嵌入式技术及应用：概念、组成、特点与应用

1.嵌入式系统的概念

到目前为止，业界还没有对嵌入式系统给出权威和确定的定义，有关嵌入式系统的定义有很多种版本。根据IEEE（电气和电子工程师协会）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”（devic es use d to control，monitor，or assist the o pera_- tion of equipme nt，machinery o r plants）。国内一个普遍被认同的嵌入式系统的定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁减，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。

嵌入式系统的定义可以从以下几个方面来理解：

1）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3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。

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、高度分散和不断创新的知识集成系统。

3）嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁减，满足应用系统的具体功能、可靠性、成本和体积等要求。

2.嵌入式系统的组成

嵌入式系统由底层硬件模块、中间协议层、操作系统和高端应用层4部分组成。

底层硬件模块由嵌入式微处理器和外围设备组成。由嵌入式系统的定义可知，嵌入式系统是一个专用的计算机系统。所以，嵌入式微处理器就类似于计算机中的CPU。由于嵌入式系统是专用的计算机系统，要求其硬件可裁减，且对功能、可靠性、成本和体积都有严格的要求，所以嵌入式系统的外围设备是根据系统的需要进行适当的取舍的。一般嵌入式系统常用的外围设备是RAM、ROM、输入/输出设备和网络设备等，这些外围设备也要根据具体情况进行取舍，只有这样才叫做硬件可裁减，功能、成本、体积和可靠性可控。

中间协议层一般也叫做板级支持包（BSP），它们是一组程序。板级支持包是介于主板硬件和操作系统之间的一层，其主要目的是为了使系统中的操作系统能更好地运行在硬件模块中。不同的硬件组成对应不同的BSP，同样不同的操作系统其BSP也不相同。纯粹的BSP所包含的内容一般说来是和系统有关的驱动程序，如网络驱动和系统中网络协议有关，串口驱动和系统下载调试有关等。离开这些驱动系统就不能正常工作。

操作系统是嵌入式系统必不可少的部分，没有操作系统，嵌入式系统只能称为高级复杂单片机系统。嵌入式操作系统目前有很多，如大家比较熟悉的Linux、Vx works、安卓系统等。这些操作系统有需要付费的（如Vxworks），也有一些免费的（如Linux）。操作系统在应用到嵌入式系统之前需要根据嵌入式系统的硬件对操作系统进行移植。移植是程序或应用软件从一个系统平台移动另一个系统平台，其功能、结构和执行结果保持不变的过程。移植的目的是使某个操作系统适应当前系统平台的要求。移植的具体操作就是根据系统平台修改操作系统中相关的代码。

高端应用层也可以简单地称为应用层。这一层上主要是在操作系统上运行一些应用程序，如FTP、QQ和媒体播放器等。这层的主要工作是根据应用功能在操作系统上编写应用程序。

3.嵌入式系统的特点

从嵌入式系统的定义中可以总结出它的几个特点：软件硬件可裁减，其功能、成本、体积和可靠性有严格要求，同时，嵌入式系统还是专用的计算机系统（专用性强）。除此之外，嵌入式系统还有如下几个特点。

（1）操作系统内核较小

一般嵌入式系统的存储器和内存都相对较小，所以对运行在系统之上的操作系统的体积和所占内存都有严格要求。

（2）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，不要求其功能的设计及实现过于复杂，这样有利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。

（3）高实时性

高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固化存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性。

（4）多任务的操作系统

多任务操作系统中的一种称为抢占式多任务处理。这种多任务操作系统在必要时，可以中断当前正在运行的任务以便运行另一个任务，这样就实现了任务的实时性处理。(www.xing528.com)

（5）需要专门的开发工具和环境

嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，因此必须有一套开发工具和环境才能进行开发。

4.嵌入式系统的应用

嵌入式系统无处不在，目前广泛流行的智能手机就是非常典型的嵌入式系统应用。例如，HTC Wildfire（G8）手机的处理器是高通公司的MSM7225，主频528MHz；手机自带存储器512MB ROM+384MB RAM，可外扩Micro SD卡，扩展容量32GB；全手写3寸触摸屏；操作系统为Andro id OS v2.1。其CPU、存储器、输入/输出设备、操作系统齐全。电纸书、MP5、PSP和PS2等均是嵌入式系统的具体应用，他们都有CPU、存储器（内置或外扩）、输入/输出设备、复杂或简单的操作系统，以及供用户使用的应用软件。据欧盟的统计，2003年全球大概有80亿片嵌入式微处理器，2010年达到160亿片，全球人均拥有3个嵌入式微处理器；在航空电子中，嵌入式软件的开发成本占整个飞机研制成本的50%；对于汽车工业，汽车电子在整车价值中的比例逐年提高，从1997年的20%提升到2010年的33%～40%；消费电子数量越来越大，到2010年，仅数字家庭在美国的销售额就达到2000亿欧元。嵌入式系统广泛地应用于消费电子、通信、汽车、国防、航空航天、工业控制、仪表和办公自动化等领域。

（1）消费电子领域

1）随着技术的发展，消费电子产品正向数字化和网络化方向发展。

2）高清晰度数字电视将代替传统的模拟电视。

3）数码相机将代替传统的胶片相机。

4）固定电话今后会被IP电话所替代。

5）各种家用电器（电视机、电冰箱、微波炉等）将通过家庭通信、控制中心与Inte rnet联接，实现远程控制、信息交互、网上娱乐、远程医疗和远程教育等。转变为智能网络家用电器，还可以实现远程医疗、远程教育等。

（2）通信领域

1）通信领域大量应用嵌入式系统，主要包括程控交换机、路由器、IP交换机和传输设备等。由于互联的需要，特别是宽带网络的发展，将会出现各种网络设备，如：ADSL Modem/Router等，其数量将远远高于传统的网络设备。

2）基于32位的嵌入式系统价格低廉，能为企业、家庭提供更廉价、方便、多样的网络方案。就宽带上网的网络设备ADSL Ro uter而言，国外现在每月需要600k的数量。

（3）工业控制、汽车电子、仿真、医疗仪器等

1）随着工业、汽车、医疗卫生等各部门对智能控制需求的不断增长，需要对设备进行智能化、数字化改造，为嵌入式系统提供了很大的市场。

2）就汽车电子系统而言，目前的大多数高档轿车每辆拥有约50个嵌入式微处理器。如BMW 7系列轿车，平均每辆安装63个嵌入式微处理器。

21世纪初，美国接入Inte rnet的汽车有一亿辆。IC Insig hts报道，2001年车载计算系统的市场规模是30亿美元，而2004年，达到46亿美元，这些系统将成为所有新型轿车的标准设备。

（4）国防、航空航天领域

1）雷达、电子对抗、坦克和战舰。

2）航天器（火箭、卫星和航天飞机等）。

3）飞机（民用和军用飞机）。