嵌入式操作系統(tǒng)

　　歷史

　　事實(shí)上，在很早以前，嵌入式這個(gè)概念就已經(jīng)存在了。在通信方面，嵌入式系統(tǒng)在20世紀(jì)60年代就用于對(duì)電子機(jī)械電話(huà)交換的控制，當(dāng)時(shí)被稱(chēng)為“存儲(chǔ)式程序控制系統(tǒng)”（Stored Program Control）。

　　嵌入式計(jì)算機(jī)的真正發(fā)展是在微處理器問(wèn)世之后。1971年11月，Intel公司成功地把算術(shù)運(yùn)算器和控制器電路集成在一起，推出了第一款微處理器Intel 4004，其后各廠家陸續(xù)推出了許多8位、16位的微處理器，包括Intel 8080/8085、8086，Motorola 的6800、68000，以及Zilog的Z80、Z8000等。以這些微處理器作為核心所構(gòu)成的系統(tǒng)，廣泛地應(yīng)用于儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、家用電器等領(lǐng)域。微處理器的廣泛應(yīng)用形成了一個(gè)廣闊的嵌入式應(yīng)用市場(chǎng)，計(jì)算機(jī)廠家開(kāi)始大量地以插件方式向用戶(hù)提供OEM產(chǎn)品，再由用戶(hù)根據(jù)自己的需要選擇一套適合的CPU板、存儲(chǔ)器板以及各式I/O插件板，從而構(gòu)成專(zhuān)用的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并將其嵌入到自己的系統(tǒng)設(shè)備中。

　　為靈活兼容考慮，出現(xiàn)了系列化、模塊化的單板機(jī)。流行的單板計(jì)算機(jī)有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。后來(lái)人們可以不必從選擇芯片開(kāi)始來(lái)設(shè)計(jì)一臺(tái)專(zhuān)用的嵌入式計(jì)算機(jī)，而是只要選擇各功能模塊，就能夠組建一臺(tái)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。用戶(hù)和開(kāi)發(fā)者都希望從不同的廠家選購(gòu)最適合的OEM產(chǎn)品，插入外購(gòu)或自制的機(jī)箱中就形成新的系統(tǒng)，這樣就希望插件是互相兼容的，也就導(dǎo)致了工業(yè)控制微機(jī)系統(tǒng)總線(xiàn)的誕生。1976年Intel公司推出Multibus，1983年擴(kuò)展為帶寬達(dá)40MB/s的MultibusⅡ。1978年由Prolog設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單STD總線(xiàn)廣泛應(yīng)用于小型嵌入式系統(tǒng)。

　　20世紀(jì)80年代可以說(shuō)是各種總線(xiàn)層出不窮、群雄并起的時(shí)代。隨著微電子工藝水平的提高，集成電路制造商開(kāi)始把嵌入式應(yīng)用中所需要的微處理器、I/O接口、A/D、D/A轉(zhuǎn)換、串行接口以及RAM、ROM等部件統(tǒng)統(tǒng)集成到一個(gè)VLSI中，從而制造出面向I/O設(shè)計(jì)的微控制器，也就是我們俗稱(chēng)的單片機(jī)，成為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)異軍突起的一支新秀。其后發(fā)展的DSP產(chǎn)品則進(jìn)一步提升了嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)水平，并迅速地滲入到消費(fèi)電子、醫(yī)用電子、智能控制、通信電子、儀器儀表、交通運(yùn)輸?shù)雀鞣N領(lǐng)域。

　　20世紀(jì)90年代，在分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統(tǒng)進(jìn)一步加速發(fā)展。面向?qū)崟r(shí)信號(hào)處理算法的DSP產(chǎn)品向著高速、高精度、低功耗發(fā)展。Texas推出的第三代DSP芯片TMS320C30，引導(dǎo)著微控制器向32位高速智能化發(fā)展。在應(yīng)用方面，掌上電腦、手持PC機(jī)、機(jī)頂盒技術(shù)相對(duì)成熟，發(fā)展也較為迅速。特別是掌上電腦，1997年在美國(guó)市場(chǎng)上掌上電腦不過(guò)四五個(gè)品牌，而1998年底，各式各樣的掌上電腦如雨后春筍般紛紛涌現(xiàn)出來(lái)。此外，Nokia推出了智能電話(huà)，西門(mén)子推出了機(jī)頂盒，Wyse推出了智能終端，NS推出了WebPAD。裝載在汽車(chē)上的小型電腦，不但可以控制汽車(chē)內(nèi)的各種設(shè)備（如音響等），還可以與GPS連接，從而自動(dòng)操控汽車(chē)。

　　21世紀(jì)無(wú)疑是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代，使嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用到各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)中去也必然是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。

　　特點(diǎn)

　　1）系統(tǒng)內(nèi)核小

　　由于嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置的，系統(tǒng)資源相對(duì)有限，所以?xún)?nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。比如Enea公司的OSE分布式系統(tǒng)，內(nèi)核只有5K。

　　2）專(zhuān)用性強(qiáng)

　　嵌入式系統(tǒng)的個(gè)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(duì)硬件進(jìn)行系統(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。同時(shí)針對(duì)不同的任務(wù)，往往需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行較大更改，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(jí)”是完全兩個(gè)概念。

　　3）系統(tǒng)精簡(jiǎn)

　　嵌入式系統(tǒng)一般沒(méi)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(guò)于復(fù)雜，這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，同時(shí)也利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全。

　　4）高實(shí)時(shí)性

　　高實(shí)時(shí)性的系統(tǒng)軟件(OS)是嵌入式軟件的基本要求。而且軟件要求固態(tài)存儲(chǔ)，以提高速度；軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性。

　　5）多任務(wù)的操作系統(tǒng)

　　嵌入式軟件開(kāi)發(fā)要想走向標(biāo)準(zhǔn)化，就必須使用多任務(wù)的操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以沒(méi)有操作系統(tǒng)直接在芯片上運(yùn)行；但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和專(zhuān)用庫(kù)函數(shù)接口，用戶(hù)必須自行選配RTOS（Real－Time Operating System）開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，并減少開(kāi)發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。

　　6）需要開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境

　　嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境。由于其本身不具備自主開(kāi)發(fā)能力，即使設(shè)計(jì)完成以后用戶(hù)通常也是不能對(duì)其中的程序功能進(jìn)行修改的，必須有一套開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計(jì)算機(jī)上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀、混合信號(hào)示波器等。開(kāi)發(fā)時(shí)往往有主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的概念，主機(jī)用于程序的開(kāi)發(fā)，目標(biāo)機(jī)作為最后的執(zhí)行機(jī)，開(kāi)發(fā)時(shí)需要交替結(jié)合進(jìn)行。

　　核心

　　嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般具備以下4個(gè)特點(diǎn)：

　　1）對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核心的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度。

　　2）具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)也有利于軟件診斷。

　　3）可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以能最迅速地開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足應(yīng)用的最高性能的嵌入式微處理器。

　　4）嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無(wú)線(xiàn)及移動(dòng)的計(jì)算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級(jí)。

　　分類(lèi)

　isplay: none"> 　從硬件和軟件進(jìn)行劃分

　　基于硬件

　　嵌入式微處理器（Micro Processor Unit，MPU）

　　嵌入式微處理器是由通用計(jì)算機(jī)中的CPU演變而來(lái)的。它的特征是具有32位以上的處理器，具有較高的性能，當(dāng)然其價(jià)格也相應(yīng)較高。但與計(jì)算機(jī)處理器不同的是，在實(shí)際嵌入式應(yīng)用中，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)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(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)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(diǎn)。主要的嵌入式處理器類(lèi)型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。

　　其中Arm/StrongArm是專(zhuān)為手持設(shè)備開(kāi)發(fā)的嵌入式微處理器，屬于中檔的價(jià)位。

　　嵌入式微控制器(Microcontroller Unit， MCU)

　　嵌入式微控制器的典型代表是單片機(jī)，從70年代末單片機(jī)出現(xiàn)到今天，雖然已經(jīng)經(jīng)過(guò)了20多年的歷史，但這種8位的電子器件在嵌入式設(shè)備中仍然有著極其廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線(xiàn)、總線(xiàn)邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門(mén)狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)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。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱(chēng)微控制器。

　　由于MCU低廉的價(jià)格，優(yōu)良的功能，所以擁有的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及 MCU 8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專(zhuān)用MCU和兼容系列，MCU占嵌入式系統(tǒng)約70%的市場(chǎng)份額，Atmel出產(chǎn)的Avr單片機(jī)由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性?xún)r(jià)比，勢(shì)必將推動(dòng)單片機(jī)獲得更高的發(fā)展。

　　嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor， EDSP)

　　DSP處理器是專(zhuān)門(mén)用于信號(hào)處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，具有很高的編譯效率和指令的執(zhí)行速度。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。

　　DSP的理論算法在70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專(zhuān)門(mén)的DSP處理器還未出現(xiàn)，所以這種理論算法只能通過(guò)MPU等由分立元件實(shí)現(xiàn)。MPU較低的處理速度無(wú)法滿(mǎn)足DSP的算法要求，其應(yīng)用領(lǐng)域僅僅局限于一些尖端的高科技領(lǐng)域。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。其運(yùn)算速度比MPU快了幾十倍，在語(yǔ)音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。至80年代中期，隨著CMOS技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應(yīng)運(yùn)而生，其存儲(chǔ)容量和運(yùn)算速度都得到成倍提高，成為語(yǔ)音處理、圖像硬件處理技術(shù)的基礎(chǔ)。到80年代后期，DSP的運(yùn)算速度進(jìn)一步提高，應(yīng)用領(lǐng)域也從上述范圍擴(kuò)大到了通信和計(jì)算機(jī)方面。90年代后，DSP發(fā)展到了第五代產(chǎn)品，集成度更高，使用范圍也更加廣闊。

　　最為廣泛應(yīng)用的是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應(yīng)用范圍。

　　嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip)

　　SoC追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件，是嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的熱門(mén)話(huà)題之一。SOC最大的特點(diǎn)是成功實(shí)現(xiàn)了軟硬件無(wú)縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。而且SOC具有極高的綜合性，在一個(gè)硅片內(nèi)部運(yùn)用VHDL等硬件描述語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。用戶(hù)不需要再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣，繪制龐大復(fù)雜的電路板，一點(diǎn)點(diǎn)的連接焊制，只需要使用精確的語(yǔ)言，綜合時(shí)序設(shè)計(jì)直接在器件庫(kù)中調(diào)用各種通用處理器的標(biāo)準(zhǔn)，然后通過(guò)仿真之后就可以直接交付芯片廠商進(jìn)行生產(chǎn)。由于絕大部分系統(tǒng)構(gòu)件都是在系統(tǒng)內(nèi)部，整個(gè)系統(tǒng)就特別簡(jiǎn)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(shè)計(jì)生產(chǎn)效率。

　　由于SOC往往是專(zhuān)用的，所以大部分都不為用戶(hù)所知，比較典型的SOC產(chǎn)品是Philips的Smart XA。少數(shù)通用系列如Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。

　　預(yù)計(jì)不久的將來(lái)，一些大的芯片公司將通過(guò)推出成熟的、能占領(lǐng)多數(shù)市場(chǎng)的SOC芯片，一舉擊退競(jìng)爭(zhēng)者。SOC芯片也將在聲音、圖像、影視、網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)邏輯等應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

　　基于軟件

　　從軟件方面劃分，主要可以依據(jù)操作系統(tǒng)的類(lèi)型。嵌入式系統(tǒng)的軟件主要有兩大類(lèi)：實(shí)時(shí)系統(tǒng)和分時(shí)系統(tǒng)。其中實(shí)時(shí)系統(tǒng)又分為兩類(lèi)：硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

　　實(shí)時(shí)嵌入系統(tǒng)是為執(zhí)行特定功能而設(shè)計(jì)的，可以嚴(yán)格的按時(shí)序執(zhí)行功能。其最大的特征就是程序的執(zhí)行具有確定性。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)在指定的時(shí)間內(nèi)未能實(shí)現(xiàn)某個(gè)確定的任務(wù)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的全面失敗，則系統(tǒng)被稱(chēng)為硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。而在軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，雖然響應(yīng)時(shí)間同樣重要，但是超時(shí)卻不會(huì)導(dǎo)致致命錯(cuò)誤。一個(gè)硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)往往在硬件上需要添加專(zhuān)門(mén)用于時(shí)間和優(yōu)先級(jí)管理的控制芯片，而軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)則主要在軟件方面通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)時(shí)限的管理。比如Windows CE就是一個(gè)多任務(wù)分時(shí)系統(tǒng)，而Ucos-II則是典型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

　　組成

　　硬件層

　　硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用設(shè)備接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。在一片嵌入式處理器基礎(chǔ)上添加電源電路、時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)器電路，就構(gòu)成了一個(gè)嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以固化在ROM中。

　　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(hù)群所專(zhuān)用設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，它將通用CPU許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)趨于小型化，同時(shí)還具有很高的效率和

　　嵌入式操作系統(tǒng)

　　可靠性。

　　嵌入式微處理器的體系結(jié)構(gòu)可以采用馮·諾依曼體系或哈佛體系結(jié)構(gòu)；指令系統(tǒng)可以選用精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)（Reduced Instruction Set Computer，RISC）和復(fù)雜指令系統(tǒng)CISC（Complex Instruction Set Computer，CISC）。RISC計(jì)算機(jī)在通道中只包含最有用的指令，確保數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單。

　　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(shí)鐘頻率和數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度，或集成了不同的外設(shè)和接口。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式微處理器已經(jīng)超過(guò)1000多種，體系結(jié)構(gòu)有30多個(gè)系列，其中主流的體系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但與全球PC市場(chǎng)不同的是，沒(méi)有一種嵌入式微處理器可以主導(dǎo)市場(chǎng)，僅以32位的產(chǎn)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(jù)具體的應(yīng)用而決定的。

　　存儲(chǔ)器

　　嵌入式系統(tǒng)需要存儲(chǔ)器來(lái)存放和執(zhí)行代碼。嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)器包含Cache、主存和輔助存儲(chǔ)器。

　　1）Cache

　　Cache是一種容量小、速度快的存儲(chǔ)器陣列它位于主存和嵌入式微處理器內(nèi)核之間，在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取操作時(shí)，微處理器盡可能的從Cache中讀取數(shù)據(jù)，而不是從主存中讀取，這樣就大大改善了系統(tǒng)的性能，提高了微處理器和主存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。Cache的主要目標(biāo)就是：減小存儲(chǔ)器（如主存和輔助存儲(chǔ)器）給微處理器內(nèi)核造成的存儲(chǔ)器訪問(wèn)瓶頸，使處理速度更快，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。

　　在嵌入式系統(tǒng)中Cache全部集成在嵌入式微處理器內(nèi)，可分為數(shù)據(jù)Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的大小依不同處理器而定。一般中高檔的嵌入式微處理器才會(huì)把Cache集成進(jìn)去。

　　2）主存

　　主存是嵌入式微處理器能直接訪問(wèn)的寄存器，用來(lái)存放系統(tǒng)和用戶(hù)的程序及數(shù)據(jù)。它可以位于微處理器的內(nèi)部或外部，其容量為256KB~1GB，根據(jù)具體的應(yīng)用而定，一般片內(nèi)存儲(chǔ)器容量小，速度快，片外存儲(chǔ)器容量大。

　　常用作主存的存儲(chǔ)器有：

　　ROM類(lèi) NOR Flash、EPROM和PROM等。

　　RAM類(lèi) SRAM、DRAM和SDRAM等。

　　其中NOR Flash 憑借其可擦寫(xiě)次數(shù)多、存儲(chǔ)速度快、存儲(chǔ)容量大、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在嵌入式領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。

　　3）輔助存儲(chǔ)器

　　輔助存儲(chǔ)器用來(lái)存放大數(shù)據(jù)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的很多，用來(lái)長(zhǎng)期保存用戶(hù)的信息。

　　嵌入式系統(tǒng)中常用的外存有：硬盤(pán)、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等。

　　通用設(shè)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(shè)備接口，如A/D、D/A、I/O等，外設(shè)通過(guò)和片外其他設(shè)備的或傳感器的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)微處理器的輸入/輸出功能。每個(gè)外設(shè)通常都只有單一的功能，它可以在芯片外也可以?xún)?nèi)置芯片中。外設(shè)的種類(lèi)很多，可從一個(gè)簡(jiǎn)單的串行通信設(shè)備到非常復(fù)雜的802.11無(wú)線(xiàn)設(shè)備。

　　嵌入式系統(tǒng)中常用的通用設(shè)備接口有A/D（模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口）、D/A（數(shù)/模轉(zhuǎn)換接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太網(wǎng)接口）、USB（通用串行總線(xiàn)接口）、音頻接口、VGA視頻輸出接口、I2C（現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)）、SPI（串行外圍設(shè)備接口）和IrDA（紅外線(xiàn)接口）等。

　　中間層

　　硬件層與軟件層之間為中間層，也稱(chēng)為硬件抽象層（Hardware Abstract Layer，HAL）或板級(jí)支持包（Board Support Package，BSP），它將系統(tǒng)上層軟件與底層硬件分離開(kāi)來(lái)，使系統(tǒng)的底層驅(qū)動(dòng)程序與硬件無(wú)關(guān)，上層軟件開(kāi)發(fā)人員無(wú)需關(guān)心底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP 層提供的接口即可進(jìn)行開(kāi)發(fā)。該層一般包含相關(guān)底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作和硬件設(shè)備的配置功能。BSP具有以下兩個(gè)特點(diǎn)。

　　硬件相關(guān)性：因?yàn)榍度胧綄?shí)時(shí)系統(tǒng)的硬件環(huán)境具有應(yīng)用相關(guān)性，而作為上層軟 件與硬件平臺(tái)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(guān)性：不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu)，因此，不同的操作系統(tǒng)具有特定的硬件接口形式。

　　實(shí)際上，BSP是一個(gè)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(lián)系緊密的軟件模塊。設(shè)計(jì)一個(gè)完整的BSP需要完成兩部分工作：嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化以及BSP功能，設(shè)計(jì)硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

　　嵌入式系統(tǒng)硬件初始化

　　系統(tǒng)初始化過(guò)程可以分為3個(gè)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(jí)初始化、板級(jí)初始化和系統(tǒng)級(jí)初始化。

　　片級(jí)初始化

　　完成嵌入式微處理器的初始化，包括設(shè)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(xiàn)模式等。片級(jí)初始化把嵌入式微處理器從上電時(shí)的默認(rèn)狀態(tài)逐步設(shè)置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。這是一個(gè)純硬件的初始化過(guò)程。

　　板級(jí)初始化

　　完成嵌入式微處理器以外的其他硬件設(shè)備的初始化。另外，還需設(shè)置某些軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，為隨后的系統(tǒng)級(jí)初始化和應(yīng)用程序的運(yùn)行建立硬件和軟件環(huán)境。這是一個(gè)同時(shí)包含軟硬件兩部分在內(nèi)的初始化過(guò)程。

　　系統(tǒng)初始化

　　該初始化過(guò)程以軟件初始化為主，主要進(jìn)行操作系統(tǒng)的初始化。BSP將對(duì)嵌入式微處理器的控制權(quán)轉(zhuǎn)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(wú)關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，建立系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)，加載并初始化其他系統(tǒng)軟件模塊，如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、文件系統(tǒng)等。最后，操作系統(tǒng)創(chuàng)建應(yīng)用程序環(huán)境，并將控制權(quán)交給應(yīng)用程序的入口。

　　硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

　　BSP的另一個(gè)主要功能是硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的初始化通常是一個(gè)從高到低的過(guò)程。盡管BSP中包含硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，但是這些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常不直接由BSP使用，而是在系統(tǒng)初始化過(guò)程中由BSP將他們與操作系統(tǒng)中通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序關(guān)聯(lián)起來(lái)，并在隨后的應(yīng)用中由通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的操作。與硬件相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序是BSP設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中另一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

　　系統(tǒng)軟件層

　　系統(tǒng)軟件層由實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（Real-time Operation System，RTOS）、文件系統(tǒng)、圖形用戶(hù)接口（Graphic User Interface，GUI）、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

　　嵌入式操作系統(tǒng)

　　嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded Operation System，EOS）是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，過(guò)去它主要應(yīng)用與工業(yè)控制和國(guó)防系統(tǒng)領(lǐng)域。EOS負(fù)責(zé)嵌入系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動(dòng)。它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過(guò)裝卸某些模塊來(lái)達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。已推出一些應(yīng)用比較成功的EOS產(chǎn)品系列。隨著Internet技術(shù)的發(fā)展、信息家電的普及應(yīng)用及EOS的微型化和專(zhuān)業(yè)化，EOS開(kāi)始從單一的弱功能向高專(zhuān)業(yè)化的強(qiáng)功能方向發(fā)展。嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴(lài)性、軟件固化以及應(yīng)用的專(zhuān)用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。EOS是相對(duì)于一般操作系統(tǒng)而言的，它除具有了一般操作系統(tǒng)最基本的功能，還有以下功能：如任務(wù)調(diào)度、同步機(jī)制、中斷處理、文件處理等。

　　應(yīng)用

　　工業(yè)控制

　　基于嵌入式芯片的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備將獲得長(zhǎng)足的發(fā)展，已經(jīng)有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)化是提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、減少人力資源主要途徑，如工業(yè)過(guò)程控制、數(shù)字機(jī)床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)、石油化工系統(tǒng)。就傳統(tǒng)的工業(yè)控制產(chǎn)品而言，低端型采用的往往是8位單片機(jī)。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，32位、64位的處理器逐漸成為工業(yè)控制設(shè)備的核心，在未來(lái)幾年內(nèi)必將獲得長(zhǎng)足的發(fā)展。

　　交通管理

　　在車(chē)輛導(dǎo)航、流量控制、信息監(jiān)測(cè)與汽車(chē)服務(wù)方面，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，內(nèi)嵌GPS模塊，GSM模塊的移動(dòng)定位終端已經(jīng)在各種運(yùn)輸行業(yè)獲得了成功的使用。GPS設(shè)備已經(jīng)從尖端產(chǎn)品進(jìn)入了普通百姓的家庭，只需要幾千元，就可以隨時(shí)隨地找到你的位置。

　　信息家電

　　這將稱(chēng)為嵌入式系統(tǒng)最大的應(yīng)用領(lǐng)域，冰箱、空調(diào)等的網(wǎng)絡(luò)化、智能化將引領(lǐng)人們的生活步入一個(gè)嶄新的空間。即使你不在家里，也可以通過(guò)電話(huà)線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在這些設(shè)備中，嵌入式系統(tǒng)將大有用武之地。

　　家庭智能管理

　　水、電、煤氣表的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，安全防火、防盜系統(tǒng)，其中嵌有的專(zhuān)用控制芯片將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢查，并實(shí)現(xiàn)更高，更準(zhǔn)確和更安全的性能。在服務(wù)領(lǐng)域，如遠(yuǎn)程點(diǎn)菜器等已經(jīng)體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

　　POS網(wǎng)絡(luò)

　　公共交通無(wú)接觸智能卡(Contactless Smartcard， CSC)發(fā)行系統(tǒng)，公共電話(huà)卡發(fā)行系統(tǒng)，自動(dòng)售貨機(jī)，各種智能ATM終端將全面走入人們的生活，到時(shí)手持一卡就可以行遍天下。

　　環(huán)境工程與自然

　　水文資料實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防洪體系及水土質(zhì)量監(jiān)測(cè)、堤壩安全，地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)，實(shí)時(shí)氣象信息網(wǎng)，水源和空氣污染監(jiān)測(cè)。在很多環(huán)境惡劣，地況復(fù)雜的地區(qū)，嵌入式系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)無(wú)人監(jiān)測(cè)。

　　機(jī)器人

　　嵌入式芯片的發(fā)展將使機(jī)器人在微型化，高智能方面優(yōu)勢(shì)更加明顯，同時(shí)會(huì)大幅度降低機(jī)器人的價(jià)格，使其在工業(yè)領(lǐng)域和服務(wù)領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。

　　這些應(yīng)用中，可以著重于在控制方面的應(yīng)用。就遠(yuǎn)程家電控制而言，除了開(kāi)發(fā)出支持TCP/IP的嵌入式系統(tǒng)之外，家電產(chǎn)品控制協(xié)議也需要制訂和統(tǒng)一，這需要家電生產(chǎn)廠家來(lái)做。同樣的道理，所有基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制器件都需要與嵌入式系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)接口，然后再由嵌入式系統(tǒng)來(lái)控制并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制。所以，開(kāi)發(fā)和探討嵌入式系統(tǒng)有著十分重要的意義。

　　機(jī)電產(chǎn)品應(yīng)用

　　相對(duì)于其他的領(lǐng)域，機(jī)電產(chǎn)品可以說(shuō)是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用最典型最廣泛的領(lǐng)域之一。單片機(jī)到工控機(jī)、SOC在各種機(jī)電產(chǎn)品中均有著巨大的市場(chǎng)。

　　移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域

　　移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域很多也需要嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)

　　趨勢(shì)

　　嵌入式操作系統(tǒng)將是未來(lái)嵌入式系統(tǒng)中必不可少的組件，其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)包括[1]：

　　1、定制化：嵌入式操作系統(tǒng)將面向特定應(yīng)用提供簡(jiǎn)化型系統(tǒng)調(diào)用接口，專(zhuān)門(mén)支持一種或一類(lèi)嵌入式應(yīng)用。嵌入式操作系統(tǒng)同將具備可伸縮性、可裁減的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，提供多層次的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。嵌入式操作系統(tǒng)將包含各種即插即用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口；

　　2、節(jié)能化：嵌入式操作系統(tǒng)繼續(xù)采用微內(nèi)核技術(shù)，實(shí)現(xiàn)小尺寸、微功耗、低成本以支持小型電子設(shè)備。同時(shí)，提高產(chǎn)品的可靠性和可維護(hù)性。嵌入式操作系統(tǒng)將形成最小內(nèi)核處理集，減小系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，提高運(yùn)行效率，并可用于各種非計(jì)算機(jī)設(shè)備；

　　3、人性化：嵌入式操作系統(tǒng)將提供精巧的多媒體人機(jī)界面，以滿(mǎn)足不斷提高的用戶(hù)需求；

　　4、安全化：嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)能夠提供安全保障機(jī)制，源碼的可靠性越來(lái)越高；

　　5、網(wǎng)絡(luò)化：面向網(wǎng)絡(luò)、面向特定應(yīng)用，嵌入式操作系統(tǒng)要求配備標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信接口。嵌入式操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)將越來(lái)越易于移植和聯(lián)網(wǎng)。嵌入式操作系統(tǒng)將具有網(wǎng)絡(luò)接入功能，提供TCP/UDP/IP/PPP協(xié)議支持及統(tǒng)一的 MAC 訪問(wèn)層接口，為各種移動(dòng)計(jì)算設(shè)備預(yù)留接口；

　　6、標(biāo)準(zhǔn)化：隨著嵌入式操作系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用的發(fā)展，信息交換、資源共享機(jī)會(huì)增多等問(wèn)題的出現(xiàn)，需要建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)去規(guī)范其應(yīng)用。