第1章 嵌入式系统概论

第1章 嵌入式系统概论

本章要点：

? 嵌入式系统简介

? 常见嵌入式微处理器及其选型 ? 嵌入式操作系统的特点

? 常见嵌入式操作系统及其特征比较

1.1 概 述

嵌入式技术是近年来风靡全球的热点技术，从手机到电子书，从音频视频播放器到智能家电，从电子商务到工业控制，嵌入式系统已逐渐深入到人们日常生活的方方面面。那么，什么是嵌入式系统，什么是嵌入式操作系统，它们各有哪些特点，二者之间又有什么联系呢？

本章首先在1.2节中介绍嵌入式系统的概念，让读者对嵌入式系统有一个基本的印象，并讨论嵌入式系统的特点，从而了解嵌入式系统与一般的计算机系统的区别。

1.3节中主要介绍嵌入式微处理器，它是嵌入式系统的核心部件。通过对嵌入式微处理器特点的分析，来了解它与一般的计算机系统的处理器的差别。同时还介绍ARM、x86、MIPS、PowerPC等几种常见的嵌入式微处理器，并对它们的内核特征、应用领域进行总结和比较。由于嵌入式微处理器的体系结构复杂、种类繁多，为便于开发者选择适合于自己的处理器芯片，在该节中还从应用的角度提出了选择微处理器芯片时应该考虑的若干问题。

在1.4节中，介绍嵌入式操作系统，因为它是嵌入式系统的灵魂。嵌入式操作系统是运行在嵌入式系统硬件环境下的操作系统，为嵌入式应用程序的开发提供软件支持。通过对嵌入式操作系统特点的讨论，了解它与一般操作系统的区别，并从应用角度和实时性两个方面对嵌入式操作系统进行分类。此外，还介绍了几种常见的嵌入式操作系统，包括VxWork、嵌入式Linux、uCLinux、RT-Linux、Windows CE、Windows XP Embedded和eCos，并对它们的特征进行了比较。最后对本章的内容进行了总结。

1.2 嵌入式系统简介

嵌入式系统是以应用为中心，以电子技术、计算机技术、信息技术为基础，以产品、设备为目标的专用计算机系统。它具有可靠性强、成本低、体积小、功耗低、维护和扩展

方便以及升级换代快速等特点。

嵌入式系统一般是指非PC系统，它是相对于通用计算机（微型、小型、大型计算机）系统而言的。嵌入式系统将自己隐身（嵌入）于各种设备或装置的内部，并根据设备、装置的要求发挥其独特的作用（如计算、处理、存储、控制等），该系统有着与通用计算系统完全不同的技术要求和发展方向。通用计算机采用标准化、模块化的设计理念，技术要求是高速、兼容性好、海量信息处理；技术发展方向是处理速度、总线宽度和存储容量的最大化。而嵌入式系统是针对性较强的设计，技术要求是满足具体功能需求和高可靠性；技术发展方向是在保证功能要求和可靠性的前提下，追求低成本、小体积和低功耗。

嵌入式系统是由嵌入式硬件和嵌入式软件紧密耦合在一起的系统。硬件包括微处理器、存储器、各种外设、I/O控制端口等（微处理器是嵌入式硬件的核心，通常有8位、16位、32位微控制器）；软件包括嵌入式操作系统和应用程序。嵌入式系统的组成如图1-1所示。

嵌 入 式 软 件 嵌 入 式 硬 件 应用程序 嵌入式操作系统 嵌入式引导程序 设备驱动 嵌入式处理器 外围接口电路 存储器 外围设备 图1-1 嵌入式系统的组成

国际电气和电子工程师协会（IEEE）对嵌入式系统的定义是这样的：嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”。这表明嵌入式系统具有嵌入性、专用性和智能性。概括起来，嵌入式系统具有如下特点：

? 嵌入式系统是面向特定对象的系统，它的设计和开发只需要满足特定环境和系统

要求即可，如小型化、结构紧凑、成本价廉等要求；不追求通用性和高速度。换句话说，嵌入式系统通常需要与某些特定的应用领域紧密结合。

? 嵌入式系统是先进计算机技术、电子技术、半导体技术与具体应用结合的产物，

其设计开发必须将硬件技术和软件技术相结合，应用开发和行业特点相结合。 ? 嵌入式系统的硬件和软件都必须具有较高的效率，量体裁衣，在相同资源条件下

实现更高的性能，追求性价比的极大化。

? 嵌入式系统将计算机系统的底层技术与特定行业特点或特定行业领域融合为一

体，这使得嵌入式系统的产品生命周期一般比计算机系统更长。

? 嵌入式系统的软件大多都固化在非易失的存储器中，而不是存储在磁盘中，这大

大提高了系统的执行速度和可靠性。

1.3 嵌入式微处理器

嵌入式微处理器是嵌入式系统的心脏，而嵌入式系统的应用需求也加速了嵌入式微处理器的完善和发展。嵌入式微处理器通常具有如下两个特点。

? 低功耗：由于嵌入式微处理器大多使用在移动设备中，使用环境决定了不可能利

用持续的电源供电，因而要求处理器的功耗应尽可能低。大多数的嵌入式微处理器的功耗在毫瓦级，甚至微瓦级。

? 高集成度：许多嵌入式系统要求具有便携特性，这就要求体积小、重量轻。因而要求

微处理器具有高的集成度，尽可能将通用外设或接口集成到微处理器芯片中。 常见的嵌入式微处理器主要有ARM、x86、MIPS和PowerPC。

1.3.1 ARM嵌入式微处理器

ARM（Advanced RISC Machines）既是一个公司的名称，又是一类微处理器的通称，也是一种技术的名称。ARM公司是微处理器行业的知名企业，设计了大量高性能、廉价、低功耗的RISC（Reduced Instruction Set Computing，精简指令集计算机）芯片，并开发了相关技术和软件。ARM处理器具有高性能、低成本和低功耗的特点，广泛应用于嵌入式系统。

ARM的设计实现了小体积、高性能的结构。由于使用精简指令，使得ARM处理器的内核非常小，功耗也非常低。ARM体系结构的主要特点如下：

? 统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码。

? 简单的寻址模式（只有2～3种），所有加载/存储的地址只由寄存器的内容和指

令域确定。

? 使用单周期指令，便于流水线操作。

? 数据的处理只对寄存器操作，而不直接对存储器操作，提高了指令执行的效率。 ? 在一条数据处理指令中同时完成算术逻辑处理和移位器处理，实现对ALU和移位

器的最大利用。

? 自动地址增减寻址模式实现了程序循环优化。 ? 对寄存器加载和存储指令实现了最大数据吞吐量。 ? 所有指令的条件执行实现了程序快速跳转。

目前ARM公司推出的ARM处理器主要有6个产品系列，即ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11和SecurCore。其中前4个是通用处理器系列，每个系列提供了一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能和体积的需要。SecurCore是专门为安全设备而设计的。ARM11为最新产品。此外，还有其他合作伙伴的基于ARM的嵌入式微处理器，如Intel XScale。ARM系列处理器内核特征比较如表1-1所示。

表1-1 ARM系列处理器内核特征比较

比较项目 ARM7 ARM9 ARM9E 哈佛 ARM10E 哈佛 ARM11 哈佛 SecurCore XScale 哈佛 哈佛 处理器结构 冯·诺 哈佛

依曼 流水线 时钟频率 /MHz 时钟效率 /MHz 指令集 MMU 版本 3级 133 5级 270 5级 250 6级 325 8级 5级 7～8级 200～1000 续表 0.9MIPS 1.1MIPS ARM, Thumb 无 v4T ARM, Thumb 有 v4T 0.19 8×32 1.1MIPS ARM, Thumb, DSP 有 v5TE 0.19 8×32 1.35MIPS ARM, Thumb DSP 有 v5TE 0.5 16×32 2.1MIPS ARM, Thumb, Thumb-2 有 v6 0.4 16×32 下一代高端移动无线设备，数字消费品，网络和汽车电子产品 1.1MIPS 1.35MIPS ARM, ARM,Thumb,Thumb, DSP Thumb-2 有 有 v5 安全产品及应用系统，如电子商务、电子银行、网络认证，移动媒体 v5 350～1000 110 功耗/mW 0.06 乘法器 8×32 工业控制，个人音频设备，打印机，照相机，电子秘书 应用范围 工业控制，工业控制，下一工业控制，下一无线设备，代无线设备，数代无线设备，数仪器仪表，字消费品，成像字消费品，成像安全系统，设备，存储设备，设备，汽车，通数字消费，网络设备汽车、信和信息系汽车，通信，通信和信息系统 统，网络设备 信息系统 数字移动电话，个人数字助理，网络产品 1.3.2 其他类型的嵌入式微处理器

尽管ARM内核的嵌入式微处理器占据了约80%的嵌入式系统的市场份额，但嵌入式系统的特点决定了需要多样化的处理器来满足不同用户的需求。除了ARM微处理器外，还有其他类型的嵌入式微处理器用于不同的领域。在嵌入式系统的发展进程中，它们与ARM处理器相互借鉴，取长补短，形成了鲜明的个性和特点。

（1）x86嵌入式微处理器

x86框架的嵌入式微处理器主要有Intel公司的386EX和AMD公司的Geode NX，由于这些微处理器性价比高，软件兼容性强，开发工具完善，在嵌入式系统中得到了广泛的应用。

（2）PowerPC嵌入式微处理器

PowerPC（Performance Optimization with Enhanced RISC Performance Computing）是性能经过优化的增强型RISC结构处理器，其体系结构借鉴IBM公司的Power微处理器。具有代表性的嵌入式微处理器有IBM的PowerPC604s、PowerPC750和Motorola公司的MPC7400、MPC8260等。

（3）MIPS嵌入式微处理器

MIPS（Microprocessor without Interlocked Piped Stages）是指无内部互锁流水级的微处理器，其机制是利用软件方法避免流水线中的数据处理问题。MIPS既是处理器架构的名称，