1.1　Android嵌入式系統概述

1.1.1　嵌入式系統定義

Android是一款以Linux為基礎的開源移動設備操作系統，一直由Google公司領導和開發。Google對于Android系統所持有的開放態度，令Android系統一經發布就風靡全球。Google于2007年11月5日正式發布Android系統，該平臺由操作系統、中間件、用戶界面和應用軟件組成，是首個為移動終端打造的真正開放的和完整的移動設備軟件。2012年11月數據顯示，Android占據全球智能手機操作系統市場的76%，在中國市場的占有率為90%。據2013年數據顯示，全世界采用這款系統的設備數量已經達到10億臺。

這里所說的Android系統，是基于Linux內核發展起來的嵌入式操作系統。Android系統基于Linux內核所做的改進將在后續章節進行詳細介紹。

本章將詳細介紹嵌入式系統，主要涉及Android系統所運行的平臺、處理器芯片以及相關的技術。

1.什么是嵌入式系統

嵌入式系統（Embedded System）是一種完全嵌入受控器件內部、為特定應用而設計的專用計算機系統。嵌入式系統的本質就是計算機系統，因而它也是由軟件以及硬件構成的。與普通計算機不同，嵌入式系統通常僅擁有非常有限的硬件資源，這種配置使它們的成本大幅下降，但也對軟件的優化提出更高的要求。嵌入式系統一般運行固定的程序或固定的操作系統，再加上可變的應用程序。有些為工業系統，僅用于某個特定的控制目的；有些因為有應用程序的加入而更顯靈活，一般用于手機、平板電腦。如圖1-1所示。

第一個被大家認可的現代嵌入式系統是麻省理工學院儀器研究室的查爾斯·斯塔克·德雷珀開發的阿波羅導航計算機。在兩次月球飛行中，太空駕駛艙和月球登陸艙都使用了這種慣性導航系統。在計劃中剛開始的時候，阿波羅導航計算機被認為是阿波羅計劃中風險最大的部分。為了減小尺寸和重量而使用的當時最新的單片集成電路，這更加大了阿波羅計劃的風險。第一款大批量生產的嵌入式系統是美國軍方于1961年發布的民兵I導彈上的D-17自動導航控制計算機。它是由獨立的晶體管邏輯電路構成的，并帶有一個作為主內存的硬盤。當民兵II導彈在1966年開始生產的時候，D-17由第一次使用大量集成電路的更新計算機所替代。僅這個項目就將與非門集成電路模塊的價格從每個1000美元降低到了每個3美元，使集成電路的商用成為可能。民兵導彈的嵌入式計算機有一個重要的設計特性：它能夠在項目后期對制導算法重新編程以獲得更高的制導精度，并且能夠使用計算機測試導彈，從而減輕測試所用的電纜和接頭的重量。這些20世紀60年代的早期應用使嵌入式系統得到了長足發展，它的價格開始下降，同時處理能力和功能獲得了巨大的提高。

英特爾4004是第一款微處理器，它在計算器和其他小型系統中找到了用武之地。但是，它仍然需要外部存儲設備和外部支持芯片。1978年，美國國家工程制造商協會（NEMA）發布了可編程單片機的“標準”，包括幾乎所有以計算機為基礎的控制器，如單片機、數控設備，以及基于事件的控制器。隨著單片機和微處理器價格的下降，使一些消費性產品用單片機的數字電路取代昂貴模擬組件成為可能。到了20世紀80年代中期，許多以前是外部系統的組件被集成到了處理器芯片中，這種結構的微處理器得到了更廣泛的應用。到了20世紀80年代末期，微處理器已經出現在幾乎所有的電子設備中。

現代的嵌入式系統一般分為簡單嵌入式系統和復雜嵌入式系統。簡單嵌入式系統一般被認為是由單片集成控制器作為硬件核心的嵌入式系統，其核心只有一片芯片，卻集成了處理器、閃存、內存、數字和模擬外設這些設備，這樣的系統開發難度低。然而，由于種種限制，其性能一般，僅適合于自動化、運動控制、電源控制等簡單的控制類應用。與之相反，復雜嵌入式系統一般由獨立的處理器和閃存構成，處理器本身不集成大量的外設，僅執行處理任務，類似于傳統計算機的CPU。這樣的系統靈活多變，性能優異，但是成本高昂，普遍用于人機接口、智能設備、手機等性能要求高的場合，如圖1-2所示。

以下是一些嵌入式系統的典型應用：

·ATM取款機

·航空制導系統

·交換機、路由器、ADSL終端

·可穿戴傳感器

·計算機硬盤

·工業控制器

·計算器

·機頂盒

·MP3、MP4

·GPS導航儀

·手機、平板電腦

·智能測試測量儀器儀表

2.為什么選擇嵌入式系統

很多人覺得沒有接觸過嵌入式系統，嵌入式系統離他們很遙遠。其實，嵌入式系統無處不在。從白色家電到大型網絡系統，嵌入式系統時時刻刻為我們服務著。與傳統計算機比較，嵌入式系統盡管有開發難度大、通用性差和人機接口普遍落后等劣勢，卻有著傳統計算機所沒有的關鍵優勢。

嵌入式系統可以做到極低的成本。一般來說，用于簡單工業控制和白色家電的單片機芯片集成了復雜的模擬外設、數字外設，而且不用外界任何存儲設備，如圖1-3所示。這樣的一片芯片往往售價不超過10元人民幣，更加令人驚奇的是，這種芯片可以在很寬的電源電壓范圍內工作，又有良好的可靠性，從而進一步降低了對外部環境的要求，使微電腦控制技術得以廣泛普及。

嵌入式系統極其可靠。一般說來，系統中串聯工作的部件越多，系統的可靠性越差；系統中并聯工作的部件越多，系統的可靠性越好。這里的串聯指的是相互依賴的工作方式，并聯指的是互為冗余的工作方式。嵌入式系統往往有更精簡的結構，從而使其有更少的出錯機會。從硬件上講，各模塊之間的依賴關系更加清晰，模塊數量精簡，從而使串聯部件減少。從軟件上講，由于使用了定制的操作系統和應用程序，甚至沒有操作系統，從而使得軟件組件大幅減少，也減少了串聯部件。而且，由于結構精簡，從而可以留出更多成本預算來做冗余。這樣，在減少串聯部件的同時增加并聯部件，使得嵌入式系統可以提供傳統計算機系統所難以比擬的高可靠性。

嵌入式系統極其高效。雖然絕大多數的嵌入式系統擁有較差的計算資源，它們通常仍能完成任務。與通用計算機不同，嵌入式系統的硬件、軟件都可以根據實際需求而加以定制，這使得系統得以精簡。除了提高系統的可靠性，精簡的系統還能減少硬件資源，尤其是CPU資源和內存資源的浪費。一臺主頻只有16MHz的計算機是什么樣子？然而，多數用于工業控制的單片機的主頻不超過16MHz，卻能井井有條地控制大型機械設備。對于某些超高性能需求，因為傳統計算機系統的低效、臃腫，嵌入式系統是唯一的選擇。比如說大型電信路由器或網絡安全設備，因為需要處理大量的數據請求，還不能有太多的網絡延遲或丟包，高效的專用處理器就成為了唯一的選擇。它們被制成功能單一的芯片，只能做一種簡單的任務，卻有著極其強大的性能。如果采用通用計算機來支撐網絡社會，可能會因為成本過高而無法實現。

嵌入式系統體積小、功耗低。手機、平板電腦都是嵌入式系統，卻也有著不遜于傳統計算機系統的性能。一般來說，嵌入式系統的功耗不會大于20瓦。多數的單片機功耗在幾十毫瓦左右，而多數復雜嵌入式系統的功耗不過幾百毫瓦。即使是最先進的手機系統，其峰值功耗不過二三瓦，而其平均功耗不過二三百毫瓦或更低。反觀傳統計算機，即使是最省電的筆記本電腦也要消耗數十瓦的功率。在減小功耗的同時，嵌入式系統的散熱問題也隨之消失，更簡單的電源管理和幾乎不使用散熱裝置，使得嵌入式系統的體積更小，如圖1-4所示。

3.如何選擇

如前文所述，嵌入式系統可分成簡單嵌入式系統和復雜嵌入式系統。簡單嵌入式系統一般為單片機，比如MCS51系列、PIC系列、AVR系列和新興的MSP430系列。這些單片機成本低廉，外設豐富，而且在上電后可以立即運行，適合于對性能要求不高的控制類應用，如智能儀表、電機控制、可穿戴傳感器和數字電源等。

復雜嵌入式系統的構成則要復雜得多，其性能、成本也高得多。一般來說，該類系統包括基于DSP的嵌入式系統、基于ARM的嵌入式系統、基于MIPS的嵌入式系統和基于x86的嵌入式系統。基于DSP的嵌入式系統一般用于處理大量的數據，典型應用為語音處理、雷達信號處理等。基于MIPS的嵌入式系統一般應用于通用計算，因為MIPS在開發之初就被用于通用處理器。基于x86的嵌入式系統實際上就是把傳統的計算機壓縮、精簡，一般因其強大的性能與兼容性被用于對成本、功耗要求不高的場合，比如工業計算機等。

復雜嵌入式系統中最常見的要屬基于ARM的嵌入式系統（以下簡稱ARM系統）。ARM系統通常擁有足夠的硬件資源和相對較低的功耗，這使得ARM處理器非常適用于復雜的工業環境和移動終端，這當中絕大部分就基于Android操作系統。