1.1 嵌入式系统概述

随着计算机技术的飞速发展和嵌入式微处理器的出现，计算机应用出现了历史性的变化，逐渐形成计算机系统的两大分支：嵌入式系统和通用计算机系统。

嵌入式系统早期曾被称为嵌入式计算机系统或隐藏式计算机。随着半导体技术及微电子技术的快速发展，嵌入式系统得以风靡式发展，性能不断提高，以致出现一种观点，即嵌入式系统通常是基于32位微处理器设计的，往往带操作系统，本质上是瞄准高端领域和应用。然而，随着嵌入式系统应用的普及，这种高端应用系统和之前广泛存在的单片机系统间的本质联系，使嵌入式系统与单片机毫无疑问地联系在了一起。

1.嵌入式系统的特点

嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术、电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。这决定了它是技术密集、资金密集、知识高度分散、不断创新的集成系统。同时，嵌入式系统又是针对特定的应用需求而设计的专用计算机系统，也决定了其具有自己的特点。

不同嵌入式系统具有一定的差异。一般来说，嵌入式系统有以下特点：

（1）软/硬件资源有限，过去只在个人计算机（PC）中安装的软件现在也出现在复杂的嵌入式系统中。

（2）集成度高、可靠性高、功耗低。

（3）有较长的生命周期，通常与所嵌入的宿主设备具有相同的使用寿命。

（4）软件程序存储（固化）在存储芯片上，开发者通常无法改变。

（5）是计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的应用相结合的产物。

（6）一般来说，并非总是独立的设备，而是作为某个更大型计算机系统的辅助系统。

（7）通常都与真实物理环境相连，是激励系统。激励系统处在某一状态，等待着输入或激发信号，从而完成计算并输出更新的状态。

2.嵌入式系统的组成

嵌入式系统一般由硬件系统和软件系统两大部分组成。其中，硬件系统包括处理器、外设和必要的外围电路；软件系统包括嵌入式操作系统和软件运行环境。

➢ 硬件系统

（1）处理器。处理器是嵌入式系统硬件系统的核心，早期嵌入式系统的处理器由微处理器（甚至是仅包含几个芯片的微处理器）来担任，而如今嵌入式系统的处理器一般采用IC（集成电路）芯片形式，可以是ASIC（专用集成电路）或者SoC（系统级芯片）中的一个核。核是VLSI（超大规模集成电路）上功能电路的一部分。嵌入式系统的处理器主要有以下几种：嵌入式微处理器（EMPU）、嵌入式微控制器（MCU，又称单片机）、嵌入式数字信号处理器（EDSP）、嵌入式片上系统。

① 嵌入式微处理器。嵌入式微处理器（Embedded Microprocessor Unit，EMPU）以通用计算机中的标准CPU为微处理器，并将其装配在专门设计的电路板上，仅保留与嵌入式应用有关的母板功能，构成嵌入式系统。与通用计算机相比，其系统体积和功耗大幅度减小，而工作温度的范围、抗电磁干扰能力、系统的可靠性等方面均有提高。

在嵌入式微处理器中，微处理器是整个系统的核心，通常由3部分组成：控制单元、算术逻辑单元和寄存器。图1.1为嵌入式微处理器示意图。

② 嵌入式微控制器。嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，MCU）又称单片机。它以某一种微处理器为核心，芯片内部集成有一定容量的存储器（ROM/EPROM、RAM）、I/O接口（串行接口、并行接口）、定时器/计数器、看门狗、脉宽调制输出、A/D转换器、D/A转换器、总线、总线逻辑等。与嵌入式微处理器相比，嵌入式微控制器的最大特点是单片化、体积小、功耗低、可靠性较高。嵌入式微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。

③ 嵌入式数字信号处理器。嵌入式数字信号处理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合执行DSP算法，编译效率高，指令执行速度也较快。在数字滤波、FFT、谱分析等方面，DSP算法已广泛应用于嵌入式领域，DSP应用正从在单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用EDSP实现相应功能。

④ 嵌入式片上系统。嵌入式片上系统是集系统性能于一块芯片上的系统级芯片。它通常含有一个或多个微处理器IP核（CPU），根据需求也可增加一个或多个DSP IP核、相应的外围特殊功能模块，以及一定容量的存储器（RAM、ROM）等，并针对应用所需的性能将其设计集成在芯片上，成为系统操作芯片。其主要特点是嵌入式系统能够运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好，操作系统的内核小、效果好。

（2）外设。外设包括存储器、I/O接口等辅助设备。尽管MCU已经包含了大量外设，但对于需要更多I/O接口和更大存储能力的大型系统来说，还需要连接额外的I/O接口和存储器，用于扩展其他功能和提高性能。

➢ 软件系统

（1）嵌入式操作系统（Embedded Operating System，简称：EOS）是指用于嵌入式系统的操作系统。嵌入式操作系统通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、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。目前在嵌入式领域广泛使用的操作系统有嵌入式实时操作系统μC/OS-II、嵌入式Linux、Windows Embedded、VxWorks等，以及应用在智能手机和平板电脑上的Android、iOS等。

（2）软件运行环境，狭义上讲是指软件运行所需要的硬件支持；广义上也可以说是一个软件运行所要求的各种条件，包括软件环境和硬件环境。比如各种操作系统所需要的硬件支持是不一样的，对CPU、内存等的要求也是不一样的。而许多应用软件不仅要求硬件条件的支持，还需要软件环境的支持，通俗讲就是Windows系统支持的软件，Linux系统不一定支持，苹果系统的软件只能在苹果设备上运行，如果这些软件想跨平台运行，必须修改软件本身，或者模拟它所需要的软件环境。