1.2 嵌入式系統(tǒng)的定義與特點(diǎn)

1.2.1 嵌入式系統(tǒng)的定義

按照歷史性、本質(zhì)性、普遍性要求，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)定義為：“嵌入到對象體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。嵌入性、專用性與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的3個基本要素。對象系統(tǒng)則是指嵌入式系統(tǒng)所嵌入的宿主系統(tǒng)。

IEEE（美國電氣和電子工程師協(xié)會）的定義是：嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置”（devices used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plants）。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。

而目前在國內(nèi)最常見、最通用的一個定義是：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這個定義是從技術(shù)角度來進(jìn)行定義的，更加全面。它不僅指明了嵌入式系統(tǒng)是一種專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（非PC的智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)），而且還說明了嵌入式系統(tǒng)的幾個基本要素。嵌入式系統(tǒng)中的“嵌入”一詞，即指其軟硬件可裁剪性，也表示該系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個完整的部分。嵌入的系統(tǒng)中可以共存多個嵌入式系統(tǒng)。

另外，在理解嵌入式系統(tǒng)的定義時，不要與嵌入式設(shè)備相混淆。嵌入式設(shè)備是指內(nèi)部有嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品、設(shè)備和裝置等，是指嵌入式系統(tǒng)所嵌入的宿主系統(tǒng)。例如，內(nèi)含單片機(jī)系統(tǒng)的家用電器、儀器儀表、工控單元、機(jī)器人、手機(jī)、PDA、MP3/MP4、PLC等。

1.2.2 嵌入式系統(tǒng)組成

嵌入式系統(tǒng)是專用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，它具有一般計(jì)算機(jī)組成的共性，也是由硬件和軟件組成的。圖1.1完整地描述了嵌入式系統(tǒng)的軟硬件各部分的組成結(jié)構(gòu)。輸入系統(tǒng)獲取外界信息，傳輸給嵌入式處理器進(jìn)行處理，處理后發(fā)出指令，輸出系統(tǒng)接收到指令后進(jìn)行動作。輸入系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)可以很簡單，如溫控系統(tǒng)在感知溫度變化后需要使用繼電器動作；也可能很復(fù)雜，如機(jī)器人的手臂，輸入系統(tǒng)有幾十個傳感器，輸出系統(tǒng)則有近十個伺服電機(jī)，可以執(zhí)行復(fù)雜的動作。

嵌入式系統(tǒng)硬件的組成可以簡單地分為嵌入式處理器、存儲器和輸入/輸出系統(tǒng)。實(shí)際上，由于超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，很多單片的嵌入式處理器中都含有豐富的資源。目前，一片嵌入式處理器加上電源電路、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。軟件中的系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序都可以存放在存儲器中。

1.2.3 嵌入式系統(tǒng)中的有關(guān)概念

1.嵌入式處理器

嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部件，是控制、輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單元，其范圍極其廣闊，從最初的4位處理器，目前仍在大規(guī)模應(yīng)用的8位處理器，到最新的受到廣泛青睞的32位、64位嵌入式處理器。

2.實(shí)時操作系統(tǒng)

實(shí)時操作系統(tǒng)（Real Time Operating System，RTOS）是嵌入式系統(tǒng)中最主要的組成部分。根據(jù)操作系統(tǒng)的工作特性，實(shí)時是指物理進(jìn)程的真實(shí)時間。實(shí)時操作系統(tǒng)具有實(shí)時性，是能從硬件方面支持實(shí)時控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。其中實(shí)時性是第一要求，需要調(diào)度一切可利用的資源完成實(shí)時控制任務(wù)，其次才著眼于提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的使用效率，重要特點(diǎn)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(qiáng)項(xiàng)在于多任務(wù)的管理，而實(shí)時操作系統(tǒng)的重要特點(diǎn)是具有系統(tǒng)的可確定性，即系統(tǒng)能對運(yùn)行情況的最好和最壞等情況做出精確的估計(jì)。

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(jī)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(shí)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)之間切換所使用的時間。

中斷延遲（Interrupt latency）：計(jì)算機(jī)接收到中斷信號到操作系統(tǒng)做出響應(yīng)，并轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序的時間。

6.實(shí)時操作系統(tǒng)的工作狀態(tài)

實(shí)時操作系統(tǒng)中的任務(wù)有4種狀態(tài)：運(yùn)行（Executing）、就緒（Ready）、掛起（Suspended）、休眠（Dormant）。

運(yùn)行：獲得CPU控制權(quán)。

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

掛起：任務(wù)發(fā)生阻塞，移出任務(wù)等待隊(duì)列，等待系統(tǒng)實(shí)時事件的發(fā)生而喚醒，從而轉(zhuǎn)為就緒或運(yùn)行。

休眠：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)處于運(yùn)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)。

1.2.4 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)包括嵌入式硬件系統(tǒng)與嵌入式軟件系統(tǒng)，是軟硬件兩者的綜合體。

嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)與定義不同，它是由定義中的3個基本要素衍生出來的。不同的嵌入式系統(tǒng)其特點(diǎn)會有所差異。

與“嵌入性”相關(guān)的特點(diǎn)：由于是嵌入到對象系統(tǒng)中的，因此必須滿足對象系統(tǒng)的環(huán)境要求，如物理環(huán)境（小型）、電氣環(huán)境（可靠）、成本（價廉）等要求。

與“專用性”相關(guān)的特點(diǎn)：軟硬件的裁剪性；滿足對象要求的最小軟硬件配置等。

與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”相關(guān)的特點(diǎn)：嵌入式系統(tǒng)必須是能滿足對象系統(tǒng)控制要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。與上面兩個特點(diǎn)相呼應(yīng)，這樣的計(jì)算機(jī)必須配置有與對象系統(tǒng)相適應(yīng)的接口電路。

嵌入式系統(tǒng)是嵌入式硬件與嵌入式軟件兩者的綜合體，其主要特點(diǎn)具體描述如下。

1.嵌入式系統(tǒng)通常極其關(guān)注成本

嵌入式系統(tǒng)必須能根據(jù)特定應(yīng)用的需求對軟硬件進(jìn)行裁剪，以滿足應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積等的要求。

在大多數(shù)情況下，需要注意的成本是系統(tǒng)成本。處理器成本固然是一個因素，但是如果采用高度集成的微控制器（Microcontroller Unit，MCU），而不是微處理器（Microprocessing Unit，MPU）和獨(dú)立外設(shè)器件的組合，就能減小印制電路板的面積，減少所使用器件的個數(shù)，降低對電源輸出功率的要求，這些都可降低器件的總成本、生產(chǎn)管理和裝配成本、產(chǎn)品調(diào)試成本。同時也可提高產(chǎn)品的可靠性，降低產(chǎn)品的維護(hù)成本。

2.嵌入式系統(tǒng)通常對實(shí)時性有要求

嵌入式系統(tǒng)一般對程序執(zhí)行時間的要求都較高，故稱之為實(shí)時系統(tǒng)。實(shí)時系統(tǒng)一般分為兩類：軟實(shí)時系統(tǒng)和硬實(shí)時系統(tǒng)。硬實(shí)時系統(tǒng)要求相關(guān)任務(wù)（時間關(guān)鍵性的任務(wù)）必須在某個時間間隔內(nèi)完成，一旦響應(yīng)時間不能滿足，就可能會引起系統(tǒng)崩潰或致命的錯誤；而軟實(shí)時系統(tǒng)的任務(wù)為時間敏感性任務(wù)，若響應(yīng)時間不能滿足，一般不會引起非常嚴(yán)重的后果。

3.嵌入式系統(tǒng)一般采用EOS或RTOS

為使程序能滿足系統(tǒng)功能的要求，在必須保證程序邏輯正確性的同時，響應(yīng)時間也必須達(dá)到系統(tǒng)的要求。對于功能較為復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)而言，控制響應(yīng)時間是程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。而這對程序員來說，往往很難駕馭或?qū)崿F(xiàn)起來相當(dāng)困難。因此，此類系統(tǒng)一般采用嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded Operation System，EOS）來管理系統(tǒng)的硬件資源和時間資源。對于實(shí)時系統(tǒng)，應(yīng)采用具有實(shí)時特性的嵌入式操作系統(tǒng)——實(shí)時操作系統(tǒng)（Real Time Operation System，RTOS）。另外，使用操作系統(tǒng)也可縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

對于功能較簡單的小型電子裝置，可以不采用操作系統(tǒng)，而由應(yīng)用軟件來直接管理系統(tǒng)的硬件資源和時間資源。

4.嵌入式系統(tǒng)軟件故障造成的后果較通用計(jì)算機(jī)更為嚴(yán)重

嵌入式系統(tǒng)必須盡量減少軟件的瞬時故障（軟故障），嵌入式系統(tǒng)一般都采用一些保障機(jī)制，例如看門狗定時器（Watch Dog Timer，WDT），來提高系統(tǒng)的可靠性。

5.嵌入式系統(tǒng)多為低功耗系統(tǒng)

許多嵌入式系統(tǒng)沒有充足的電能供應(yīng)（如采用電池供電），而且功耗越小，散熱越容易、系統(tǒng)溫升越低，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性越高。

6.嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常在極端惡劣的環(huán)境下運(yùn)行

極端惡劣的環(huán)境一般意味著嚴(yán)酷的溫度與很高的濕度，特殊場合下使用的嵌入式系統(tǒng)必須還要考慮防震、防塵、防水、防電磁干擾等問題。集成電路芯片分為商業(yè)級、工業(yè)級和軍品級，嵌入式系統(tǒng)一般應(yīng)選工業(yè)級或軍品級嵌入式處理器和外圍電路。

7.嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)資源與通用計(jì)算機(jī)相比是非常少的

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(jì)及實(shí)現(xiàn)上過于復(fù)雜。這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，另一方面也利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全。

嵌入式系統(tǒng)的個性化很強(qiáng)，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)行操作系統(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。

針對不同的任務(wù)，往往需要對系統(tǒng)進(jìn)行較大的更改，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”是完全不同的概念。

8.嵌入式系統(tǒng)通常在ROM中存放所有程序的目標(biāo)代碼

幾乎所有的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都要在ROM中存放部分代碼（如PC中的BIOS是存放在FLASH ROM中的），而多數(shù)嵌入式系統(tǒng)必須把所有的代碼都存放在ROM中。這意味著對存放在ROM中的代碼長度有極嚴(yán)格的限制。除此之外，由于ROM的讀取速度比RAM的要低，有時為提高系統(tǒng)性能，將程序從ROM移至RAM運(yùn)行。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件和軟件時應(yīng)考慮此問題。

9.嵌入式系統(tǒng)可采用多種類型的處理器和處理器體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)所采用的處理器確定了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（包括系統(tǒng)硬件的組成和指令系統(tǒng)），可選擇的處理器有微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）等，還可選擇片上系統(tǒng)（System on Chip，SoC）。

10.嵌入式系統(tǒng)需要專用開發(fā)工具和方法進(jìn)行設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具通常由軟件和硬件組成。軟件包括交叉編譯器、模擬器、調(diào)試器、集成開發(fā)環(huán)境（Integrated Development Environment，IDE）等；硬件包括ROM仿真器、在線仿真器（In-Circuit Emulator，ICE）、在線調(diào)試器（In-Circuit Debugger，ICD）、片上調(diào)試器（On-Chip Debugger，OCD）等。

11.嵌入式處理器包含專用調(diào)試電路

當(dāng)今，嵌入式處理器較過去的嵌入式處理器，其最大區(qū)別是在處理器中包含有專用調(diào)試電路，具有片上調(diào)試電路的嵌入式處理器很好地解決了嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試問題。

1.2.5 嵌入式系統(tǒng)的種類與發(fā)展

按照上述嵌入式系統(tǒng)的定義，只要滿足定義中三要素（嵌入性、專用性與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，都可稱為嵌入式系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)的種類按形態(tài)可分為設(shè)備級（工控機(jī)）、板級（單板、模塊）、芯片級（MCU、SoC）。

嵌入式系統(tǒng)的種類按應(yīng)用可分為工業(yè)應(yīng)用和消費(fèi)電子。

需要注意的是，嵌入式處理器不是嵌入式系統(tǒng)，嵌入式處理器只是嵌入式硬件系統(tǒng)中的CPU芯片，類似于PC主板上的CPU。只有在將嵌入式處理器和外圍硬件接口電路構(gòu)成一個嵌入式硬件系統(tǒng)，并寫入軟件作為嵌入式應(yīng)用時，這樣的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)才可稱為嵌入式系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)與對象系統(tǒng)密切相關(guān)，其主要技術(shù)發(fā)展方向是滿足嵌入式應(yīng)用要求，不斷擴(kuò)展對象系統(tǒng)要求的外圍電路（如ADC、DAC、PWM、日歷時鐘、電源監(jiān)測、程序運(yùn)行監(jiān)測電路等），形成滿足對象系統(tǒng)要求的應(yīng)用系統(tǒng)。因此，嵌入式系統(tǒng)作為一個專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，要不斷向計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展。因此，可以把嵌入式系統(tǒng)定義中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)引伸到滿足對象系統(tǒng)要求的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。