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1物聯網

隨著醫(yī)療電子、智能家居、物流管理和電力控制等方面的不斷風靡，嵌入式系統(tǒng)利用自身積累的底蘊經驗，重視和把握這個機會，想辦法在已經成熟的平臺和產品基礎上與應用傳感單元的結合，擴展物聯和感知的支持能力，發(fā)掘某種領域物聯網應用。作為物聯網重要技術組成的嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的視角有助于深刻地、全面地理解物聯網的本質。

這有兩層意思：，物聯網的核心仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡;第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信，必須具備嵌入式系統(tǒng)構建的智能終端。因此，物聯網系統(tǒng)是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信的系統(tǒng)架構。

物聯網不僅僅提供了傳感器的連接，其本身也具有智能處理的能力，能夠對物體實施智能控制，這就是我們嵌入式系統(tǒng)所能做到的。誠然，物聯網將傳感器和智能處理相結合，利用云計算、模式識別等各種智能技術，擴充其應用領域。從傳感器獲得的海量信息中分析、加工和處理出有意義的數據，以適應不同用戶的不同需求，發(fā)現新的應用領域和應用模式。^[3] 

2歷史發(fā)展

從20世紀七十年代單片機的出現到各式各樣的嵌入式微處理器，微控制器的大規(guī)模應用，嵌入式系統(tǒng)已經有了近30年的發(fā)展歷史。

嵌入式系統(tǒng)的出現初是基于單片機的。70年代單片機的出現，使得汽車、家電、工業(yè)機器、通信裝置以及成千上萬種產品可以通過內嵌電子裝置來獲得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。這些裝置已經初步具備了嵌入式的應用特點，但是這時的應用只是使用8位的芯片，執(zhí)行一些單線程的程序，還談不上“系統(tǒng)”的概念。

早的單片機是Intel公司的 8048，它出現在1976年。Motorola同時推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，這些早期的單片機均含有256字節(jié)的RAM、4K的ROM、4 個8位并口、1個全雙工串行口、兩個16位定 時 器。之后在80年代初，Intel又進一步完善了8048，在它的基礎上研制成功了8051，這在單片機的歷*是值得紀念的一頁，迄今為止，51系列的單片機仍然是為成功的單片機芯片，在各種產品中有著非常廣泛的應用。

從80年代早期開始，嵌入式系統(tǒng)的程序員開始用商業(yè)級的“操作系統(tǒng)”編寫嵌入式應用軟件，這使得可以獲取更短的開發(fā)周期，更低的開發(fā)資金和更高的開發(fā)效率，“嵌入式系統(tǒng)”真正出現了。確切點說，這個時候的操作系統(tǒng)是一個實時核，這個實時核包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，包括任務管理、任務間通訊、同步與相互排斥、中斷支持、內存管理等功能。

其中比較的有Ready System 公司的VRTX、Integrated System Incorporation （ISI）的PSOS和IMG的VxWorks、QNX公司的QNX 等。這些嵌入式操作系統(tǒng)都具有嵌入式的典型特點：它們均采用占先式的調度，響應的時間很短，任務執(zhí)行的時間可以確定；系統(tǒng)內核很小，具有可裁剪，可擴充和可移植性，可以移植到各種處理器上；較強的實時和可靠性，適合嵌入式應用。這些嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)的出現，使得應用開發(fā)人員得以從小范圍的開發(fā)解放出來，同時也促使嵌入式有了更為廣闊的應用空間。

90年代以后，隨著對實時性要求的提高，軟件規(guī)模不斷上升，實時核逐漸發(fā)展為實時多任務操作系統(tǒng)（RTOS），并作為一種軟件平臺逐步成為目前國際嵌入式系統(tǒng)的主流。這時候更多的公司看到了嵌入式系統(tǒng)的廣闊發(fā)展前景，開始大力發(fā)展自己的嵌入式操作系統(tǒng)。除了上面的幾家老牌公司以外，還出現了Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，Nucleux，以及國內的Hopen，Delta Os等嵌入式操作系統(tǒng)。隨著嵌入式技術的發(fā)展前景日益廣闊，相信會有更多的嵌入式操作系統(tǒng)軟件出現。^[4] 

3特點

嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產品、面向應用的，它必須與具體應用相結合才會具有生命力、才更具有優(yōu)勢。因此可以這樣理解上述三個面向的含義，即嵌入式系統(tǒng)是與應用緊密結合的，它具有很強的專用性，必須結合實際系統(tǒng)需求進行合理的裁減利用。

◆嵌入式系統(tǒng)是將*的計算機技術、半導體技術和電子技術和各個行業(yè)的具體應用相結合后的產物，這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。所以，介入嵌入式系統(tǒng)行業(yè)，必須有一個正確的定位。例如Palm之所以在PDA領域占有70%以上的市場，就是因為其立足于個人電子消費品，著重發(fā)展圖形界面和多任務管理；而風河的Vxworks之所以在火星車上得以應用，則是因為其高實時性和高可靠性。

◆嵌入式系統(tǒng)必須根據應用需求對軟硬件進行裁剪，滿足應用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以，如果能建立相對通用的軟硬件基礎，然后在其上開發(fā)出適應各種需要的系統(tǒng)，是一個比較好的發(fā)展模式。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個只有幾K到幾十K微內核，需要根據實際的使用進行功能擴展或者裁減，但是由于微內核的存在，使得這種擴展能夠非常順利的進行。

實際上，嵌入式系統(tǒng)本身是一個外延極廣的名詞，凡是與產品結合在一起的具有嵌入式特點的控制系統(tǒng)都可以叫嵌入式系統(tǒng)，而且有時很難以給它下一個準確的定義?，F在人們講嵌入式系統(tǒng)時，某種程度上指近些年比較熱的具有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，本文在進行分析和展望時，也沿用這一觀點。

一般而言，嵌入式系統(tǒng)的構架可以分成四個部分：處理器、存儲器、輸入輸出（I/O）和軟件（由于多數嵌入式設備的應用軟件和操作系統(tǒng)都是緊密結合的，在這里我們對其不加區(qū)分，這也是嵌入式系統(tǒng)和一般的PC操作系統(tǒng)的大區(qū)別）。^[5] 

這些年來掀起了嵌入式系統(tǒng)應用熱潮的原因主要有幾個方面：一是芯片技術的發(fā)展，使得單個芯片具有更強的處理能力，而且使集成多種接口已經成為可能，眾多芯片生產廠商已經將注意力集中在這方面。另一方面的原因就是應用的需要，由于對產品可靠性、成本、更新換代要求的提高，使得嵌入式系統(tǒng)逐漸從純硬件實現和使用通用計算機實現的應用中脫穎而出，成為近年來令人關注的焦點。

從上面的定義，我們可以看出嵌入式系統(tǒng)的幾個重要特征：

1．系統(tǒng)內核小。由于嵌入式系統(tǒng)一般是應用于小型電子裝置的，系統(tǒng)資源相對有限，所以內核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。比如Enea公司的OSE分布式系統(tǒng)，內核只有5K，而Windows的內核？簡直沒有可比性。

2．專用性強。嵌入式系統(tǒng)的個性化很強，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結合非常緊密，一般要針對硬件進行系統(tǒng)的移植，即使在同一品牌、同一系列的產品中也需要根據系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進行修改。同時針對不同的任務，往往需要對系統(tǒng)進行較大更改，程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結合，這種修改和通用軟件的“升級”是*兩個概念。

3．系統(tǒng)精簡。嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(tǒng)軟件和應用軟件的明顯區(qū)分，不要求其功能設計及實現上過于復雜，這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，同時也利于實現系統(tǒng)安全。

4．高實時性的系統(tǒng)軟件（OS）是嵌入式軟件的基本要求。而且軟件要求固態(tài)存儲，以提高速度；軟件代碼要求高質量和高可靠性。

5．嵌入式軟件開發(fā)要想走向標準化，就必須使用多任務的操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的應用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運行；但是為了合理地調度多任務、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數以及和專家?guī)旌瘮到涌冢脩舯仨氉孕羞x配RTOS（Real－Time Operating System）開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保障軟件質量。

6．嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境。由于其本身不具備自舉開發(fā)能力，即使設計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計算機上的軟硬件設備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。開發(fā)時往往有主機和目標機的概念，主機用于程序的開發(fā)，目標機作為后的執(zhí)行機，開發(fā)時需要交替結合進行。^[6] 

7.嵌入式系統(tǒng)與具體應用有機結合在一起，升級換代也是同步進行。因此，嵌入式系統(tǒng)產品一旦進入市場，具有較長的生命周期。

8.為了提高運行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片中。^[7] 

4系統(tǒng)組成

簡介

一個嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計算機系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，如圖1-1所示，嵌入式計算機系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控對象，它可以接受嵌入式計算機系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務。執(zhí)行裝置可以很簡單，如手機上的一個微小型的電機，當手機處于震動接收狀態(tài)時打開；也可以很復雜，如SONY智能機器狗，上面集成了多個微小型控制電機和多種傳感器，從而可以執(zhí)行各種復雜的動作和感受各種狀態(tài)信息。

硬件層

硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用設備接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。在一片嵌入式處理器基礎上添加電源電路、時鐘電路和存儲器電路，就構成了一個嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應用程序都可以固化在ROM中。

1、嵌入式微處理器

嵌入式系統(tǒng)硬件層的核心是嵌入式微處理器，嵌入式微處理器與通用CPU大的不同在于嵌入式微處理器大多工作在為特定用戶群所專用設計的系統(tǒng)中，它將通用CPU許多由板卡完成的任務集成在芯片內部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設計時趨于小型化，同時還具有很高的效率和可靠性。

嵌入式微處理器的體系結構可以采用馮·諾依曼體系或哈佛體系結構；指令系統(tǒng)可以選用精簡指令系統(tǒng)（Reduced Instruction Set Computer，RISC）和復雜指令系統(tǒng)CISC（Complex Instruction Set Computer，CISC）。RISC計算機在通道中只包含有用的指令，確保數據通道快速執(zhí)行每一條指令，從而提高了執(zhí)行效率并使CPU硬件結構設計變得更為簡單。

嵌入式微處理器有各種不同的體系，即使在同一體系中也可能具有不同的時鐘頻率和數據總線寬度，或集成了不同的外設和接口。據不*統(tǒng)計，目前*嵌入式微處理器已經超過1000多種，體系結構有30多個系列，其中主流的體系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但與全球PC市場不同的是，沒有一種嵌入式微處理器可以主導市場，僅以32位的產品而言，就有100種以上的嵌入式微處理器。嵌入式微處理器的選擇是根據具體的應用而決定的。

2、存儲器

嵌入式系統(tǒng)需要存儲器來存放和執(zhí)行代碼。嵌入式系統(tǒng)的存儲器包含Cache、主存和輔助存儲器。

1>Cache

Cache是一種容量小、速度快的存儲器陣列它位于主存和嵌入式微處理器內核之間，存放的是近一段時間微處理器使用多的程序代碼和數據。在需要進行數據讀取操作時，微處理器盡可能的從Cache中讀取數據，而不是從主存中讀取，這樣就大大改善了系統(tǒng)的性能，提高了微處理器和主存之間的數據傳輸速率。Cache的主要目標就是：減小存儲器（如主存和輔助存儲器）給微處理器內核造成的存儲器訪問瓶頸，使處理速度更快，實時性更強。

在嵌入式系統(tǒng)中Cache全部集成在嵌入式微處理器內，可分為數據Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的大小依不同處理器而定。一般中的嵌入式微處理器才會把Cache集成進去。

2>主存

主存是嵌入式微處理器能直接訪問的寄存器，用來存放系統(tǒng)和用戶的程序及數據。它可以位于微處理器的內部或外部，其容量為256KB~1GB，根據具體的應用而定，一般片內存儲器容量小，速度快，片外存儲器容量大。

常用作主存的存儲器有：

ROM類 NOR Flash、EPROM和PROM等。

RAM類 SRAM、DRAM和SDRAM等。

其中NOR Flash 憑借其可擦寫次數多、存儲速度快、存儲容量大、價格便宜等優(yōu)點，在嵌入式領域內得到了廣泛應用。

3>輔助存儲器

輔助存儲器用來存放大數據量的程序代碼或信息，它的容量大、但讀取速度與主存相比就慢的很多，用來長期保存用戶的信息。

嵌入式系統(tǒng)中常用的外存有：硬盤、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等。

3、通用設備接口和I/O接口

嵌入式系統(tǒng)和外界交互需要一定形式的通用設備接口，如A/D、D/A、I/O等，外設通過和片外其他設備的或傳感器的連接來實現微處理器的輸入/輸出功能。每個外設通常都只有單一的功能，它可以在芯片外也可以內置芯片中。外設的種類很多，可從一個簡單的串行通信設備到非常復雜的802.11無線設備。

目前嵌入式系統(tǒng)中常用的通用設備接口有A/D（模/數轉換接口）、D/A（數/模轉換接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太網接口）、USB（通用串行總線接口）、音頻接口、VGA視頻輸出接口、I2C（現場總線）、SPI（串行外圍設備接口）和IrDA（紅外線接口）等。

中間層

硬件層與軟件層之間為中間層，也稱為硬件抽象層（Hardware Abstract Layer，HAL）或板級支持包（Board Support Package，BSP），它將系統(tǒng)上層軟件與底層硬件分離開來，使系統(tǒng)的底層驅動程序與硬件無關，上層軟件開發(fā)人員無需關心底層硬件的具體情況，根據BSP 層提供的接口即可進行開發(fā)。該層一般包含相關底層硬件的初始化、數據的輸入/輸出操作和硬件設備的配置功能。BSP具有以下兩個特點。

硬件相關性：因為嵌入式實時系統(tǒng)的硬件環(huán)境具有應用相關性，而作為上層軟 件與硬件平臺之間的接口，BSP需要為操作系統(tǒng)提供操作和控制具體硬件的方法。

操作系統(tǒng)相關性：不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結構，因此，不同的操作系統(tǒng)具有特定的硬件接口形式。

實際上，BSP是一個介于操作系統(tǒng)和底層硬件之間的軟件層次，包括了系統(tǒng)中大部分與硬件聯系緊密的軟件模塊。設計一個完整的BSP需要完成兩部分工作：嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化以及BSP功能，設計硬件相關的設備驅動。

1、嵌入式系統(tǒng)硬件初始化

系統(tǒng)初始化過程可以分為3個主要環(huán)節(jié)，按照自底向上、從硬件到軟件的次序依次為：片級初始化、板級初始化和系統(tǒng)級初始化。

片級初始化

完成嵌入式微處理器的初始化，包括設置嵌入式微處理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微處理器核心工作模式和嵌入式微處理器的局部總線模式等。片級初始化把嵌入式微處理器從上電時的默認狀態(tài)逐步設置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。這是一個純硬件的初始化過程。

板級初始化

完成嵌入式微處理器以外的其他硬件設備的初始化。另外，還需設置某些軟件的數據結構和參數，為隨后的系統(tǒng)級初始化和應用程序的運行建立硬件和軟件環(huán)境。這是一個同時包含軟硬件兩部分在內的初始化過程。

系統(tǒng)初始化

該初始化過程以軟件初始化為主，主要進行操作系統(tǒng)的初始化。BSP將對嵌入式微處理器的控制權轉交給嵌入式操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)完成余下的初始化操作，包含加載和初始化與硬件無關的設備驅動程序，建立系統(tǒng)內存區(qū)，加載并初始化其他系統(tǒng)軟件模塊，如網絡系統(tǒng)、文件系統(tǒng)等。后，操作系統(tǒng)創(chuàng)建應用程序環(huán)境，并將控制權交給應用程序的入口。

2、硬件相關的設備驅動程序

BSP的另一個主要功能是硬件相關的設備驅動。硬件相關的設備驅動程序的初始化通常是一個從高到低的過程。盡管BSP中包含硬件相關的設備驅動程序，但是這些設備驅動程序通常不直接由BSP使用，而是在系統(tǒng)初始化過程中由BSP將他們與操作系統(tǒng)中通用的設備驅動程序關聯起來，并在隨后的應用中由通用的設備驅動程序調用，實現對硬件設備的操作。與硬件相關的驅動程序是BSP設計與開發(fā)中另一個非常關鍵的環(huán)節(jié)。

系統(tǒng)軟件層

系統(tǒng)軟件層由實時多任務操作系統(tǒng)（Real-time Operation System，RTOS）、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口（Graphic User Interface，GUI）、網絡系統(tǒng)及通用組件模塊組成。RTOS是嵌入式應用軟件的基礎和開發(fā)平臺。

嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded Operation System，EOS）是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，過去它主要應用與工業(yè)控制和國防系統(tǒng)領域。EOS負責嵌入系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務調度，控制、協(xié)調并發(fā)活動。它必須體現其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統(tǒng)所要求的功能。目前，已推出一些應用比較成功的EOS產品系列。隨著Internet技術的發(fā)展、信息家電的普及應用及EOS的微型化和專業(yè)化，EOS開始從單一的弱功能向高專業(yè)化的強功能方向發(fā)展。嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時性、硬件的相關依賴性、軟件固化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點。EOS是相對于一般操作系統(tǒng)而言的，它除具備了一般操作系統(tǒng)基本的功能，如任務調度、同步機制、中斷處理、文件功能等外，還有以下特點：

（1）可裝卸性。開放性、可伸縮性的體系結構。

（2）強實時性。EOS實時性一般較強，可用于各種設備控制當中。

（3）統(tǒng)一的接口。提供各種設備驅動接口.

（4）操作方便、簡單、提供友好的圖形GUI，圖形界面，追求易學易用.

（5）提供強大的網絡功能，支持TCP/IP協(xié)議及其它協(xié)議，提供TCP/UDP/IP/PPP協(xié)議支持及統(tǒng)一的MAC訪問層接口，為各種移動計算設備預留接口.

（6）強穩(wěn)定性，弱交互性。嵌入式系統(tǒng)一旦開始運行就不需要用戶過多的干預，這就要負責系統(tǒng)管理的EOS具有較強的穩(wěn)定性。嵌入式操作系統(tǒng)的用戶接口一般不提供操作命令，它通過系統(tǒng)調用命令向用戶程序提供服務。

（7）固化代碼。在嵌入系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)和應用軟件被固化在嵌入式系統(tǒng)計算機的ROM中。輔助存儲器在嵌入式系統(tǒng)中很少使用，因此，嵌入式操作系統(tǒng)的文件管理功能應該能夠很容易地拆卸，而用各種內存文件系統(tǒng).

（8）更好的硬件適應性，也就是良好的移植性.

5應用領域

嵌入式系統(tǒng)技術具有非常廣闊的應用前景，其應用領域可以包括：

工業(yè)控制

基于嵌入式芯片的工業(yè)自動化設備將獲得長足的發(fā)展，目前已經有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在應用中，網絡化是提高生產效率和產品質量、減少人力資源主要途徑，如工業(yè)過程控制、數字機床、電力系統(tǒng)、電網安全、電網設備監(jiān)測、石油化工系統(tǒng)。就傳統(tǒng)的工業(yè)控制產品而言，低端型采用的往往是8位單片機。但是隨著技術的發(fā)展，32位、64位的處理器逐漸成為工業(yè)控制設備的核心，在未來幾年內必將獲得長足的發(fā)展。

交通管理

在車輛導航、流量控制、信息監(jiān)測與汽車服務方面，嵌入式系統(tǒng)技術已經獲得了廣泛的應用，內嵌GPS模塊，GSM模塊的移動定位終端已經在各種運輸行業(yè)獲得了成功的使用。目前GPS設備已經從產品進入了普通百姓的家庭，只需要幾千元，就可以隨時隨地找到你的位置。

信息家電

這將稱為嵌入式系統(tǒng)大的應用領域，冰箱、空調等的網絡化、智能化將人們的生活步入一個嶄新的空間。即使你不在家里，也可以通過電話線、網絡進行遠程控制。在這些設備中，嵌入式系統(tǒng)將大有用武之地。

家庭智能管理

水、電、煤氣表的遠程自動抄表，安全防火、防盜系統(tǒng)，其中嵌有的專用控制芯片將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢查，并實現更高，更準確和更安全的性能。目前在服務領域，如遠程點菜器等已經體現了嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢。

POS網絡

公共交通無接觸智能卡（Contactless Smartcard, CSC）發(fā)行系統(tǒng)，公共電話卡發(fā)行系統(tǒng)，自動售貨機，各種智能ATM終端將全面走入人們的生活，到時手持一卡就可以行遍天下。

環(huán)境工程

水文資料實時監(jiān)測，防洪體系及水土質量監(jiān)測、堤壩安全，地震監(jiān)測網，實時氣象信息網，水源和空氣污染監(jiān)測。在很多環(huán)境惡劣，地況復雜的地區(qū)，嵌入式系統(tǒng)將實現無人監(jiān)測。

6國防與航天

嵌入式芯片的發(fā)展將使機器人在微型化，高智能方面優(yōu)勢更加明顯，同時會大幅度降低機器人的價格，使其在工業(yè)領域和服務領域獲得更廣泛的應用。

這些應用中，可以著重于在控制方面的應用。就遠程家電控制而言，除了開發(fā)出支持TCP/IP的嵌入式系統(tǒng)之外，家電產品控制協(xié)議也需要制訂和統(tǒng)一，這需要家電生產廠家來做。同樣的道理，所有基于網絡的遠程控制器件都需要與嵌入式系統(tǒng)之間實現接口，然后再由嵌入式系統(tǒng)來控制并通過網絡實現控制。所以，開發(fā)和探討嵌入式系統(tǒng)有著十分重要的意義。

7現狀發(fā)展

發(fā)展現狀

隨著信息化，智能化，網絡化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術也將獲得廣闊的發(fā)展空間。美國未來學家尼葛洛龐帝99年1月訪華時預言，4～5年后嵌入式智能（電腦） 工具將是PC和因特網之后偉大的發(fā)明。我國嵌入式系統(tǒng)專家沈緒榜院士98年11月在武漢*11次微機學術交流會上發(fā)表的《計算機的發(fā)展與技術》一文中，對未來10年以嵌入式芯片為基礎的計算機工業(yè)進行了科學的闡述和展望。1999年世界電子產品產值已超過12000億美元，2000年達到13000億美元，預計2005年，銷售額將達18000億美元。

進入20世紀90年代，嵌入式技術全面展開，目前已成為通信和消費類產品的共同發(fā)展方向。在通信領域，數字技術正在全面取代模擬技術。在廣播電視領域，美國已開始由模擬電視向數字電視轉變，歐洲的DVB（數字電視廣播）技術已在全球大多數國家推廣。數字音頻廣播（DAB）也已進入商品化試播階段。而軟件、集成電路和新型元器件在產業(yè)發(fā)展中的作用日益重要。所有上述產品中，都離不開嵌入式系統(tǒng)技術。象前途無可計量的維納斯計劃生產機頂盒，核心技術就是采用32位以上芯片級的嵌入式技術。在個人領域中，嵌入式產品將主要是個人商用，作為個人移動的數據處理和通訊軟件。由于嵌入式設備具有自然的人機交互界面，GUI屏幕為中心的多媒體界面給人很大的親和力。手寫文字輸入、語音撥號上網、收發(fā)電子郵件以及彩色圖形、圖像已取得初步成效。

一些*的PDA在顯示屏幕上已實現漢字寫入、短消息語音發(fā)布，日用范圍也將日益廣闊。對于企業(yè)專用解決方案，如物流管理、條碼掃描、移動信息采集等，這種小型手持嵌入式系統(tǒng)將發(fā)揮巨大的作用。自動控制領域，不僅可以用于ATM機，自動售貨機，工業(yè)控制等專用設備，和移動通訊設備結合、GPS、娛樂相結合，嵌入式系統(tǒng)同樣可以發(fā)揮巨大的作用。近期長虹推出的ADSL產品，結合網絡，控制，信息，這種智能化，網絡化將是家電發(fā)展的新趨勢。

硬件方面，不僅有各大公司的微處理器芯片，還有用于學習和研發(fā)的各種配套開發(fā)包。目前低層系統(tǒng)和硬件平臺經過若干年的研究，已經相對比較成熟，實現各種功能的芯片*。而且巨大的市場需求給我們提供了學習研發(fā)的資金和技術力量。

從軟件方面講，也有相當部分的成熟軟件系統(tǒng)。國外商品化的嵌入式實時操作系統(tǒng)，已進入我國市場的有WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等產品。我國自主開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)軟件產品如科銀（CoreTek）公司的嵌入式軟件開發(fā)平臺DeltaSystem，中科院推出的Hopen嵌入式操作系統(tǒng)（雖然還不夠完善）。同時由于是研究熱點，所以我們可以在網上找到各種各樣的免費資源，從各大廠商的開發(fā)文檔，到各種驅動，程序源代碼，甚至很多廠商還提供微處理器的樣片。這對于我們從事這方面的研發(fā)，無疑是個資源寶庫。對于軟件設計來說，不管是上手還是進一步開發(fā)，都相對來說比較容易。這就使得很多生手能夠比較快的進入研究狀態(tài)，利于發(fā)揮大家的積極創(chuàng)造性。

今天嵌入式系統(tǒng)帶來的工業(yè)年產值已超過了1萬億美元，1997年來自美國嵌入式系統(tǒng)大會（Embedded System Conference）的報告指出，未來5年僅基于嵌入式計算機系統(tǒng)的全數字電視產品，就將在美國產生一個每年1500億美元的新市場。美國汽車大王福特公司的經理也曾宣稱，“福特出售的‘計算能力’已超過了IBM”，由此可以想見嵌入式計算機工業(yè)的規(guī)模和廣度。1998年11月在美國加州舉行的嵌入式系統(tǒng)大會上，基于RTOS的Embedded Internet成為一個技術新熱點。在國內，“維納斯計劃”和“女鍋計劃”一度鬧得沸沸揚揚，機頂盒、信息j家電這兩年更成了IT熱點，而實際上這些都是嵌入式系統(tǒng)在特定環(huán)境下的一個特定應用。據調查，目前國際上已有兩百多種嵌入式操作系統(tǒng)，而各種各樣的開發(fā)工具、應用于嵌入式開發(fā)的儀器設備更是不可勝數。在國內，雖然嵌入式應用、開發(fā)很廣，但該領域卻幾乎還是空白，只有三兩家公司和極少數人員在從事這方面工作。由此可見，嵌入式系統(tǒng)技術發(fā)展的空間真是無比廣大。

發(fā)展趨勢

信息時代，數字時代使得嵌入式產品獲得了巨大的發(fā)展契機，為嵌入式市場展現了美好的前景，同時也對嵌入式生產廠商提出了新的挑戰(zhàn)，從中我們可以看出未來嵌入式系統(tǒng)的幾大發(fā)展趨勢：

1．嵌入式開發(fā)是一項系統(tǒng)工程，因此要求嵌入式系統(tǒng)廠商不僅要提供嵌入式軟硬件系統(tǒng)本身，同時還需要提供強大的硬件開發(fā)工具和軟件包支持。

目前很多廠商已經充分考慮到這一點，在主推系統(tǒng)的同時，將開發(fā)環(huán)境也作為重點推廣。比如三星在推廣Arm7，Arm9芯片的同時還提供開發(fā)板和板級支持包（BSP），而WindowCE在主推系統(tǒng)時也提供Embedded VC++作為開發(fā)工具，還有Vxworks的Tonado開發(fā)環(huán)境，DeltaOS的Limda編譯環(huán)境等等都是這一趨勢的典型體現。當然，這也是市場競爭的結果。

2．網絡化、信息化的要求隨著因特網技術的成熟、帶寬的提高日益提高，使得以往單一功能的設備如電話、手機、冰箱、微波爐等功能不再單一，結構更加復雜。

這就要求芯片設計廠商在芯片上集成更多的功能，為了滿足應用功能的升級，設計師們一方面采用更強大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片或信號處理器DSP增強處理能力，同時增加功能接口，如USB，擴展總線類型，如CAN BUS，加強對多媒體、圖形等的處理，逐步實施片上系統(tǒng)（SOC）的概念。軟件方面采用實時多任務編程技術和交叉開發(fā)工具技術來控制功能復雜性，簡化應用程序設計、保障軟件質量和縮短開發(fā)周期。如HP

3．網絡互聯成為必然趨勢。

未來的嵌入式設備為了適應網絡發(fā)展的要求，必然要求硬件上提供各種網絡通信接口。傳統(tǒng)的單片機對于網絡支持不足，而新一代的嵌入式處理器已經開始內嵌網絡接口，除了支持TCP/IP協(xié)議，還有的支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口中的一種或者幾種，同時也需要提供相應的通信組網協(xié)議軟件和物理層驅動軟件。軟件方面系統(tǒng)系統(tǒng)內核支持網絡模塊，甚至可以在設備上嵌入Web瀏覽器，真正實現隨時隨地用各種設備上網。

4．精簡系統(tǒng)內核、算法，降低功耗和軟硬件成本。

未來的嵌入式產品是軟硬件緊密結合的設備，為了減低功耗和成本，需要設計者盡量精簡系統(tǒng)內核，只保留和系統(tǒng)功能緊密相關的軟硬件，利用低的資源實現適當的功能，這就要求設計者選用佳的編程模型和不斷改進算法，優(yōu)化編譯器性能。因此，既要軟件人員有豐富的硬件知識，又需要發(fā)展*嵌入式軟件技術，如Java、Web和WAP等。

5．提供友好的多媒體人機界面

嵌入式設備能與用戶親密接觸，重要的因素就是它能提供非常友好的用戶界面。圖像界面，靈活的控制方式，使得人們感覺嵌入式設備就象是一個熟悉的老朋友。這方面的要求使得嵌入式軟件設計者要在圖形界面，多媒體技術上痛下苦功。手寫文字輸入、語音撥號上網、收發(fā)電子郵件以及彩色圖形、圖像都會使使用者獲得自由的感受。一些*的PDA在顯示屏幕上已實現漢字寫入、短消息語音發(fā)布，但一般的嵌入式設備距離這個要求還有很長的路要走。

8系統(tǒng)方案

基于嵌入式系統(tǒng)在電網遠程監(jiān)控中的應用方案

基于嵌入式系統(tǒng)在電網遠程監(jiān)控中的應用方案可實現對電網參數的主動測量、分析、自動存儲等功能，通過Internet光纖環(huán)網將電網監(jiān)測數據傳送到調度室的監(jiān)控主機，工作人員可以對遠程設備的運行狀況進行及時、準確的監(jiān)控，對其故障先兆做出判斷和預測，采取有效措施解決問題，保證大型機組安全運行，防止惡性事故的發(fā)生，避免了定期檢修引起的生產停頓，起到預防和消除故障的作用，提高設備運行的可靠性、安全性和有效性。

基于嵌入式系統(tǒng)的RFID手持機系統(tǒng)方案

基于嵌入式系統(tǒng)的RFID手持機系統(tǒng)設計，以微處理器LPC2142 為主控制器，根據系統(tǒng)的需求外擴了SRAM、Flash、SD 卡、鍵盤、LCD 顯示、聲響提示進行數據處理、數據存儲、人機交互以及出錯報警提示，通過USB 接口可以與主機進行數據通信，背光模塊可以為LCD 和鍵盤提供背光，電壓檢測模塊通過核心處理器的A/D 轉換器進行電池電壓的檢測，從而間接檢測出電池的剩余電量，RF 模塊能夠進行讀寫器與標簽之間射頻信號的收發(fā)，通過JTAG 接口可以進行程序的調試與下載。電源部分可以為系統(tǒng)中需要電源的各個模塊提供電源。

9學習方法

隨著現代社會信息化進程的加快，嵌入式系統(tǒng)被廣泛的地應用于軍事、家用、工業(yè)、商業(yè)、辦公、醫(yī)療等社會各個方面，表現出很強的投資價值。從國際范圍來看，作為數字化電子信息產品核心的嵌入式系統(tǒng)目前其硬件和軟件開發(fā)工具市場已經突破2000億美元，嵌入式系統(tǒng)帶來的全球工業(yè)年產值更是達到了一萬億美元，隨著全球經濟的持續(xù)增長以及信息化的加速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)市場必將進一步增長。
　　根據中國物聯網校企聯盟的建議，學習嵌入式系統(tǒng)的*知識與學習方法如下：
　　1、C開發(fā)經驗
　　條件：Linux
　　方法：主要是掌握ANSI C編程（不包括gtk,qt等圖形可視化開發(fā)）
　　2、網絡、操作系統(tǒng)、體系結構
　　條件：Linux，各種書，算法、例程。
　　方法：通過C編程實現簡單的網絡等知識的算法和過程。
　　3、嵌入式系統(tǒng)概念
　　條件：各個嵌入式網站，討論組，書籍
　　方法：少提問，多留給自己思考的空間。
　　4、嵌入式開發(fā)實踐
　　條件：各種嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具的demo版，包括編譯器，仿真器。
　　方法：一個是基于MCU/MDSP的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，另一個是像Palm OS，WinCE，uC/OS II等RTOS下的應用軟件開發(fā)。個是針對硬件開發(fā)而言的，而第二個則是針對軟件開發(fā)而言的。

　　5、硬件開發(fā)
　　條件：各種嵌入式芯片、存儲器等電路器件，protel99等電路設計軟件，電路板制作。
　　方法：這時候該有開發(fā)條件了，起碼是51系列，這個比較方便。電路的設計內容較多，不過看起來嚇人，實際上比軟件要簡單的多。只要下功夫，實踐會告訴你一切。

10調試

調試通常使用內部電路仿真器或者其他一些能夠在單片機微碼（microcode）內部產生中斷的調試器。微碼中斷讓調試器能夠在只有CPU工作的硬件中進行操作，基于CPU的調試器能夠從CPU的角度來測試和調試計算機的電路。PDP-11開創(chuàng)了這種特性的先河。

開發(fā)人員能夠仍然使用斷點、單步執(zhí)行以及語言進行調試，在許多的調試工具上都有這種能力。另外開發(fā)人員在調試實時事件順序的時候需要記錄、使用簡單的記錄工具。

首先遇到這種問題的個人電腦和大型機程序員經常在設計優(yōu)先級和可行方法的時候感到困惑。指導、代碼審查和非個人風格（egoless）的編程是值得推薦的。

隨著嵌入式系統(tǒng)變得越來越復雜，更高層次的工具和操作系統(tǒng)逐漸移植到可行的設備上。例如，蜂窩電話、個人數字助理和其他的消費用計算機需要一些從個人或者這些電子設備制造商之外的公司購買或者提供的一些重要軟件。在這些系統(tǒng)中，需要如Linux、OSGi或者Java這樣的開放編程環(huán)境，這樣第三方軟件提供上才能夠在大規(guī)模的市場上銷售軟件。

大多數這樣的開發(fā)環(huán)境都有一個運行在個人電腦上的參考設計，這種軟件的絕大部分都可以在傳統(tǒng)的個人電腦上開發(fā)。然而，從開放環(huán)境移植到專用的電子設備和電子設備的驅動程序開發(fā)通常仍然是傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件工程師的工作。在有些情況下， the engineer works for the integrated circuit manufacturer, but there is still such a person somewhere.

11Windows

微軟嵌入式產品MSEmbed，尤其是微軟嵌入式系統(tǒng)，和普通OS并沒有本質上的區(qū)別。從某種程度上說，微軟嵌入式系統(tǒng)，就是根據環(huán)境的需求，將普通的OS進行定制和精簡，從而形成符合應用環(huán)境需求的、特定的系統(tǒng)。

微軟嵌入式系統(tǒng)，經過定制以及二次開發(fā)，能夠大程度的滿足客戶需求，同時在安全性、可靠性、可維護性以及整體性能方面，得到了良好體現。隨著windows 7 OS進入嵌入式領域，其對于各種硬件的兼容性，以及在各個硬件平臺上的可移植性，再一次得到極大完善。

1996 年11 月，Microsoft 發(fā)布了 Windows Embedded CE 1.0，從此正式進入了嵌入式產品市場。此后，Microsoft 逐漸擴展出全系列的嵌入式操作系統(tǒng)，使開發(fā)人員能夠通過一系列產品來構建下一代的 32 位設備，這些產品為空間占用量大小不等的設備提供了工具集和開發(fā)平臺。 微軟發(fā)布Win CE 1.0之后的十年間，繼續(xù)推出了2.0到6.0的Win CE產品。

2010年6月1日，微軟發(fā)布了新的嵌入式Windows，并命名為Windows Embedded Compact 7，不再采用之前一貫沿用的名稱Windows Embedded CE（簡稱Windows CE）。新版的全國人民Winddows做出了一系列的改進，例如將所有系統(tǒng)元件都由EXE改為DLL，并移到 kernel space，并采用全新設計的虛擬內存架構、全新的設備驅動程序架構，支持更多的平臺像x86、ARM、SH4、MIPS 等。

12Linux

嵌入式Linux 是將日益流行的Linux操作系統(tǒng)進行裁剪修改，使之能在嵌入式計算機系統(tǒng)上運行的一種操作系統(tǒng)。嵌入式linux既繼承了Internet上無限的開放源代碼資源，又具有嵌入式操作系統(tǒng)的特性。嵌入式Linux的特點是版權費免費;購買費用媒介成本技術支持*的自由軟件提供支持網絡特性免費，而且性能優(yōu)異，軟件移植容易，代碼開放，有許多應用軟件支持，應用產品開發(fā)周期短，新產品上市迅速，因為有許多公開的代碼可以參考和移植，實時性能RT_Linux Hardhat Linux 等嵌入式Linux支持，實時性能穩(wěn)定性好安全性好。

有巨大的市場前景和商業(yè)機會，出現了大量的專業(yè)公司和產品，如Montavista Lineo Emi等，有行業(yè)協(xié)會如Embedded Linux Consortum等，得到世界計算機公司和OEM板級廠商的支持，例如IBM、Motorola、Intel，目前Google的基于Linux開發(fā)的Android操作系統(tǒng)也已經廣泛應用于嵌入式領域。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)廠商也采用了Linux策略，如Lynxworks Windriver QNX等，還有Internet上的大量嵌入式Linux愛好者的支持。嵌入式Linux支持幾乎所有的嵌入式CPU和被移植到幾乎所有的嵌入式OEM板。

嵌入式Linux領域非常廣泛，主要的應用領域有信息家電、PDA 、機頂盒、數字電話、應答機、大屏幕功能手機、數據網絡、交換器、路由器、網橋、接線串口、遙控器訪問服務、ATM機、設備固件、遠程通信、醫(yī)療電子、交通運輸計算機外設、工業(yè)控制、航空航天領域等。

13相關信息

嵌入式系統(tǒng)中有許多非常重要的概念：

1、嵌入式處理器

嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運行的硬件單元。范圍極其廣闊，從初的4位處理器，目前仍在大規(guī)模應用的8位單片機，到新的受到廣泛青睞的32位，64位嵌入式CPU。

2、實時操作系統(tǒng)

◆實時操作系統(tǒng)（RTOS-Real Time Operating System）：

嵌入式系統(tǒng)目前主要的組成部分。根據操作系統(tǒng)的工作特性，實時是指物理進程的真實時間。實時操作系統(tǒng)具有實時性，能從硬件方面支持實時控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。其中實時性是要求，需要調度一切可利用的資源完成實時控制任務，其次才著眼于提高計算機系統(tǒng)的使用效率，重要特點是要滿足對時間的限制和要求。

3、分時操作系統(tǒng)

對于分時操作系統(tǒng)，軟件的執(zhí)行在時間上的要求，并不嚴格，時間上的錯誤，一般不會造成災難性的后果。目前分時系統(tǒng)的強項在于多任務的管理，而實時操作系統(tǒng)的重要特點是具有系統(tǒng)的可確定性，即系統(tǒng)能對運行情況的好和壞等的情況能做出的估計。

4、多任務操作系統(tǒng)

系統(tǒng)支持多任務管理和任務間的同步和通信，傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)和DOS系統(tǒng)等對多任務支持的功能很弱，而目前的Windows是典型的多任務操作系統(tǒng)。在嵌入式應用領域中，多任務是一個普遍的要求。

5、實時操作系統(tǒng)中的重要概念

系統(tǒng)響應時間（System response time）：系統(tǒng)發(fā)出處理要求到系統(tǒng)給出應答信號的時間。

任務換道時間（Context-switching time）：任務之間切換而使用的時間。

中斷延遲（Interrupt latency）：計算機接收到中斷信號到操作系統(tǒng)作出響應，并完成換道轉入中斷服務程序的時間。

6、實時操作系統(tǒng)的工作狀態(tài)

實時系統(tǒng)中的任務有四種狀態(tài)：運行（Executing），就緒（Ready），掛起（Suspended），冬眠（Dormant）。

運行：獲得CPU控制權。

就緒：進入任務等待隊列，通過調度轉為運行狀態(tài)。

掛起：任務發(fā)生阻塞，移出任務等待隊列，等待系統(tǒng)實時事件的發(fā)生而喚醒，從而轉為就緒或運行。

冬眠：任務完成或錯誤等原因被清除的任務，也可以認為是系統(tǒng)中不存在的任務。

任何時刻系統(tǒng)中只能有一個任務在運行狀態(tài)，各任務按級別通過時間片分別獲得對CPU的訪問權。

14實例

1.自動柜員機（ATM）

2.航空電子，例如慣性導航系統(tǒng)、飛行控制硬件和軟件以及其他飛機和導彈中的集成系統(tǒng)

3.移動電話和電信交換機

4.計算機網絡設備，包括路由器、時間服務器和防火墻

5.辦公設備，包括打印機、復印機、傳真機、多功能打印機（MFPs）

6.磁盤驅動器（軟盤驅動器和硬盤驅動器）

7.汽車發(fā)動機控制器和防鎖死剎車系統(tǒng)

8.家庭自動化產品，如恒溫器、冷氣機、灑水裝置和安全監(jiān)視系統(tǒng)

9.手持計算器

10.家用電器，包括微波爐、洗衣機、電視機、DVD播放器和錄制器

11.醫(yī)療設備，如X光機、核磁共振成像儀

12.測試設備，如數字存儲示波器、邏輯分析儀、頻譜分析儀

13.多功能手表

14.多媒體電器：因特網無線接收機、電視機頂盒、數字衛(wèi)星接收器

15.個人數碼助理（PDA），也就是帶有個人信息管理和其他應用程序的小型手持計算機

16.帶有其他能力移動電話，如帶有蜂窩電話、個人數碼助理（PDA）和Java的移動數字助理（MIDP）

17.用于工業(yè)自動化和監(jiān)測的可編程邏輯控制器（PLCs）

18.固定游戲機和便攜式游戲機

19.可穿戴計算機

15類型

常用的嵌入式軟件架構有幾種不同的基本類型。

控制循環(huán)

在這種設計中，軟件有一個簡單的循環(huán)，這個循環(huán)調用各個子程序，每個子程序管理硬件或者軟件的某一部分。中斷通常用來設置標記或者更新軟件其他部分能夠讀取的暫存器。

系統(tǒng)使用簡單的API來完成允許和禁止中斷設置。如果處理得當的話，它能夠在嵌套子程序中處理嵌套調用，在外面的中斷允許嵌套中恢復前面的中斷狀態(tài)。這種方法是實現Exokernel的一個簡單的方法。

通常在循環(huán)中有一些子程序使用周期性的實時中斷控制一組軟件定時器，當一個定時器時間到的時候就會運行相應的子程序或者設置相應的標志。

任何可能發(fā)生的硬件事件都應該有軟件定時器的支持，硬件事件大概每萬億次出現一次錯誤，對于現代的硬件來說大概是一年發(fā)生一次，對于以百萬計大規(guī)模生產的設備來說，遺漏一個軟件軟件定時器在商業(yè)上可能是災難性的。

有時測試軟件運行一組基于軟件的安全定時器，它們周期性地復位硬件中的軟件看門狗。如果軟件錯過一個事件，安全定時器軟件將會捕捉到它。如果安全定時器出錯，看門狗硬件將會復位系統(tǒng)。

可以使用指向每個狀態(tài)機函數的指針實現狀態(tài)機，函數可以用C++、C或者匯編語言等實現。變化的狀態(tài)將不同的函數放到指針中，每次循環(huán)運行時都會運行函數指針。

許多設計人員建議每個循環(huán)讀一次輸入輸出設備、并且保存得到的結果，這樣可以保證邏輯過程的在一致的參數上運行。

許多設計人員喜歡將狀態(tài)機設計成每個狀態(tài)僅僅檢查一到兩項內容，通常是檢查硬件事件和軟件定時器。

設計人員建議多級狀態(tài)機應該讓低層狀態(tài)機早于高層狀態(tài)機運行，這樣高層就能夠根據正確的信息運行。

如內部燃燒控制這樣的復雜功能通常根據多維表格進行處理，代碼通常進行查表處理而不進行復雜的計算，為了減小表格的大小以及成本軟件可以在條目之間進行差值運算。

在小的單片機中，尤其是只有128位組堆棧的8051中，控制環(huán)允許好的連接器使用靜態(tài)分配的數據覆蓋本地變量。在這種機制中，離子程序調用樹末端越近的變量得到的存儲器地址越高。當開始一個新的分支的時候，它的變量可以在以前分支遺棄的空間中進行重新分配。

簡單控制循環(huán)的一個主要缺點是它無法保證響應特定硬件事件的時間。

細心的設計可以很容易地保證中斷不會被長時間禁止，這樣中斷代碼就可以在非常的時間運行。

控制環(huán)的另外一個主要缺陷是增加新的特性的時候會變得復雜。需要花費很長時間的算法必須小心地進行分解以使得每次只有一小部分在主循環(huán)中運行。

這種系統(tǒng)的優(yōu)勢是它的簡單性，并且在很小的軟件上，循環(huán)運行地很快幾乎沒有人關心它是不可預測的。

它的另外一個優(yōu)勢是這種系統(tǒng)保證運行軟件的質量，無法將不好的運行結果歸咎為其他的操作系統(tǒng)。

非搶先式任務

非搶先式任務系統(tǒng)非常類似于上面的系統(tǒng)，只是這個循環(huán)是隱藏在API中的。我們定義一系列的任務，每個任務獲得自己的子程序棧；然后，當一個任務空閑的時候，它調用一個空閑子程序（通常調用“暫?！?、“等候”、“交出（yield）”等等）。

帶有類似屬性的架構都帶有一個事件隊列，有一個循環(huán)根據隊列列表中的一個域確定刪除時間和調用子程序。

這種架構的優(yōu)點和缺點都非常類似于控制環(huán)，只是這種方法添加新的軟件更加簡單，只需要簡單地編寫新的任務或者將它添加到隊列解釋器中。

搶先式定時器

使用上面的任何一種系統(tǒng)，但是添加一個按照定時器中斷運行子程序的定時器系統(tǒng)，這樣就給系統(tǒng)添加了嶄新的能力，這樣定時器子程序次能在一個有保證的時間內運行。

另外，代碼次能夠在非預期的時間訪問自己的數據結構。定時器子程序必須要象中斷子程序一樣進行處理。

搶先式任務

使用上面的非搶先式任務系統(tǒng)，從一個搶先式定時器或者其他中斷運行。

這樣系統(tǒng)就突然變得很不一樣了。任何一個任務的代碼都有可能損害其他任務的數據 &emdash; 所以它們必須進行切缺的切分。對于共享數據的訪問必須使用一些同步策略進行控制，如消息隊列、信號燈或者非阻塞同步機制。

經常在這一步開發(fā)組織就會購買一套實時操作系統(tǒng)。如果一個組織缺少能夠編寫操作系統(tǒng)的人才或者操作系統(tǒng)將要在幾個產品之上，這可能是一個明智的選擇。這通常要將開發(fā)計劃增加六到八周，and forever after programmers can blame delays on it.

微內核與外內核

這種方法試圖將系統(tǒng)組織得比宏內核更易于配置，而同時提供類似的特點。

微內核是實時操作系統(tǒng)的一個邏輯發(fā)展，通常的組織方式是操作系統(tǒng)內核分配內存并且將CPU在不同的線程之間進行切換。用戶模式的進程實現如文件系統(tǒng)、用戶接口等主要的功能。

微內核在二十世紀五十年代開始嘗試，但是由于計算機在任務間切換以及在任務間交換數據速度非常緩慢，所以人們放棄了微內核而鐘情于MULTICS和UNIX風格的大內核?？傮w上來說，微內核在任務切換以及任務間通信速度快的時候是比較成功的，在速度慢的時候是失敗的。

外內核通過使用普通的子程序調用獲得的通信效率很高，硬件以及系統(tǒng)中的軟件都是程序員能用也能擴展的。資源內核（可能是庫的一部分）分配CPU時間、內存以及其他資源。如多任務、網絡以及文件系統(tǒng)這樣的大內核特性通過代碼庫來提供。庫可以進行動態(tài)的連接、擴展或者共享。不同的應用甚至可以使用的不同的庫，但是所有的資源都來自于資源內核。

虛擬機

一些航空電子系統(tǒng)使用幾個商用計算機。這樣更進一步，每個計算機都在模擬它們自身的幾個副本，重要的程序同時在幾個計算機上運行并且進行投票控制（vote）。

模擬環(huán)境的優(yōu)點就是即使一個計算機出現故障，軟件的不同例程能夠遷移到正常工作的軟件分區(qū)，表決的票數并不受影響。

通常虛擬軟件運行在計算機的用戶模式下，它捕捉、模擬硬件訪問和不在用戶模式下運行的指令。

檢查點計算

另外一種常用的機制是兩個計算機計算 for a bit，然后將它們的計算結果報到那個點上。如果一個計算機的計算是 nut，它就會被關閉。

辦公用（宏內核）操作系統(tǒng)

這種系統(tǒng)通常在沒有系統(tǒng)經費的嵌入式項目中流行，但是從這篇文章的多個作者來看，這通常是不正確的，它們的邏輯是：

操作系統(tǒng)是經過特殊封裝的重用代碼庫。如果這些代碼有用，設計人員就會節(jié)省時間和金錢，否則它們就是無用的。

商務系統(tǒng)的操作系統(tǒng)沒有嵌入式硬件的接口。例如，如果要用Linux寫一個馬達控制器或者電話交換機，絕大部分的實際控制操作都是IOCTL調用，同時，正常的讀、寫和查詢界面都是無用的。所以操作系統(tǒng)對于實際的開發(fā)妨礙很大。

大多數的嵌入式系統(tǒng)不處理辦公事務，所以辦公操作系統(tǒng)的大部分代碼都被浪費了。例如，絕大多數的嵌入式系統(tǒng)從來都不使用文件系統(tǒng)或者屏幕，所以文件系統(tǒng)和圖形用戶界面部分就是浪費的，這些不用的代碼只會影響系統(tǒng)的可靠性。

辦公用操作系統(tǒng)保護硬件不讓用戶程序操作，這就嚴重地妨礙了嵌入式開發(fā)工作。

操作系統(tǒng)必須移植到嵌入式系統(tǒng)上，也就是說，硬件驅動程序無論如何都必須重寫，這也是操作系統(tǒng)難的部分，所以使用這樣的操作系統(tǒng)幾乎沒有功效。

操作系統(tǒng)真正有用、可移植的特性是小段代碼。例如，一個基本的TCP/IP接口大約有3000行代碼，另外的一個例子是大約同樣大小的簡單文件系統(tǒng)。如果設計需要這些代碼，能夠使用少于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)10%的經費就能完成，不需要支付版權費用，只需要簡單地重寫就可以了。如果系統(tǒng)這些代碼有足夠的通用性，嵌入式系統(tǒng)雜志封面的后面通常有公司銷售沒有版權費的C語言實現代碼。

然而許多任務程師并不認同這一點，嵌入式Linux越來越受到人們的歡迎，尤其是在無線路由器和全球定位系統(tǒng)這樣的功能強大的嵌入式系統(tǒng)中。其中有下面一些原因：

有現成的移植到普通嵌入式芯片的實現代碼。

它們允許重用公開獲得的設備驅動程序、網頁服務器、防火墻或者其他代碼。

開發(fā)系統(tǒng)能夠從許多特性組合開始，在發(fā)布的時候可以剔除不需要的功能，從而節(jié)約所消耗的內存。

許多任務程師認為在用戶模式運行應用程序更為可靠、更容易調試，所以開發(fā)過程更容易、代碼更易于移植。

許多嵌入式系統(tǒng)沒有控制系統(tǒng)那樣對于實時性的嚴格要求，對于許多應用來說如嵌入式Linux這樣的系統(tǒng)的響應速度就已經足夠了。

要求更快的響應速度，而不是可靠性的特性，通常放到了硬件上。

許多實時操作系統(tǒng)都針對每件產品收取費用，當產品是消費品時，這項費用是巨大的。

Exotic custom 操作系統(tǒng)

一些系統(tǒng)需要安全、及時、可靠或者的特性，上面的架構卻無法達到，構建這樣的系統(tǒng)有一些廣為人知的技巧：

1.雇傭一個真正的系統(tǒng)程序員。他們的花費很小，但是能夠節(jié)約數年的調試以及相關的收入損失。

2.RMA （rate monotonic analysis），可以用來評估一組任務能否在特定的硬件系統(tǒng)下運行，在簡單的形式下，設計人員保證快完成的任務有高的優(yōu)先級，平均來說 CPU 至少有 30% 的空閑時間。

3.和諧的任務能夠地優(yōu)化CPU?；旧蟻碚f，設計人員保證每件工作都是從heartbeat timer開始工作的。在實時操作系統(tǒng)上很難這樣做，因為它們在等候輸入輸出設備的時候通常就會切換任務。

4.剛好有兩個優(yōu)先級（通常是運行和禁止中斷）的系統(tǒng)不能出現高優(yōu)先級任務等候低優(yōu)先級任務釋放信號燈或者其他資源的優(yōu)先級倒置問題，

5.有監(jiān)視器（monitor）的系統(tǒng)不能出現死鎖。監(jiān)視器鎖住一段代碼禁止中斷和其他搶先任務。如果這個監(jiān)視器只用于一小段快速運行的代碼，系統(tǒng)可能工作正常。如果能夠證明監(jiān)視器 API 在所有情況下都能夠完整運行，例如僅僅禁止中斷，那么就不會產生系統(tǒng)掛起的情況。

這就意味著使用兩個優(yōu)先級和監(jiān)視器的系統(tǒng)是安全、可靠的，因為它們沒有死鎖和優(yōu)先級倒置的問題。如果監(jiān)視器能夠執(zhí)行到結束，那么就永遠不會掛起。如果使用和諧的任務，可能還會相當。然而，RMA 無法描述這些系統(tǒng)，優(yōu)先級好也不要到處都有，其中包括操作系統(tǒng)和硬件。^[8] 

16委員會

4月27日消息，由中科院計算技術研究所、中國家用電器研究院、日本T-Engine協(xié)會、中國輕工業(yè)聯合會嵌入式系統(tǒng)應用委員會主辦，中科院計算技術研究所、中國家用電器研究院承辦的“中日物聯網與嵌入式技術應用研討會暨中國輕工業(yè)聯合會嵌入式系統(tǒng)應用委員會成立大會”在北京舉行。

基于此種現狀，中科院計算技術研究所、中國家用電器研究院、日本T-Engine協(xié)會在多年合作的基礎上，共同發(fā)起了本次盛會。作為國際的嵌入式技術研究機構，三家發(fā)起單位在智能家電、食品防偽、縫紉等多個輕工領域與國內相關企業(yè)進行過不同程度的科研合作和應用試點，取得了多項實際成果。日本是全球嵌入式系統(tǒng)領域的大國，技術處于地位，日益受到業(yè)界重視。日本T-Engine協(xié)會更是世界上應用多的嵌入式操作系統(tǒng)——TRON系統(tǒng)的，擁有*的嵌入式系統(tǒng)相關應用技術。本次研討會上，中日在雙方嵌入式系統(tǒng)領域的技術交流與合作成為兩國共同發(fā)展的一個新亮點。

國家科技部、工信部、環(huán)保部、輕工業(yè)聯合會、標準委，日本總務省、經產省、日本駐京大*等部門領導，以及北京、無錫、寧波、煙臺、臨沂等地方政府負責人出席會議。研討會上，中日兩國的專家、教授、研究人員、企業(yè)家和業(yè)內人士代表集聚一堂，分別就嵌入式技術的發(fā)展動向和前沿技術、中日嵌入式系統(tǒng)市場合作和應用前景等相關內容發(fā)表主題演講并進行深入探討。

委員會的成立，將有效整合和凝聚國內嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)力量，引進*嵌入式技術，提供國內外嵌入式系統(tǒng)行業(yè)合作交流的平臺，為推動國內嵌入式系統(tǒng)及其相關技術的發(fā)展和產業(yè)化應用起到積極的作用。