嵌入式系统的基本概念及定义

20世纪70年代出现的、最初的嵌入式系统很多没有操作系统，而只是使用一个简单的循环控制实现某个控制功能。没有嵌入式操作系统的缺点极大地制约了面向嵌入式系统的应用开发。随着嵌入式技术的不断发展，从80年代开始出现了各种各样的商用嵌入式操作系统，如比较著名的有VxWorks、pSOS和Win CE等，这些操作系统大部分是为专有系统而开发的。另外，具有强大的网络功能和低成本的嵌入式Linux系统也受到了越来越多的关注。随着国内外各种嵌入式产品的进一步开发和推广，嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业以及人们的日常生活等方方面面中，嵌入式技术越来越和人们的生活紧密结合。

嵌入式系统是一种将嵌入了软件的计算机硬件作为其最重要的一部分的系统，是一种专用于某个应用或者产品的基于计算机的系统，它既可以是一个独立的系统，也可以是更大系统的一部分。由于其软件通常嵌入在ROM（只读存储器）中，因此，并不像计算机一样需要辅助存储器。有许多文献都给出了嵌入式系统的定义。Wolf（2008）认为，“如果不严格地定义，嵌入式计算系统是任何一个包含可编程计算机的设备，但其本身却不是一个通用计算机”。Morton（2000）认为，“嵌入式系统是一种电子系统，它包含微处理器或者微控制器”。Simon（1999）认为，“人们使用嵌入式系统这个术语，指的是隐藏在任一产品中的一个计算机系统”。Wilmshurst（2001）认为，①“嵌入式系统的首要功能并不是计算，而是受嵌入其中的计算机控制的一个系统。‘嵌入’暗示了它存在于整个系统中，从外部观察不到，形成了更大整体的一个完整部分”；②“嵌入式系统是一种基于微控制器、软件驱动的可靠实时控制系统，以自治的、人工的或者网络方式进行交互，对各种物理变量进行操作，存在于各种环境中”。嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件等几大部分组成，图11.1给出了嵌入式系统主要组成部分。其中硬件是嵌入式系统软件环境运行的基础，它提供了嵌入式系统软件运行的物理平台和通信接口；嵌入式操作系统和嵌入式应用软件是整个系统的控制核心，控制整个系统的运行，提供人机交互的信息等，应用软件可以并发地执行任务序列或者多任务。整个嵌入式系统组成结构见图11.2。

图11.1　嵌入式系统主要组成部分(www.xing528.com)

图11.2　嵌入式系统的组成结构

实时操作系统（RTOS）用来管理应用软件，并提供一种机制，使处理器在一次进程调度时运行一个进程，并在各个进程（任务）之间进行上下文切换。RTOS定义了系统工作的方式。它将对资源的访问组织成为系统的任务序列。它按照计划控制延迟（Latency）并满足最后期限，从而调度任务的执行（延迟指的是运行一项任务的各段代码之间，以及任务发生所需要的等待周期）。它在执行应用软件的过程中制定规则。小型嵌入式系统可能不需要RTOS。嵌入式系统的软件设计受3个条件的限制：①可用的系统存储器；②处理器速度；③当以等待事件、运行、停止和唤醒的周期连续运行系统时，对功耗的限制。