1、嵌入式系統(tǒng)概述 本章主要內容1.1 嵌入式系統(tǒng)簡介1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成1.3 嵌入式處理器簡介1.4 嵌入式系統(tǒng)應用1.5 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢1.6 物聯網與嵌入式系統(tǒng)1.7 嵌入式開發(fā)工具 思考與習題1.1 嵌入式系統(tǒng)簡介1 嵌入式系統(tǒng)的概念（1）電氣和電子工程師協會（IEEE）的定義：嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機器和設備運行的裝置”（2）國內一個普遍被認同的定義：以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟/硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)?；乇菊履夸?.1 嵌入式系統(tǒng)簡介2 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展史（1）20世紀70年代，使用8位的芯片，執(zhí)

2、行一些單線程的程序。（2）80年代到90年代，32位芯片，使用VxWorks，WinCE、Linux等操作系統(tǒng)，支持多任務、內存管理等特性，但網絡使用較少。（3）21世紀，32位或64位芯片，同樣使用VxWorks、WinCE、Linux等操作系統(tǒng)，廣泛地使用了各種網絡，支持多種網絡協議，甚至可以在設備上嵌入Web瀏覽器。1.2 嵌入式系統(tǒng)的組0 組成框圖回本章目錄1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成（1）1 硬件層 硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲器（如SDRAM、ROM、Flash等）、通用設備接口和I/O接口（如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，

3、就可構成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。1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成(2)嵌入式系統(tǒng)組成硬件圖1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成（3）1 硬件層（續(xù)2）（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最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。1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成（4）1 硬件層（續(xù)3）（1）嵌入式微處理器（續(xù)） 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

4、用精簡指令系統(tǒng)（Reduced Instruction Set Computer，RISC）和復雜指令系統(tǒng)（Complex Instruction Set Computer，CISC）。RISC計算機在通道中只包含最有用的指令，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。1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成（5）1 硬件層（續(xù)4）（1）嵌入式微處理器（續(xù)） 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。據不完全統(tǒng)計，目前全世界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

5、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。1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成（6）1 硬件層（續(xù)5）（2）存儲器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，存放的是最近一段時間微處理器使用最多的程序代碼和數據。在需要進行數據讀取操作時，微處理器盡可能地從Cache中讀取數據，而不是從主存中讀取，這樣就可大大改善系統(tǒng)的性能，提高微處理器和主存之間的數據傳輸速率。1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成

6、（7）1 硬件層（續(xù)6）（2）存儲器（續(xù)） 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，其容量一般為256KB1GB，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。1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成（8）1 硬件層（續(xù)7）（2）存儲器（續(xù)）常用于主存的存儲器有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的應用。1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成（9）1 硬件層（續(xù)8）（2

7、）存儲器(續(xù)) 輔助存儲器（即外存）：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。1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成（10）1 硬件層（9續(xù)）（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，外設通過和片外其他設備或傳感器的連接來實現微處理器的輸入/輸出功能。嵌入式系統(tǒng)中常用的設備接口有A/D、D/A（模/數、數/模）轉換接口、RS-232C（串行通信）接口、Ethernet（以太網）接口、USB（通用串行總線）接口、音視頻接口、II

8、C總線、IIS總線、SD卡接口、現場總線、SPI（串行外圍設備）接口等。1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成（11）2 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)人員無須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。1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成（12）2 中間層（續(xù)1）BSP具有以下兩個特點。 硬件相關性：

9、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。1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成（13）2 中間層（續(xù)2） 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（1）嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化以及BSP功能（2）設計硬件相關的設備驅動。1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成（14）2 中間層（續(xù)3）（1）嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化以及BSP功能 系統(tǒng)初始化過程可以分

10、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。1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成（15)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。1.2 嵌入式系統(tǒng)

11、的組成（16）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。最后，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。1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成（17）2 中間層（續(xù)）（2）設計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將它們與操

12、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)。1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成（18）3 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。1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成（19）3 軟件層（續(xù)1）（1）嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded Operation System，EOS）

13、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，已推出了一些應用比較成功的EOS產品系列。1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成（20）3 軟件層（續(xù)2）（2）嵌入式文件系統(tǒng)嵌入式文件系統(tǒng)比較簡單，主要提供文件存儲、檢索和更新等功能，一般不提供保護和加密等安全機制。它以系統(tǒng)調用和命令方式提供文件的各種操作，主要有設置、修改對文件和目錄的存取權限；提供建立、修改、改變和刪除目錄等服務；提供創(chuàng)建、打開、讀寫、關閉和撤銷文件等服務。1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成（21）嵌入式文件系統(tǒng)還具有以下特點：兼容性。嵌入式文件系統(tǒng)通

14、?？梢灾С侄喾N標準的文件系統(tǒng)，如FAT32、JFFS2、YAFFS等。實時文件系統(tǒng)。除支持標準的文件系統(tǒng)外，為提高實時性，有些嵌入式文件系統(tǒng)還支持自定義的實時文件系統(tǒng)，這些文件系統(tǒng)一般采用連續(xù)的方式存儲文件?？刹眉簟⒖膳渲?。根據嵌入式系統(tǒng)的要求選擇所需的文件系統(tǒng)，選擇所需的存儲介質，配置可同時打開的最大文件數等。1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成（22）支持多種存儲設備。嵌入式系統(tǒng)的外存形式多樣，嵌入式文件系統(tǒng)需方便地掛接不同存儲設備的驅動程序，具有靈活的設備管理能力。同時根據不同外部存儲器的特點，嵌入式文件系統(tǒng)還需要考慮其性能、壽命等因素，發(fā)揮不同外存的優(yōu)勢，提高存儲設備的可靠性和使用壽命。1.2 嵌

15、入式系統(tǒng)的組成（23）3 軟件層（3）嵌入式圖形用戶接口圖形用戶界面或圖形用戶接口（Graphical User Interface，GUI）的廣泛應用是當今計算機發(fā)展的重大成就之一，它極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們從此不再需要死記硬背大量的命令，取而代之的是通過窗口、菜單、按鍵等方式來方便地進行操作。而嵌入式GUI具有下面幾個方面的基本要求：輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特點。1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成（24）3 軟件層（3）嵌入式圖形用戶接口（續(xù)） 嵌入式系統(tǒng)中的圖形界面一般使用以下幾種方法實現：針對特定的圖形設備輸出接口，自行開發(fā)相關的功能函數；購買針對特定嵌入

16、式系統(tǒng)的圖形中間軟件包；采用源碼開放的嵌入式GUI系統(tǒng)；使用獨立軟件開發(fā)商提供的嵌入式GUI產品。1.3 嵌入式處理器簡介 嵌入式處理器是嵌入式系統(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，從最初的位處理器，目前仍在大規(guī)模應用的8位單片機，到最新的受到廣泛青睞的32位、64位嵌入式CPU。 目前，世界上具有嵌入式功能特點的處理器已經超過1000種，流行體系結構包括MCU、MPU等30多個系列。鑒于嵌入式系統(tǒng)廣闊的發(fā)展前景，很多半導體制造商都大規(guī)模生產嵌入式處理器，并且公司自主設計處理器也已經成為了未來嵌入式領域的一大趨勢，其中從單片機、DSP到FPGA，有著各式各樣的品種，速度越來

17、越快，性能越來越強，價格也越來越低。目前嵌入式處理器的尋址空間可以從64KB到1GB，處理速度最快可以達到2000 MIPS，封裝從8個引腳到324個引腳（如TI的ARM Cortex A8 AM335x）不等?；乇菊履夸?.3 嵌入式處理器簡介（1）1嵌入式微處理器 嵌入式微處理器（Micro Processor Unit，MPU）是由通用計算機中的CPU演變而來的。它的特征是具有32位以上的處理器，具有較高的性能，當然其價格也相應較高。但與計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應用中，只保留和嵌入式應用緊密相關的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現嵌入式應用的特殊要求

18、。和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點。目前主要的嵌入式處理器類型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/StrongARM/ARM Cortex系列等。其中ARM/StrongARM/ARM Cortex是專為手持設備開發(fā)的嵌入式微處理器，屬于中檔的價位。1.3 嵌入式處理器簡介（2）2嵌入式微控制器 嵌入式微控制器（Micro Controller Unit，MCU）的典型代表是單片機，從70年代末單片機的出現到今天，雖然已經經過了30多年的歷史，但這種8位的電子器件目前在嵌入式設備中仍然有著極

19、其廣泛的應用。單片機芯片內部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設。和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從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統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。1.3 嵌入式處理器簡介（3）2嵌入式微控制器（續(xù)） 由于MCU低廉的價格，優(yōu)良的功能，所以擁有的品種和數量最多，比較有代表性的包括MCS-51、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、

20、C166/167、68K、ARM Cortex M3系列以及 MCU 8XC930/931、C540、C541，并且有支持IIC、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU約占嵌入式系統(tǒng)70的市場份額。近來Atmel出產的AVR單片機由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性價比，勢必將推動單片機獲得更高的發(fā)展。1.3 嵌入式處理器簡介3嵌入式DSP處理器 嵌入式DSP處理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結構和指令算法方面進行了特殊設計，具有很高的編譯效率和指令的執(zhí)行速度。在數字濾波、

21、FFT、譜分析等各種儀器上，EDSP獲得了大規(guī)模的應用。 DSP的理論算法在70年代就已經出現，但是由于專門的DSP處理器還未出現，所以這種理論算法只能通過MPU等由分立元件實現。MPU較低的處理速度無法滿足DSP的算法要求，其應用領域僅僅局限于一些尖端的高科技領域。隨著大規(guī)模集成電路技術發(fā)展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片，其運算速度比MPU快了幾十倍，在語音合成和編/解碼器中得到了廣泛應用。1.3 嵌入式處理器簡介（4）3嵌入式DSP處理器（續(xù)） 至80年代中期，隨著CMOS技術的進步與發(fā)展，第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應運而生，其存儲容量和運算速度都得到成倍提高，成為語音處理

22、、圖像硬件處理技術的基礎。到80年代后期，DSP的運算速度進一步提高，應用領域也從上述范圍擴大到了通信和計算機方面。90年代后，DSP發(fā)展到了第五代產品，集成度更高，使用范圍也更加廣闊。 目前，應用最為廣泛的是TI的TMS320C2000/C5000 /6000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應用范圍。1.3 嵌入式處理器簡介（5）4SoC片上系統(tǒng) SoC（System on Chip）片上系統(tǒng)追求產品系統(tǒng)最大包容的集成器件，是目前嵌入式應用領域的熱門話題之一。SoC最大的特點是成功實現了軟/硬件無縫結合，直接在處理器片內嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。

23、而且SoC具有極高的綜合性，在一個硅片內部運用VHDL等硬件描述語言，實現一個復雜的系統(tǒng)。用戶不需要再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設計一樣，繪制龐大復雜的電路板，一點點地連接焊制，只需要使用精確的語言，綜合時序設計直接在器件庫中調用各種通用處理器的標準，然后通過仿真之后就可以直接交付芯片廠商進行生產。由于絕大部分系統(tǒng)構件都是在系統(tǒng)內部，整個系統(tǒng)就特別簡潔，不僅減小了系統(tǒng)的體積和功耗，而且提高了系統(tǒng)的可靠性，提高了設計生產效率。1.3 嵌入式處理器簡介（6）4SoC片上系統(tǒng)（續(xù)） 由于SoC往往是專用的，所以大部分都不為用戶所知，比較典型的SoC產品是Philips的Smart XA，少數通用系列如Siemen

24、s的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯合研制的Neuron芯片等。 預計在不久的將來，一些大的芯片公司將通過推出成熟的、能占領多數市場的SoC芯片，一舉擊退競爭者。SoC芯片也將在聲音、圖像、影視、網絡及系統(tǒng)邏輯等應用領域中發(fā)揮重要的作用。1.4 嵌入式系統(tǒng)應用 嵌入式系統(tǒng)是數字化產品的核心，制造工業(yè)、過程控制、通信、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產品等均是嵌入式計算機的應用領域。1消費類電子產品 消費類電子產品是指這樣一些電子設備，它們能提供信息服務或通過網絡系統(tǒng)交互信息，同時，簡單易用、價格低廉、維護

25、簡便?；乇菊履夸?.4 嵌入式系統(tǒng)應用（1）1消費類電子產品（續(xù)） 在后PC時代，計算機將無處不在，家用電器將向數字化和網絡化發(fā)展，電視機、電冰箱、微波爐、電話機等都將嵌入計算機，并通過家庭控制中心與Internet連接，轉變?yōu)橹悄芫W絡家電，還可以實現遠程醫(yī)療、遠程教育等。目前，智能小區(qū)的發(fā)展為機頂盒打開了市場，機頂盒將成為網絡終端，它不僅可以使模擬電視接收數字電視節(jié)目，而且可以上網、炒股、點播電影，實現交互式電視，依靠網絡服務器提供各種服務。嵌入式系統(tǒng)為信息家電（網絡冰箱、機頂盒、家庭網關、數字機頂盒等）的實現提供了可能和廣闊的技術前景，嵌入式應用如圖1-3所示。1.4 嵌入式系統(tǒng)應用（2）

26、1消費類電子產品1.4 嵌入式系統(tǒng)應用（3）2移動計算設備 移動計算設備包括手機、PDA、掌上電腦等各種移動設備。中國擁有最大的手機用戶，而掌上電腦和PDA等因為易于使用、攜帶方便、價格便宜而得到了快速發(fā)展，PDA與手機已呈現融合趨勢。用掌上電腦或PDA上網，人們可以隨時隨地獲取信息。 新的手持設備將使無線互聯訪問成為更加普遍的現象。與互聯網連接，結合音頻應用，如MP3、MP4功能，將會促使移動計算設備市場創(chuàng)造新的銷售記錄。整合手機模塊，為移動計算設備提供語音功能，也將是大勢所趨。1.4 嵌入式系統(tǒng)應用（4）3網絡設備 設計和制造嵌入式瘦服務器、嵌入式網關和嵌入式因特網路由器已成為嵌入式Int

27、ernet時代的關鍵和核心技術。其中包括路由器、交換機等各種網絡設備?；贚inux等的網絡設備價格低廉，將為企業(yè)提供更為廉價的網絡方案。美國貝爾實驗室預測：在這階段“將會產生比PC時代多成百上千倍的瘦服務器和超級嵌入式瘦服務器，這些瘦服務器將與我們這個世界任何物理信息、生物信息相連接，通過Internet自動、實時、方便、簡單地提供給需要這些信息的對象”。1.4 嵌入式系統(tǒng)應用（5）4工控、仿真、醫(yī)療儀器等 工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、國防等各部門對智能控制需求的不斷增長，同時也對嵌入式微處理器的運算速度、可擴充能力、系統(tǒng)可靠性、功耗和集成度等方面提出了更高的要求，如工業(yè)過程控制、數字機床、電力系統(tǒng)、電

28、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、16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。 我國工業(yè)生產需要完成的智能化、數字化改造和自動控制等工作為嵌入式系統(tǒng)提供了很大的市場，而且工控、仿真、數據采集、軍用領域一般都要求操作系統(tǒng)支持實時工作。1.5 嵌入式系統(tǒng)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，從中我們可以看出未來嵌入式系統(tǒng)的幾大發(fā)展趨勢。回本章目錄1.5 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢（1）1小型化、信息化、網絡化、可視化 網絡化、信息

29、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，如電話機、手機、電冰箱、微波爐等功能不再單一，結構變得更加復雜，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。在軟件方面，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。網絡互連成為必然趨勢，特別是移動互聯網、物聯網的發(fā)

30、展。1.5 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢（2）1小型化、信息化、網絡化、可視化（續(xù)） 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協議，還支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA等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議軟件和物理層驅動軟件。在軟件方面，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。1.5 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢（3）2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

31、/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，利用最低的資源實現最適當的功能，這就要求設計者選用最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，又需要掌握嵌入式軟件技術，如Java、Web和WAP等。1.5 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢（4）3開發(fā)平臺化、軟件標準化，云計算、透明計算、可重構、虛擬化、多核技術 嵌入式操作系統(tǒng)將進一步走向開放，即開源、標準化、組件化。嵌入式軟件開發(fā)平臺化將是今后的一個發(fā)展趨勢，最終實現嵌入式軟件開發(fā)簡單化。系統(tǒng)可升級，代碼重用技術在嵌入式系統(tǒng)中得到更多的應用。多核技術可使嵌入式計

32、算的功能更強大。 可重構性是指在一個系統(tǒng)中，其硬件模塊或（和）軟件模塊均能根據變化的數據流或控制流對系統(tǒng)結構和算法進行重新配置（或重新設置）。可重構系統(tǒng)最突出的優(yōu)點是能夠根據不同的應用需求，改變自身的體系結構，以便與具體的應用需求相匹配。1.5 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢（5）3開發(fā)平臺化、軟件標準化，云計算、透明計算、可重構、虛擬化、多核技術 虛擬化是指計算機軟件在虛擬的基礎上而不是真實的基礎上運行。虛擬化技術可以擴大硬件的容量，簡化軟件的重新配置過程。CPU的虛擬化技術可以單CPU模擬多CPU并行，允許一個平臺同時運行多個操作系統(tǒng)，并且應用程序都可以在相互獨立的空間內運行而互不影響，從而顯著提高計

33、算機的工作效率。虛擬化技術是降低多內核處理器系統(tǒng)開發(fā)成本的關鍵。 云計算是分布式處理、并行處理和網格計算的發(fā)展，或者說是這些計算機科學概念的商業(yè)實現。它的核心是海量數據的存儲和計算，特別強調虛擬化技術的應用。簡言之，云計算就是一種依托Internet的超級計算模型，將巨大的資源聯系在一起為用戶提供各種IT服務。1.5 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢（6）4人機交互友好化 嵌入式設備能與用戶親密接觸，最重要的因素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像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、

34、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。目前一些先進的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。1.5 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢（7）5產品功能融合 嵌入式系統(tǒng)軟/硬件融為一體，同一個產品的具有多種功能是嵌入式發(fā)展的一個趨勢，例如手機除具有通話功能外還具有照相、MP4、上網、GPS導航等多種功能。1.5 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢（8）6安全性 隨著嵌入式和互聯網技術的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)安全信息安全日趨重要，如路由器、網絡存儲設備的安全性，入侵檢測、防信息泄漏、后門發(fā)現和漏洞分析，加/解密設備和芯片，安全協議，公鑰基礎結構（PKI）系統(tǒng)

35、，組合公鑰（CPK）系統(tǒng)，安全支付系統(tǒng)，電子防偽系統(tǒng)以及網絡安全監(jiān)控系統(tǒng)，虛擬專用網和無線網絡領域的安全監(jiān)管，等級保護管理，可信計算技術，網絡安全預警系統(tǒng)，內容安全和網絡容災，信息系統(tǒng)安全、保障云計算、物聯網、新一代信息網絡以及面向三網融合的安全性，多媒體內容監(jiān)管等都是嵌入式的應用領域。1.6 物聯網與嵌入式系統(tǒng) 物聯網這個概念，在中國早在1999年就提出來了，當時稱為傳感網。其定義是：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，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡概念。“物聯網概念”是

36、在“互聯網概念”的基礎上，將其用戶端延伸和擴展到任何物品與物品之間，進行信息交換和通信的一種網絡概念。回本章目錄1.6 物聯網與嵌入式系統(tǒng)（1） 2009年9月，在北京舉辦的“物聯網與企業(yè)環(huán)境中歐研討會”上，歐盟委員會信息和社會媒體司RFID部門負責人Lorent Ferderix博士給出了歐盟對物聯網的定義：物聯網是一個動態(tài)的全球網絡基礎設施，它具有基于標準和互操作通信協議的自組織能力，其中物理的和虛擬的“物”具有身份標識、物理屬性、虛擬的特性和智能的接口，并與信息網絡無縫整合。物聯網將與媒體互聯網、服務互聯網和企業(yè)互聯網一道，構成未來的互聯網。1.6 物聯網與嵌入式系統(tǒng)（2） 和傳統(tǒng)的互聯

37、網相比，物聯網有其鮮明的特征。（1）它是各種感知技術的廣泛應用。物聯網上部署了海量的多種類型傳感器，每個傳感器都是一個信息源，不同類別的傳感器所捕獲的信息內容和信息格式不同。傳感器獲得的數據具有實時性，按一定的頻率周期性地采集環(huán)境信息，不斷更新數據。1.6 物聯網與嵌入式系統(tǒng)（3）（2）它是一種建立在互聯網上的泛在網絡。物聯網技術的重要基礎和核心仍舊是互聯網，通過各種有線和無線網絡與互聯網融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去。在物聯網上的傳感器定時采集的信息需要通過網絡傳輸，由于其數量極其龐大，形成了海量信息，在傳輸過程中，為了保障數據的正確性和及時性，必須適應各種異構網絡和協議。1.6 物聯

38、網與嵌入式系統(tǒng)（4）（3）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。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。1.6 物聯網與嵌入式系統(tǒng)（5）物聯網中的“物”要滿足以下條件： 要有數據傳輸通路； 要有一定的存儲功能； 要有CPU； 要有操作系統(tǒng)； 要有專門的應用程序； 遵循物聯網的通信協議； 在世界網絡中有可被識別的唯一編號。1.6 物聯網與嵌入式系統(tǒng)（6）物聯網3個源頭： 物聯網有3個源頭，即智慧源頭

39、、網絡源頭、物聯源頭。智慧源頭是微處理器，網絡源頭是互聯網，物聯源頭是嵌入式應用系統(tǒng)的4個通道接口。與物理參數相連的是前向通道的傳感器接口；與物理對象相連的是后向通道的控制接口；實現人物交互的是人機交互接口；實現物物交互的是通信接口。物聯網系統(tǒng)的基本特點是“三化兩性”，即無人化、自動化、智慧化、實時性與無限性。1.6 物聯網與嵌入式系統(tǒng)（7） 物聯網的實現需要用到嵌入式技術，嵌入式系統(tǒng)作為“物聯網”的核心，是當前最熱門最有前景的IT應用領域之一。物聯網其實就是把所有的物體都連在網絡上，這些就要通過嵌入式系統(tǒng)來實現。物聯網的物聯源頭是嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)誕生于嵌入式處理器，距今已有30多年的歷

40、史。早期經歷過電子技術領域獨立發(fā)展的單片機時代，進入21世紀，才進入多學科支持下的嵌入式系統(tǒng)時代。從誕生之日起，嵌入式系統(tǒng)就以“物聯”為己任，具體表現為：嵌入到物理對象中，實現物理對象的智能化。1.7 嵌入式開發(fā)工具1.7.1 軟件開發(fā)工具1.7.2 硬件開發(fā)工具回本章目錄1.7 嵌入式開發(fā)工具 根據功能的不同，ARM應用軟件的開發(fā)工具分別有編譯軟件、匯編軟件、鏈接軟件、調試軟件、嵌入式實時操作系統(tǒng)、函數庫、評估板、JTAG仿真器和在線仿真器等。當用戶選用ARM處理器開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時，選擇合適的開發(fā)工具可以加快開發(fā)的速度，節(jié)省開發(fā)成本。因此，一套含有編輯軟件、編譯軟件、匯編軟件、鏈接軟件、調試

41、軟件、工程管理及函數庫的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）一般來說是必不可少的。至于嵌入式實時操作系統(tǒng)和評估板等其他開發(fā)工具，則可以根據應用軟件規(guī)模和開發(fā)計劃來選用?；乇竟?jié)目錄1.7 嵌入式開發(fā)工具（續(xù)） 使用集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)基于ARM的應用軟件，包括編輯、編譯、匯編、鏈接等工作全部在PC上均可完成。調試工作需要配合其他模塊或產品才能完成。目前常用的開發(fā)工具有ARM SDT、ARM ADS、Multi2000、TRACE32-ICD、Hitools for ARM、Embedded IDE for ARM等集成開發(fā)環(huán)境，EPI公司的JEENI、ARM公司的Multi-ICE等 JTAG仿真器，也可以選擇開

42、放源代碼的GNU工具。因為實時在線仿真器的價格昂資的原因，所以在軟件開發(fā)中很少使用。本部分以軟件開發(fā)工真和硬件開發(fā)工具類兩大部分介紹了常用的ARM SDT、ARM ADS、GNU開發(fā)工具、JEENI和Multi-ICE。1.7 嵌入式開發(fā)工具1.7.1 軟件開發(fā)工具1ARM SDT ARM SDT是ARM公司為方便用戶在ARM芯片上進行應用軟件開發(fā)而推出的一套集成開發(fā)工具。ARM SDT經過ARM公司逐年的維護和更新，目前的最新版本是2.5.2，但從版本2.5.1開始，ARM公司宣布推出二套新的集成開發(fā)工具ARM ADS 1.0，取而代之ARM SDT。今后將不會看到ARM SDT的新版本。

43、ARM SDT由于價格適中，同時經過長期的推廣和普及，目前擁有廣泛的ARM軟件開發(fā)用戶群體；也被相當多ARM公司的第三方開發(fā)工具合作伙伴集成到自己的產品中，如美國EPI公司的JEENI仿真機。 ARM SDT可在Windows95/98/NT、Solaris2.5/2.6和HP-UX 10上運行，支持最高到ARKM9的所有處理器（包括StrongARM）。1.7 嵌入式開發(fā)工具1.7.1 軟件開發(fā)工具（續(xù)）2ARM ADS ARM ADS是ARM公司推出的新一代ARM集成開發(fā)工具，用來取代ARM SDT，它是一種快速而節(jié)省成本的完整軟件開發(fā)解決方案，最新版本為1.2.1。 ARM ADS起源于

44、ARM SDT，它對SDT的模塊進行了增強，并替換了一些SDT的組成部分。用戶可以感受到的最大的變化是：ADS使用CodeWarrior IDE集成開發(fā)環(huán)境代替了SDT的APM，使用AXD替換了ADW?，F成集成開發(fā)環(huán)境的一些基本特性在ADS中才得以體現，如源文件編輯器語法高亮和窗口駐留等功能等。 ARM ADS支持ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、StrongARM和XScale系列處理器。除了SDT支持的操作系統(tǒng)外，還可以在Windows2000/XP和RedHat Linux 6-2/7.1上運行。1.7 嵌入式開發(fā)工具1.7.1 軟件開發(fā)工具（續(xù)）3GNU開發(fā)工具 隨著Linu

45、x操作系統(tǒng)和GNU開轟工具的普及，針對不同處理器的開放源代碼開發(fā)工具也給用戶提供了一個廉價的選擇，對于嵌入式Linux開發(fā)者，可以選用GNU開發(fā)工具。 運行于Linux操作系統(tǒng)下的自由軟件GNU gcc編譯器，不僅可以編譯Linux操作系統(tǒng)下運行的應用程序、編譯Linux本身，還可以進行交叉編譯，編譯運行于其他CPU上的程序。可以進行交叉編譯的CPU（或DSP）涵蓋了幾乎所有知名廠商的產品。用于嵌入式應用的、眾所周知的CPU包括：Intel的i386、Intel i960、AMD29K、ARM、MIPS、M68K、ColdFire、PowerPC、68HC11/12、TI的TMS320，等等。1.7