嵌入式系统特点-嵌入式系统原理与应用

由于嵌入式系统是应用于特定环境下针对特定用途来设计的系统,所以不同于通用计算机系统。 同样是计算机系统,嵌入式系统是针对具体应用设计的“专用系统”。 它的硬件和软件都必须高效率地设计、量体裁衣、去除冗余,力争在较少的资源上实现更高的性能。 它与通用的计算机系统相比具有以下显著特点:

(1)嵌入式系统通常是面向特定任务的专用计算机系统

不同于一般通用PC 计算平台,嵌入式系统通常是面向特定任务的,是“专用”的计算机系统,嵌入式系统微处理器大多非常适合于为特定用户群所设计的系统中,称为“专用微处理器”,它专用于执行某个特定的任务,或者是很少几个任务。 具体的应用需求决定着嵌入式处理器的性能选型和整个系统的设计。 如果要更改其任务,就可能要废弃整个系统并重新进行设计。

(2)嵌入式系统运行环境差异很大

嵌入式系统无所不在,但运行环境也差异很大,可运行在飞机上、冰天雪地的两极中、要求温湿度恒定的科学实验室等。 特别是在恶劣的环境或突然断电的情况下,要求系统仍然能够正常工作,这些情况对设计人员来说意味着要同时考虑到硬件与软件。 “严酷的环境”,一般意味着更高的温度与湿度。 军用设备标准对嵌入式元器件的要求非常严格,并且在价格上与商用、民用差别很大。 比如Intel 公司的8086,当它用在火箭上时,单价竟高达几百美元。

(3)嵌入式系统比通用PC 系统资源少得多

通用PC 系统有数不胜数的系统资源,可以轻松完成各种工作。 用户可以在自己的PC 机上编写程序的同时播放MP3、CD,以及下载资料等。 因为个人PC 系统现在至少拥有512 MB内存、80 GB 硬盘空间,并且在SCSI 卡上连接着软驱和CD-ROM 驱动器已是目前非常普遍的配置了。 而面向特定任务的嵌入式系统,由于是专门用来执行很少的几个确定任务,它所能管理的资源比通用PC 系统少得多。 这主要是因为在设计时考虑到经济性,不能使用通用CPU,这就意味着所选用的CPU 只能管理很少的资源,它的成本更低、结构更简单。

(4)嵌入式系统具有低功耗、体积小、集成度高、成本低等特点

嵌入式系统“嵌入”到对象的体系中,对于对象、环境和嵌入式系统自身有严格的要求,一般的嵌入式系统具有低功耗、体积小、集成度高、成本低等特点。

通用PC 系统有足够大的内部空间提供良好的通风能力,但是系统中的Intel 或AMD 处理器均配备庞大的散热片和冷却风扇进行系统散热。 而许多嵌入式系统就没有如此充足的电能供应,尤其是便携式嵌入式设备,即便是有足够的电源供应,散热设备的增加也往往是不方便的。 因此,嵌入式系统设计时应尽可能地降低功耗。 整个系统设计有严格的功耗预算,系统中的处理器大部分时间必须工作在降低功耗的“睡眠模式”下,只有在需要任务处理时它才会“醒来”。 软件必须围绕这种特性进行设计,一般的外部事件通过中断驱动来唤醒系统工作。

功耗约束影响了系统设计决策的方方面面,包括处理器的选择、内存体系结构的设计等。系统要求的功耗约束很有可能决定软件是用汇编语言编写还是用C 或C + +语言编写,这是由于必须在功耗预算内使系统达到最高性能。 功耗需求由CPU 时钟速度以及使用的其他部件(RAM、ROM、I/O 设备等)的数量决定。 因此,从软件设计人员的观点看来,功耗约束可能成为压倒性的系统约束,它决定了软件工具的选择、内存的大小和性能的高低。

能够将通用CPU 中许多由板卡完成的任务集成在高度集成的SoC 系统芯片内部,而不是微处理器与分立外设的组合就能节省许多印制电路板、连接器等,使系统的体积、功耗、成本大大降低,也能提高移动性和便携性,从而使嵌入式系统的设计趋于小型化和专业化。

嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计,在保证稳定、安全、可靠的基础上量体裁衣,去除冗余,力争用较少的软硬件资源实现较高的性能。 这样,才能最大限度地降低应用成本,从而在具体应用中更具有市场竞争力。

(5)需建立完整的系统测试和可靠性评估体系

嵌入式应用的复杂性、多样性要求设计的代码应该是完全没有错误的,怎样才能科学、完整地测试全天候运行的嵌入式复杂软件呢? 首先,需要有科学的测试方法,建立科学的系统测试和可靠性评估体系,尽可能避免因为系统的不可靠造成的巨大损失;其次,需引入多种嵌入式系统测试方法和可靠性评估体系。 在大多数嵌入式系统中,一般都包括一些机制,比如看门狗定时器,它在软件失去控制后能使之重新开始正常运行。 总之,嵌入式软件测试和评估体系是非常复杂的一门学科,建立完整的嵌入式系统的系统测试和可靠性评估体系,才能保证嵌入式系统高效、可靠、稳定地工作。(www.xing528.com)

(6)具有较长的生命周期

嵌入式系统是与实际具体应用有机结合的产物,它的升级换代也是与具体产品同步进行的。 因此,一旦定性进入市场,一般具有较长的生命周期。

(7)目标代码通常是固化在非易失性存储器中

嵌入式系统开机后,必须有代码对系统进行初始化,以便其余的代码能够正常运行,这就是建立运行时的环境。 比如,初始化RAM 放置变量、测试内存的完整性、测试ROM 完整性以及其他初始化任务。 为了系统的初始化,大多数的系统都要在非易失性存储器(比如ROM、EPROM、EEPROM、FLASH,以及现在普遍使用Flash)中存放部分代码(启动代码)。 为了提高执行速度和系统可靠性,大多数嵌入式系统也常常将所有的代码(也常常使用所有代码的压缩代码)固化、存放在存储器芯片或处理器的内部存储器件中,不使用外部的磁盘等存储介质。

(8)嵌入式系统一般使用实时操作系统(RTOS)

嵌入式系统往往对时间的要求非常严格,嵌入式操作系统一般是实时操作系统RTOS(Real-Time Operating System)。 嵌入式实时操作系统随时都要对正在运行的任务授予最高优先级。 嵌入式任务是时间关键性约束,它必须在某个时间范围内完成,否则由其控制的功能就会失效。 比如,控制飞行器稳定飞行的控制系统,如果因反馈速度不够,其控制算法就可能会失效,飞行器在空中飞行就会出问题。

(9)嵌入式系统需要专用开发工具和方法进行设计

从调试的观点看,代码在ROM 中意味着调试器不能在ROM 中设置断点。 要设置断点,调试器必须能够用特殊指令取代用户指令,嵌入式调试已经发展出支持嵌入式系统开发过程的专用工具套件。

(10)嵌入式微处理器通常包含专用调试电路

目前常用的嵌入式微处理器较过去相比,最大区别是芯片上都包含有专用调试电路。 如ARM 的Embedded ICE,这一点似乎与反复强调的嵌入式系统经济性相矛盾,事实上大多数厂商发现,为所有芯片加入调试电路会更经济。 嵌入式处理器发展到现在,厂商都认识到,具有片上调试电路是嵌入式应用产品广泛应用的必要条件之一,也就是说,他们的芯片必须能提供很好的嵌入式测试方案,解决嵌入式系统设计及调试问题,这样才会使开发者在考虑其嵌入式系统芯片时采纳这些厂商的芯片。

(11)嵌入式系统是知识集成系统

嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体工艺、电子技术和通信网络技术与各领域的具体应用相结合的产物,这一特点决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 嵌入式系统的广泛应用前景和巨大的发展潜力已成为21 世纪的IT 技术发展的热点之一。

从某种意义上来说,通用计算机行业的技术是垄断的。 占整个计算机行业90%的PC 产业,80%采用Intel 的8086 体系结构,芯片基本上出自Intel、AMD 和Cyrix 等几家公司。 在几乎每台计算机必备的操作系统和办公软件方面,Microsoft 的Windows 及Office 占80% ～90%,凭借操作系统还可以搭配其他办公等应用程序。 因此,当代的通用计算机行业的基础已被认为是由Wintel 联盟(Microsoft 和Intel 20 世纪90 年代初建立的联盟)垄断的行业。

嵌入式系统则不同,没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断其全部市场。 即便在体系结构上存在着主流,但各不相同的应用领域决定了不可能由少数公司、少数产品垄断全部市场。 因此,嵌入式系统领域的产品和技术,必然是高度分散的,留给各个行业的中小规模高技术公司的创新余地很大。 另外,社会上的各个应用领域是在不断向前发展的,要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展,尽管高科技技术的发展起伏不定,但是嵌入式行业却一直保持持续强劲的发展态势,在复杂性、实用性和高效性等方面都达到了一个前所未有的高度。