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1物聯(lián)網(wǎng)

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(fēng)靡，嵌入式系統(tǒng)利用自身積累的底蘊經(jīng)驗，重視和把握這個機會，想辦法在已經(jīng)成熟的平臺和產(chǎn)品基礎(chǔ)上與應(yīng)用傳感單元的結(jié)合，擴展物聯(lián)和感知的支持能力，發(fā)掘某種領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。作為物聯(lián)網(wǎng)重要技術(shù)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(lián)網(wǎng)的本質(zhì)。

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

物聯(lián)網(wǎng)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?qū)ξ矬w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(lián)網(wǎng)將傳感器和智能處理相結(jié)合，利用云計算、模式識別等各種智能技術(shù)，擴充其應(yīng)用領(lǐng)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(shù)據(jù)，以適應(yīng)不同用戶的不同需求，發(fā)現(xiàn)新的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用模式。^[3] 

2歷史發(fā)展

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

嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)初是基于單片機的。70年代單片機的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)機器、通信裝置以及成千上萬種產(chǎn)品可以通過內(nèi)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(jīng)初步具備了嵌入式的應(yīng)用特點，但是這時的應(yīng)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(xiàn)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(jìn)一步*了8048，在它的基礎(chǔ)上研制成功了8051，這在單片機的歷*是值得紀(jì)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(chǎn)品中有著非常廣泛的應(yīng)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(yīng)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(xiàn)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(wù)管理、任務(wù)間通訊、同步與相互排斥、中斷支持、內(nèi)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(diào)度，響應(yīng)的時間很短，任務(wù)執(zhí)行的時間可以確定；系統(tǒng)內(nèi)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(yīng)用。這些嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得應(yīng)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(yīng)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(wù)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(xiàn)了Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，Nucleux，以及國內(nèi)的Hopen，Delta Os等嵌入式操作系統(tǒng)。隨著嵌入式技術(shù)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(xiàn)。^[4] 

3特點

嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體應(yīng)用相結(jié)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(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強的專用性，必須結(jié)合實際系統(tǒng)需求進(jìn)行合理的裁減利用。

◆嵌入式系統(tǒng)是將*的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點就決定了它必然是一個技術(shù)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(lǐng)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(wù)管理；而風(fēng)河的Vxworks之所以在火星車上得以應(yīng)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(jù)應(yīng)用需求對軟硬件進(jìn)行裁剪，滿足應(yīng)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(chǔ)，然后在其上開發(fā)出適應(yīng)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(nèi)核，需要根據(jù)實際的使用進(jìn)行功能擴展或者裁減，但是由于微內(nèi)核的存在，使得這種擴展能夠非常順利的進(jìn)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(chǎn)品結(jié)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(zhǔn)確的定義?，F(xiàn)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(jìn)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(gòu)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(shù)嵌入式設(shè)備的應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)都是緊密結(jié)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(yīng)用熱潮的原因主要有幾個方面：一是芯片技術(shù)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(jīng)成為可能，眾多芯片生產(chǎn)廠商已經(jīng)將注意力集中在這方面。另一方面的原因就是應(yīng)用的需要，由于對產(chǎn)品可靠性、成本、更新?lián)Q代要求的提高，使得嵌入式系統(tǒng)逐漸從純硬件實現(xiàn)和使用通用計算機實現(xiàn)的應(yīng)用中脫穎而出，成為近年來令人關(guān)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(nèi)核小。由于嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置的，系統(tǒng)資源相對有限，所以內(nèi)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(nèi)核只有5K，而Windows的內(nèi)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(jié)合非常緊密，一般要針對硬件進(jìn)行系統(tǒng)的移植，即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進(jìn)行修改。同時針對不同的任務(wù)，往往需要對系統(tǒng)進(jìn)行較大更改，程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結(jié)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(yīng)用軟件的明顯區(qū)分，不要求其功能設(shè)計及實現(xiàn)上過于復(fù)雜，這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，同時也利于實現(xiàn)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(zhì)量和高可靠性。

5．嵌入式軟件開發(fā)要想走向標(biāo)準(zhǔn)化，就必須使用多任務(wù)的操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)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(diào)度多任務(wù)、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配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(zhì)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(shè)計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進(jìn)行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)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(shè)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(biāo)機的概念，主機用于程序的開發(fā)，目標(biāo)機作為后的執(zhí)行機，開發(fā)時需要交替結(jié)合進(jìn)行。^[6] 

7.嵌入式系統(tǒng)與具體應(yīng)用有機結(jié)合在一起，升級換代也是同步進(jìn)行。因此，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)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(yīng)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(wù)。執(zhí)行裝置可以很簡單，如手機上的一個微小型的電機，當(dāng)手機處于震動接收狀態(tài)時打開；也可以很復(fù)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(fù)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(shè)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(chǔ)上添加電源電路、時鐘電路和存儲器電路，就構(gòu)成了一個嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應(yīng)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(shè)計的系統(tǒng)中，它將通用CPU許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設(shè)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(jié)構(gòu)可以采用馮·諾依曼體系或哈佛體系結(jié)構(gòu)；指令系統(tǒng)可以選用精簡指令系統(tǒng)（Reduced Instruction Set Computer，RISC）和復(fù)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(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)據(jù)總線寬度，或集成了不同的外設(shè)和接口。據(jù)不*統(tǒng)計，目前*嵌入式微處理器已經(jīng)超過1000多種，體系結(jié)構(gòu)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(dǎo)市場，僅以32位的產(chǎn)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(jù)具體的應(yīng)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(nèi)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(shù)據(jù)。在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取操作時，微處理器盡可能的從Cache中讀取數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)傳輸速率。Cache的主要目標(biāo)就是：減小存儲器（如主存和輔助存儲器）給微處理器內(nèi)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(nèi)，可分為數(shù)據(jù)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(jìn)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(shù)據(jù)。它可以位于微處理器的內(nèi)部或外部，其容量為256KB~1GB，根據(jù)具體的應(yīng)用而定，一般片內(nèi)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(shù)多、存儲速度快、存儲容量大、價格便宜等優(yōu)點，在嵌入式領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。

3>輔助存儲器

輔助存儲器用來存放大數(shù)據(jù)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(shè)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(shè)備接口，如A/D、D/A、I/O等，外設(shè)通過和片外其他設(shè)備的或傳感器的連接來實現(xiàn)微處理器的輸入/輸出功能。每個外設(shè)通常都只有單一的功能，它可以在芯片外也可以內(nèi)置芯片中。外設(shè)的種類很多，可從一個簡單的串行通信設(shè)備到非常復(fù)雜的802.11無線設(shè)備。

目前嵌入式系統(tǒng)中常用的通用設(shè)備接口有A/D（模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口）、D/A（數(shù)/模轉(zhuǎn)換接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太網(wǎng)接口）、USB（通用串行總線接口）、音頻接口、VGA視頻輸出接口、I2C（現(xiàn)場總線）、SPI（串行外圍設(shè)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(qū)動程序與硬件無關(guān)，上層軟件開發(fā)人員無需關(guān)心底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP 層提供的接口即可進(jìn)行開發(fā)。該層一般包含相關(guān)底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作和硬件設(shè)備的配置功能。BSP具有以下兩個特點。

硬件相關(guān)性：因為嵌入式實時系統(tǒng)的硬件環(huán)境具有應(yīng)用相關(guān)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(guān)性：不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu)，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(lián)系緊密的軟件模塊。設(shè)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(shè)計硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)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(shè)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(rèn)狀態(tài)逐步設(shè)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(shè)備的初始化。另外，還需設(shè)置某些軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，為隨后的系統(tǒng)級初始化和應(yīng)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(nèi)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(jìn)行操作系統(tǒng)的初始化。BSP將對嵌入式微處理器的控制權(quán)轉(zhuǎn)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(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序，建立系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)，加載并初始化其他系統(tǒng)軟件模塊，如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、文件系統(tǒng)等。后，操作系統(tǒng)創(chuàng)建應(yīng)用程序環(huán)境，并將控制權(quán)交給應(yīng)用程序的入口。

2、硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序

BSP的另一個主要功能是硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動。硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)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(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序，但是這些設(shè)備驅(qū)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(shè)備驅(qū)動程序關(guān)聯(lián)起來，并在隨后的應(yīng)用中由通用的設(shè)備驅(qū)動程序調(diào)用，實現(xiàn)對硬件設(shè)備的操作。與硬件相關(guān)的驅(qū)動程序是BSP設(shè)計與開發(fā)中另一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

系統(tǒng)軟件層

系統(tǒng)軟件層由實時多任務(wù)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)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(yīng)用與工業(yè)控制和國防系統(tǒng)領(lǐng)域。EOS負(fù)責(zé)嵌入系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動。它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。目前，已推出一些應(yīng)用比較成功的EOS產(chǎn)品系列。隨著Internet技術(shù)的發(fā)展、信息家電的普及應(yīng)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(guān)依賴性、軟件固化以及應(yīng)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(wù)調(diào)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(jié)構(gòu)。

（2）強實時性。EOS實時性一般較強，可用于各種設(shè)備控制當(dāng)中。

（3）統(tǒng)一的接口。提供各種設(shè)備驅(qū)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(xué)易用.

（5）提供*的網(wǎng)絡(luò)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(shè)備預(yù)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(yù)，這就要負(fù)責(zé)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(diào)用命令向用戶程序提供服務(wù)。

（7）固化代碼。在嵌入系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)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(yīng)該能夠很容易地拆卸，而用各種內(nèi)存文件系統(tǒng).

（8）更好的硬件適應(yīng)性，也就是良好的移植性.

5應(yīng)用領(lǐng)域

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)具有非常廣闊的應(yīng)用前景，其應(yīng)用領(lǐng)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(shè)備將獲得長足的發(fā)展，目前已經(jīng)有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)化是提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、減少人力資源主要途徑，如工業(yè)過程控制、數(shù)字機床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測、石油化工系統(tǒng)。就傳統(tǒng)的工業(yè)控制產(chǎn)品而言，低端型采用的往往是8位單片機。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，32位、64位的處理器逐漸成為工業(yè)控制設(shè)備的核心，在未來幾年內(nèi)必將獲得長足的發(fā)展。

交通管理

在車輛導(dǎo)航、流量控制、信息監(jiān)測與汽車服務(wù)方面，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，內(nèi)嵌GPS模塊，GSM模塊的移動定位終端已經(jīng)在各種運輸行業(yè)獲得了成功的使用。目前GPS設(shè)備已經(jīng)從產(chǎn)品進(jìn)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(yīng)用領(lǐng)域，冰箱、空調(diào)等的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在這些設(shè)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(yuǎn)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(xiàn)更高，更準(zhǔn)確和更安全的性能。目前在服務(wù)領(lǐng)域，如遠(yuǎn)程點菜器等已經(jīng)體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢。

POS網(wǎng)絡(luò)

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(zhì)量監(jiān)測、堤壩安全，地震監(jiān)測網(wǎng)，實時氣象信息網(wǎng)，水源和空氣污染監(jiān)測。在很多環(huán)境惡劣，地況復(fù)雜的地區(qū)，嵌入式系統(tǒng)將實現(xiàn)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(lǐng)域和服務(wù)領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。

這些應(yīng)用中，可以著重于在控制方面的應(yīng)用。就遠(yuǎn)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(chǎn)品控制協(xié)議也需要制訂和統(tǒng)一，這需要家電生產(chǎn)廠家來做。同樣的道理，所有基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制器件都需要與嵌入式系統(tǒng)之間實現(xiàn)接口，然后再由嵌入式系統(tǒng)來控制并通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)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(xiàn)狀發(fā)展

發(fā)展現(xiàn)狀

隨著信息化，智能化，網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也將獲得廣闊的發(fā)展空間。美國未來學(xué)家尼葛洛龐帝99年1月訪華時預(yù)言，4～5年后嵌入式智能（電腦） 工具將是PC和因特網(wǎng)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(xué)術(shù)交流會上發(fā)表的《計算機的發(fā)展與技術(shù)》一文中，對未來10年以嵌入式芯片為基礎(chǔ)的計算機工業(yè)進(jìn)行了科學(xué)的闡述和展望。1999年世界電子產(chǎn)品產(chǎn)值已超過12000億美元，2000年達(dá)到13000億美元，預(yù)計2005年，銷售額將達(dá)18000億美元。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，嵌入式技術(shù)全面展開，目前已成為通信和消費類產(chǎn)品的共同發(fā)展方向。在通信領(lǐng)域，數(shù)字技術(shù)正在全面取代模擬技術(shù)。在廣播電視領(lǐng)域，美國已開始由模擬電視向數(shù)字電視轉(zhuǎn)變，歐洲的DVB（數(shù)字電視廣播）技術(shù)已在全球大多數(shù)國家推廣。數(shù)字音頻廣播（DAB）也已進(jìn)入商品化試播階段。而軟件、集成電路和新型元器件在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的作用日益重要。所有上述產(chǎn)品中，都離不開嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。象前途無可計量的維納斯計劃生產(chǎn)機頂盒，核心技術(shù)就是采用32位以上芯片級的嵌入式技術(shù)。在個人領(lǐng)域中，嵌入式產(chǎn)品將主要是個人商用，作為個人移動的數(shù)據(jù)處理和通訊軟件。由于嵌入式設(shè)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(wǎng)、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(xiàn)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(lǐng)域，不僅可以用于ATM機，自動售貨機，工業(yè)控制等專用設(shè)備，和移動通訊設(shè)備結(jié)合、GPS、娛樂相結(jié)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(chǎn)品，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)，控制，信息，這種智能化，網(wǎng)絡(luò)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(xué)習(xí)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(jīng)過若干年的研究，已經(jīng)相對比較成熟，實現(xiàn)各種功能的芯片*。而且巨大的市場需求給我們提供了學(xué)習(xí)研發(fā)的資金和技術(shù)力量。

從軟件方面講，也有相當(dāng)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(jìn)入我國市場的有WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等產(chǎn)品。我國自主開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)軟件產(chǎn)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*）。同時由于是研究熱點，所以我們可以在網(wǎng)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(qū)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(shè)計來說，不管是上手還是進(jìn)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(jìn)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(chǎn)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(shù)字電視產(chǎn)品，就將在美國產(chǎn)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(jīng)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(shù)新熱點。在國內(nèi)，“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(yīng)用。據(jù)調(diào)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(yīng)用于嵌入式開發(fā)的儀器設(shè)備更是不可勝數(shù)。在國內(nèi)，雖然嵌入式應(yīng)用、開發(fā)很廣，但該領(lǐng)域卻幾乎還是空白，只有三兩家公司和極少數(shù)人員在從事這方面工作。由此可見，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的空間真是無比廣大。

發(fā)展趨勢

信息時代，數(shù)字時代使得嵌入式產(chǎn)品獲得了巨大的發(fā)展契機，為嵌入式市場展現(xiàn)了美好的前景，同時也對嵌入式生產(chǎn)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*的硬件開發(fā)工具和軟件包支持。

目前很多廠商已經(jīng)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(xiàn)。當(dāng)然，這也是市場競爭的結(jié)果。

2．網(wǎng)絡(luò)化、信息化的要求隨著因特網(wǎng)技術(shù)的成熟、帶寬的提高日益提高，使得以往單一功能的設(shè)備如電話、手機、冰箱、微波爐等功能不再單一，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。

這就要求芯片設(shè)計廠商在芯片上集成更多的功能，為了滿足應(yīng)用功能的升級，設(shè)計師們一方面采用更*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(wù)編程技術(shù)和交叉開發(fā)工具技術(shù)來控制功能復(fù)雜性，簡化應(yīng)用程序設(shè)計、保障軟件質(zhì)量和縮短開發(fā)周期。如HP

3．網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)成為必然趨勢。

未來的嵌入式設(shè)備為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的要求，必然要求硬件上提供各種網(wǎng)絡(luò)通信接口。傳統(tǒng)的單片機對于網(wǎng)絡(luò)支持不足，而新一代的嵌入式處理器已經(jīng)開始內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)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(yīng)的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動軟件。軟件方面系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)核支持網(wǎng)絡(luò)模塊，甚至可以在設(shè)備上嵌入Web瀏覽器，真正實現(xiàn)隨時隨地用各種設(shè)備上網(wǎng)。

4．精簡系統(tǒng)內(nèi)核、算法，降低功耗和軟硬件成本。

未來的嵌入式產(chǎn)品是軟硬件緊密結(jié)合的設(shè)備，為了減低功耗和成本，需要設(shè)計者盡量精簡系統(tǒng)內(nèi)核，只保留和系統(tǒng)功能緊密相關(guān)的軟硬件，利用低的資源實現(xiàn)適當(dāng)?shù)墓δ埽@就要求設(shè)計者選用佳的編程模型和不斷改進(jìn)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(shù)，如Java、Web和WAP等。

5．提供友好的多媒體人機界面

嵌入式設(shè)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(shè)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(shè)計者要在圖形界面，多媒體技術(shù)上痛下苦功。手寫文字輸入、語音撥號上網(wǎng)、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(xiàn)漢字寫入、短消息語音發(fā)布，但一般的嵌入式設(shè)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(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控中的應(yīng)用方案

基于嵌入式系統(tǒng)在電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控中的應(yīng)用方案可實現(xiàn)對電網(wǎng)參數(shù)的主動測量、分析、自動存儲等功能，通過Internet光纖環(huán)網(wǎng)將電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到調(diào)度室的監(jiān)控主機，工作人員可以對遠(yuǎn)程設(shè)備的運行狀況進(jìn)行及時、準(zhǔn)確的監(jiān)控，對其故障先兆做出判斷和預(yù)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(chǎn)停頓，起到預(yù)防和消除故障的作用，提高設(shè)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(shè)計，以微處理器LPC2142 為主控制器，根據(jù)系統(tǒng)的需求外擴了SRAM、Flash、SD 卡、鍵盤、LCD 顯示、聲響提示進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)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(jìn)行數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換器進(jìn)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(jìn)行讀寫器與標(biāo)簽之間射頻信號的收發(fā)，通過JTAG 接口可以進(jìn)行程序的調(diào)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(xué)習(xí)方法

隨著現(xiàn)代社會信息化進(jìn)程的加快，嵌入式系統(tǒng)被廣泛的地應(yīng)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(xiàn)出很強的投資價值。從國際范圍來看，作為數(shù)字化電子信息產(chǎn)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(jīng)突破2000億美元，嵌入式系統(tǒng)帶來的全球工業(yè)年產(chǎn)值更是達(dá)到了一萬億美元，隨著全球經(jīng)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(jìn)一步增長。
　　根據(jù)中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟的建議，學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的*知識與學(xué)習(xí)方法如下：
　　1、C開發(fā)經(jīng)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(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、體系結(jié)構(gòu)
　　條件：Linux，各種書，算法、例程。
　　方法：通過C編程實現(xiàn)簡單的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)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(yīng)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(shè)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(shè)計內(nèi)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(diào)試

調(diào)試通常使用內(nèi)部電路仿真器或者其他一些能夠在單片機微碼（microcode）內(nèi)部產(chǎn)生中斷的調(diào)試器。微碼中斷讓調(diào)試器能夠在只有CPU工作的硬件中進(jìn)行操作，基于CPU的調(diào)試器能夠從CPU的角度來測試和調(diào)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(jìn)行調(diào)試，在許多的調(diào)試工具上都有這種能力。另外開發(fā)人員在調(diào)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(jīng)常在設(shè)計優(yōu)先級和可行方法的時候感到困惑。指導(dǎo)、代碼審查和非個人風(fēng)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(fù)雜，更高層次的工具和操作系統(tǒng)逐漸移植到可行的設(shè)備上。例如，蜂窩電話、個人數(shù)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(shè)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(shù)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(shè)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(shè)備和電子設(shè)備的驅(qū)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(chǎn)品MSEmbed，尤其是微軟嵌入式系統(tǒng)，和普通OS并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。從某種程度上說，微軟嵌入式系統(tǒng)，就是根據(jù)環(huán)境的需求，將普通的OS進(jìn)行定制和精簡，從而形成符合應(yīng)用環(huán)境需求的、特定的系統(tǒng)。

微軟嵌入式系統(tǒng)，經(jīng)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(hù)性以及整體性能方面，得到了良好體現(xiàn)。隨著windows 7 OS進(jìn)入嵌入式領(lǐng)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*。

1996 年11 月，Microsoft 發(fā)布了 Windows Embedded CE 1.0，從此正式進(jìn)入了嵌入式產(chǎn)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(chǎn)品來構(gòu)建下一代的 32 位設(shè)備，這些產(chǎn)品為空間占用量大小不等的設(shè)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(chǎn)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(jìn)，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(shè)計的虛擬內(nèi)存架構(gòu)、全新的設(shè)備驅(qū)動程序架構(gòu)，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(jìn)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(quán)費免費;購買費用媒介成本技術(shù)支持*的自由軟件提供支持網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用軟件支持，應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)周期短，新產(chǎn)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(xiàn)了大量的專業(yè)公司和產(chǎn)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(jīng)廣泛應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)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(lǐng)域非常廣泛，主要的應(yīng)用領(lǐng)域有信息家電、PDA 、機頂盒、數(shù)字電話、應(yīng)答機、大屏幕功能手機、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、交換器、路由器、網(wǎng)橋、接線串口、遙控器訪問服務(wù)、ATM機、設(shè)備固件、遠(yuǎn)程通信、醫(yī)療電子、交通運輸計算機外設(shè)、工業(yè)控制、航空航天領(lǐng)域等。

13相關(guān)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(yīng)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(jù)操作系統(tǒng)的工作特性，實時是指物理進(jìn)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(diào)度一切可利用的資源完成實時控制任務(wù)，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(yán)格，時間上的錯誤，一般不會造成災(zāi)難性的后果。目前分時系統(tǒng)的強項在于多任務(wù)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(wù)操作系統(tǒng)

系統(tǒng)支持多任務(wù)管理和任務(wù)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(wù)支持的功能很弱，而目前的Windows是典型的多任務(wù)操作系統(tǒng)。在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中，多任務(wù)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(yīng)時間（System response time）：系統(tǒng)發(fā)出處理要求到系統(tǒng)給出應(yīng)答信號的時間。

任務(wù)換道時間（Context-switching time）：任務(wù)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(yīng)，并完成換道轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)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(wù)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(quán)。

就緒：進(jìn)入任務(wù)等待隊列，通過調(diào)度轉(zhuǎn)為運行狀態(tài)。

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

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

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

14實例

1.自動柜員機（ATM）

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

3.移動電話和電信交換機

4.計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括路由器、時間服務(wù)器和防火墻

5.辦公設(shè)備，包括打印機、復(fù)印機、傳真機、多功能打印機（MFPs）

6.磁盤驅(qū)動器（軟盤驅(qū)動器和硬盤驅(qū)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(chǎn)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(shè)備，如X光機、核磁共振成像儀

12.測試設(shè)備，如數(shù)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(wǎng)無線接收機、電視機頂盒、數(shù)字衛(wèi)星接收器

15.個人數(shù)碼助理（PDA），也就是帶有個人信息管理和其他應(yīng)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(shù)碼助理（PDA）和Java的移動數(shù)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(gòu)有幾種不同的基本類型。

控制循環(huán)

在這種設(shè)計中，軟件有一個簡單的循環(huán)，這個循環(huán)調(diào)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(shè)置標(biāo)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(shè)置。如果處理得當(dāng)?shù)脑?，它能夠在嵌套子程序中處理嵌套調(diào)用，在外面的中斷允許嵌套中恢復(fù)前面的中斷狀態(tài)。這種方法是實現(xiàn)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(dāng)一個定時器時間到的時候就會運行相應(yīng)的子程序或者設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志。

任何可能發(fā)生的硬件事件都應(yīng)該有軟件定時器的支持，硬件事件大概每萬億次出現(xiàn)一次錯誤，對于現(xiàn)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(chǎn)的設(shè)備來說，遺漏一個軟件軟件定時器在商業(yè)上可能是災(zāi)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(fù)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(fù)位系統(tǒng)。

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

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

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

設(shè)計人員建議多級狀態(tài)機應(yīng)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(jù)正確的信息運行。

如內(nèi)部燃燒控制這樣的復(fù)雜功能通常根據(jù)多維表格進(jìn)行處理，代碼通常進(jìn)行查表處理而不進(jìn)行復(fù)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(jìn)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(shù)據(jù)覆蓋本地變量。在這種機制中，離子程序調(diào)用樹末端越近的變量得到的存儲器地址越高。當(dāng)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(jìn)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(yīng)特定硬件事件的時間。

細(xì)心的設(shè)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(fù)雜。需要花費很長時間的算法必須小心地進(jìn)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(guān)心它是不可預(yù)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(zhì)量，無法將不好的運行結(jié)果歸咎為其他的操作系統(tǒng)。

非搶先式任務(wù)

非搶先式任務(wù)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(wù)，每個任務(wù)獲得自己的子程序棧；然后，當(dāng)一個任務(wù)空閑的時候，它調(diào)用一個空閑子程序（通常調(diào)用“暫?！?、“等候”、“交出（yield）”等等）。

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

這種架構(gòu)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(wù)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(nèi)運行。

另外，代碼次能夠在非預(yù)期的時間訪問自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。定時器子程序必須要象中斷子程序一樣進(jìn)行處理。

搶先式任務(wù)

使用上面的非搶先式任務(wù)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(wù)的代碼都有可能損害其他任務(wù)的數(shù)據(jù) &emdash; 所以它們必須進(jìn)行切缺的切分。對于共享數(shù)據(jù)的訪問必須使用一些同步策略進(jìn)行控制，如消息隊列、信號燈或者非阻塞同步機制。

經(jīng)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(chǎn)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(nèi)核與外內(nèi)核

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

微內(nèi)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(nèi)核分配內(nèi)存并且將CPU在不同的線程之間進(jìn)行切換。用戶模式的進(jìn)程實現(xiàn)如文件系統(tǒng)、用戶接口等主要的功能。

微內(nèi)核在二十世紀(jì)五十年代開始嘗試，但是由于計算機在任務(wù)間切換以及在任務(wù)間交換數(shù)據(jù)速度非常緩慢，所以人們放棄了微內(nèi)核而鐘情于MULTICS和UNIX風(fēng)格的大內(nèi)核?？傮w上來說，微內(nèi)核在任務(wù)切換以及任務(wù)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(nèi)核通過使用普通的子程序調(diào)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(nèi)核（可能是庫的一部分）分配CPU時間、內(nèi)存以及其他資源。如多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)以及文件系統(tǒng)這樣的大內(nèi)核特性通過代碼庫來提供。庫可以進(jìn)行動態(tài)的連接、擴展或者共享。不同的應(yīng)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(nèi)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(jìn)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(jìn)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(xiàn)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(shù)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(jié)果報到那個點上。如果一個計算機的計算是 nut，它就會被關(guān)閉。

辦公用（宏內(nèi)核）操作系統(tǒng)

這種系統(tǒng)通常在沒有系統(tǒng)經(jīng)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(jīng)過特殊封裝的重用代碼庫。如果這些代碼有用，設(shè)計人員就會節(jié)省時間和金錢，否則它們就是無用的。

商務(wù)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(dá)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(diào)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(shù)的嵌入式系統(tǒng)不處理辦公事務(wù)，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(shù)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(hù)硬件不讓用戶程序操作，這就嚴(yán)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(qū)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(shè)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(jīng)費就能完成，不需要支付版權(quán)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(quán)費的C語言實現(xiàn)代碼。

然而許多任務(wù)程師并不認(rèn)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*的嵌入式系統(tǒng)中。其中有下面一些原因：

有現(xiàn)成的移植到普通嵌入式芯片的實現(xiàn)代碼。

它們允許重用公開獲得的設(shè)備驅(qū)動程序、網(wǎng)頁服務(wù)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(nèi)存。

許多任務(wù)程師認(rèn)為在用戶模式運行應(yīng)用程序更為可靠、更容易調(diào)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(yán)格要求，對于許多應(yīng)用來說如嵌入式Linux這樣的系統(tǒng)的響應(yīng)速度就已經(jīng)足夠了。

要求更快的響應(yīng)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(chǎn)品收取費用，當(dāng)產(chǎn)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(gòu)卻無法達(dá)到，構(gòu)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(shù)年的調(diào)試以及相關(guān)的收入損失。

2.RMA （rate monotonic analysis），可以用來評估一組任務(wù)能否在特定的硬件系統(tǒng)下運行，在簡單的形式下，設(shè)計人員保證快完成的任務(wù)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(wù)能夠地優(yōu)化CPU。基本上來說，設(shè)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(shè)備的時候通常就會切換任務(wù)。

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(xiàn)高優(yōu)先級任務(wù)等候低優(yōu)先級任務(wù)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(xiàn)死鎖。監(jiān)視器鎖住一段代碼禁止中斷和其他搶先任務(wù)。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(chǎn)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(jié)束，那么就永遠(yuǎn)不會掛起。如果使用和諧的任務(wù)，可能還會相當(dāng)。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(shù)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(lián)合會嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用委員會主辦，中科院計算技術(shù)研究所、中國家用電器研究院承辦的“中日物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式技術(shù)應(yīng)用研討會暨中國輕工業(yè)聯(lián)合會嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用委員會成立大會”在北京舉行。

基于此種現(xiàn)狀，中科院計算技術(shù)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(chǔ)上，共同發(fā)起了本次盛會。作為國際的嵌入式技術(shù)研究機構(gòu)，三家發(fā)起單位在智能家電、食品防偽、縫紉等多個輕工領(lǐng)域與國內(nèi)相關(guān)企業(yè)進(jìn)行過不同程度的科研合作和應(yīng)用試點，取得了多項實際成果。日本是全球嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的大國，技術(shù)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(yīng)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(guān)應(yīng)用技術(shù)。本次研討會上，中日在雙方嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)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(lián)合會、標(biāo)準(zhǔn)委，日本總務(wù)省、經(jīng)產(chǎn)省、日本駐京大*等部門領(lǐng)導(dǎo)，以及北京、無錫、寧波、煙臺、臨沂等地方政府負(fù)責(zé)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(nèi)人士代表集聚一堂，分別就嵌入式技術(shù)的發(fā)展動向和前沿技術(shù)、中日嵌入式系統(tǒng)市場合作和應(yīng)用前景等相關(guān)內(nèi)容發(fā)表主題演講并進(jìn)行深入探討。

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