。硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开发包。目前低层系统和硬件平台经过若干年的研究，已经相对比较成熟，实现各种功能的芯片应有尽有。而且巨大的市场需求给我们提供了学习研发的资金和技术力量。从软件方面讲，也有相当部分的成熟软件系统。国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的有WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等产品。我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科银(CoreTek)公司的嵌入式软件开发平台DeltaSystem，中科院推出的Hopen嵌入式操作系统（虽然还不够完善）。同时由于是研究热点，所以我们可以在网上找到各种各样的免费资源，从各大厂商的开发文档，到各种驱动，程序源代码，甚至很多厂商还提供微处理器的样片。这对于我们从事这方面的研发，无疑是个资源宝库。对于软件设计来说，不管是上手还是进一步开发，都相对来说比较容易。这就使得很多生手能够比较快的进入研究状态，利于发挥大家的积极创造性。今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元，1997年来自美国嵌入式系统大会(EmbeddedSystemConference)的报告指出，未来5年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年1500亿美元的新市场。美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的‘计算能力’已超过了IBM”，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。1998年11月在美国加州举行的嵌入式系统大会上，基于RTOS的EmbeddedInternet成为一个技术新热点。在国内，“维纳斯计划”和“女锅计划”一度闹得沸沸扬扬，机顶盒、信息加电这两年更成了IT热点，而实际上这些都是嵌入式系统在特定环境下的一个特定应用。据调查，目前国际上已有两百多种嵌入式操作系统，而各种各样的开发工具、应用于嵌入式开发的仪器设备更是不可胜数。在国内，虽然嵌入式应用、开发很