一 什么是嵌入式体系
嵌入式体系一般指非 PC 体系，有核算机功用但又不称之为核算机的设备或器材。它是以运用为中心，软硬件可削减的，习惯运用体系对功用、牢靠性、本钱、体积、功耗等综合性严厉要求的专用核算机体系。简略地说，嵌入式体系集体系的运用软件与硬件于一体，类似于 PC 中 BIOS 的作业方法，具有软件代码小、高度自动化、呼应速度快等特色，特别适合于要求实时和多使命的体系。
嵌入式体系首要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作体系及运用软件体系等组成，它是可独立作业的“器材”。
嵌入式体系简直包含了日子中的全部电器设备，如掌上 PDA 、移动核算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、轿车、微波炉、数字相机、家庭自动化体系、电梯、空调、安全体系、自动售货机、蜂窝式电话、消
费电子设备、工业自动化外表与医疗仪器等。
嵌入式体系的硬件部分，包含处理器 / 微处理器、存储器及外设器材和 I/O 端口、图形操控器等。嵌入式体系有别于一般的核算机处理体系，它不具有像硬盘那样大容量的存储介质，而大多运用 EPROM 、 EEPROM 或闪存 (Flash Memory) 作为存储介质。软件部分包含操作体系软件 ( 要求实时和多使命操作 ) 和运用程序编程。运用程序操控着体系的运作和行为；而操作体系操控着运用程序编程与硬件的交互效果。
二 嵌入式处理器
嵌入式体系的中心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具有 4 个特色： (1) 对实时和多使命有很强的支撑才能，能完结多使命并且有较短的中止呼应时刻，然后使内部的代码和实时操作体系的履行时刻削减到最低极限； (2) 具有功用很强的存储区维护功用，这是因为嵌入式体系的软件结构已模块化，而为了防止在软件模块之间呈现过错的穿插效果，需求规划强壮的存储区维护功用，一起也有利于软件确诊； (3) 可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满意运用的高功用的嵌入式微处理器； (4) 嵌入式微处理器的功耗有必要很低，尤其是用于便携式的无线及移动的核算和通讯设备中靠电池供电的嵌入式体系更是如此，功耗只能为 mW 乃至μ W 级。
据不彻底统计，现在全世界嵌入式处理器的品种总量现已超越 1000 种，盛行的体系结构有 30 多个系列。其间 8051 体系占八成，出产这种单片机的半导体厂家有 20 多个，共 350 多种衍出产品，仅 Philips 就有近 100 种。现在简直每个半导体制造商都出产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器规划部分。嵌入式处理器的寻址空间一般从 64kB 到 16MB ，处理速度为 0.1~2000MIPS ，常用封装 8~144 个引脚。
依据现状，嵌入式核算机可分红下面几类。
(1) 嵌入式微处理器 (Embedded Microprocessor Unit, EMPU)
嵌入式微处理器选用“增强型”通用微处理器。因为嵌入式体系一般运用于环境比较恶劣的环境中，因而嵌入式微处理器在作业温度、电磁兼容性以及牢靠性方面的要求较通用的规范微处理器高。可是，嵌入式微处理器在功用方面与规范的微处理器根本上是相同的。依据实践嵌入式运用要求，将嵌入式微处理器装配在专门规划的主板上，只保存和嵌入式运用有关的主板功用，这样能够大幅度减小体系的体积和功耗。和工业操控核算机比较，嵌入式微处理器组成的体系具有体积小、重量轻、本钱低、牢靠性高的长处，但在其电路板上有必要包含 ROM 、 RAM 、总线接口、各种外设等器材，然后降低了体系的牢靠性，技能保密性也较差。由嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路主板上构成一个一般所说的单板机体系。嵌入式处理器现在首要有 Am186/88 、 386EX 、 SC-400 、 Power PC 、 68000 、 MIPS 、 ARM 系列等。
(2) 嵌入式微操控器 (Microcontroller Unit, MCU)
嵌入式微操控器又称单片机，它将整个核算机体系集成到一块芯片中。嵌入式微操控器一般以某种微处理器内核为中心，依据某些典型的运用，在芯片内部集成了 ROM/EPROM 、 RAM 、总线、总线逻辑、守时 / 计数器、看门狗、 I/O 、串行口、脉宽调制输出、 A/D 、 D/A 、 Flash RAM 、 EEPROM 等各种必要功用部件和外设。为习惯不同的运用需求，对功用的设置和外设的装备进行必要的修正和削减定制，使得一个系列的单片机具有多种衍出产品，每种衍出产品的处理器内核都相同，不同的是存储器和外设的装备及功用的设置。这样能够使单片机最大极限地和运用需求相匹配，然后削减整个体系的功耗和本钱。
和嵌入式微处理器比较，微操控器的单片化使运用体系的体积大大减小，
然后使功耗和本钱大幅度下降、牢靠性进步。因为嵌入式微操控器现在在产品的品种和数量上是全部品种嵌入式处理器中最多的，并且上述许多长处决议了微操控器是嵌入式体系运用的干流。微操控器的片上外设资源一般比较丰厚，适合于操控，因而称为微操控器。一般，嵌入式微处理器可分为通用和半通用两类，比较有代表性的通用系列包含 8051 、 P51XA 、 MCS-251 、 MCS-96/196/296 、 C166/167 、 68300 等。而比较有代表性的半通用系列，如支撑 USB 接口的 MCU 8XC930/931 、 C540 、 C541 ；支撑 I2C 、 CAN 总线、 LCD 等的很多专用 MCU 和兼容系列。现在 MCU 约占嵌入式体系市场份额的 70% 。
(3) 嵌入式 DSP 处理器 (Embedded Digital Signal Processor, EDSP
在数字信号处理运用中，各种数字信号处理算法适当杂乱，这些算法的杂乱度或许是 O(nm) 的，乃至是 NP 的，一般结构的处理器无法实时的完结这些运算。因为 DSP 处理器对体系结构和指令进行了特别规划，使其适合于实时地进行数字信号处理。在数字滤波、 FFT 、谱分析等方面， DSP 算法正很多进入嵌入式范畴， DSP 运用正从在通用单片机中以一般指令完结 DSP 功用，过渡到选用嵌入式 DSP 处理器。嵌入式 DSP 处理器有两类：
(1)DSP 处理器经过单片化、 EMC 改造、添加片上外设成为嵌入式 DSP 处理器，TI 的 TMS320C2000 / C5000 等属于此范畴；
(2) 在通用单片机或 SOC 中添加 DSP 协处理器，例如 Intel 的 MCS-296 和 Infineon(Siemens) 的 TriCore 。
其他，在有关智能方面的运用中，也需求嵌入式 DPS 处理器，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息辨认终端，带有加解密算法的键盘， ADSL 接入、实时语音压解体系，虚拟现实显现等。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是 DSP 处理器的优势地点。嵌入式 DSP 处理器比较有代表性的产品是 TI 的 TMS320 系列和 Motorola 的 DSP56000 系列。 TMS320 系列处理器包含用于操控的 C2000 系列、移动通讯的 C5000 系列，以及功用更高的 C6000 和 C8000 系列。 DSP56000 现在现已开展成为 DSP56000 、 DSP56100 、 DSP56200 和 DSP56300 等几个不同系列的处理器。其他， Philips 公司最近也推出了根据可重置嵌入式 DSP 结构，选用低本钱、低功耗技能制造的 R. E. A. L DSP 处理器，其特色是具有双 Harvard 结构和双乘 / 累加单元，运用方针是大批量消费类产品。
(4) 嵌入式片上体系 (System On Chip, SOC)
跟着 EDI 的推行和 VLSI 规划的普及化，以及半导体工艺的迅速开展，能够在一块硅片上完结一个更为杂乱的体系，这就发生了 SOC 技能。各种通用处理器内核将作为 SOC 规划公司的规范库，和其他许多嵌入式体系外设相同，成为 VLSI 规划中一种规范的器材，用规范的 VHDL 、 Verlog 等硬件言语描绘，存储在器材库中。用户只需界说出其整个运用体系，仿真通往后就能够将规划图交给半导体工厂制造样品。这样除某些无法集成的器材以外，整个嵌入式体系大部分均可集成到一块或几块芯片中去，运用体系电路板将变得很简略，关于减小整个运用体系体积和功耗、进步牢靠性十分有利。
SOC 可分为通用和专用两类，通用 SOC 如 Infineon(Siemens) 的 TriCore 、 Motorola 的 M-Core ，以及某些 ARM 系列器材，如 Echelon 和 Motorola 联合研发的 Neuron 芯片等；专用 SOC 一般专用于某个或某类体系中，如 Ph
ilips 的 Smart XA ，它将 XA 单片机内核和支撑超越 2048 位杂乱 RSA 算法的 CCU 单元制造在一块硅片上，构成一个可加载 Java 或 C 言语的专用 SOC ，可用于互联网安全方面。
三 嵌入式操作体系
嵌入式操作体系是一种支撑嵌入式体系运用的操作体系软件，它是嵌入式体系 ( 包含硬、软件体系 ) 极为重要的组成部分，一般包含与硬件相关的底层驱动软件、体系内核、设备驱动接口、通讯协议、图形界面、规范化浏览器等 Browser 。嵌入式操作体系具有通用操作体系的根本特色，如能够有用办理越来越杂乱的体系资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中摆脱出来；能够供给库函数、驱动程序、东西集以及运用程序 。与通用操作体系比较较，嵌入式操作体系在体系实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及运用的专用性等方面具有较为杰出的特色。
1. 嵌入式操作体系的品种
一般情况下，嵌入式操作体系能够分为两类，一类是面向操控、通讯等范畴的实时操作体系，如 WindRiver 公司的 VxWorks 、 ISI 的 pSOS 、 QNX 体系软件公司的 QNX 、 ATI 的 Nucleus 等；另一类是面向消费电子产品的非实时操作体系，这类产品包含个人数字助理 (PDA) 、移动电话、机顶盒、电子书、 WebPhone 等。
a. 非实时操作体系
前期的嵌入式体系中没有操作体系的概念，程序员编写嵌入式程序一般直接面临裸机及裸设备。在这种情况下，一般把嵌入式程序分红两部分，即前台程序和后台程序。前台程序经过中段来处理事情，其结构一般为无限循环；后台程序则掌管整个嵌入式体系软、硬件资源的分配、办理以及使命的调度，是一个体系办理调度程序。这便是一般所说的前后台体系。一般情况下，后台程序也叫使命级程序，前台程序也叫事情处理级程序。在程序运转时，后台程序查看每个使命是否具有运转条件，经过必定的调度算法来完结相应的操作。关于实时性要求特别严厉的操作一般由中止来完结，仅在中止服务程序中标记事情的发生，不再做任何作业就退出中止，通往后台程序的调度，转由前台程序完结事情的处理，这样就不会形成在中止服务程序中处理费时的事情而影响后续和其他中止。
实践上，前后台体系的实时性比估计的要差。这是因为前后台体系以为全部的使命具有相同的优先等级，便是相等的，并且使命的履行又是经过 FIFO 行列排队，因而对那些实时性要求高的使命不行能马上得到处理。其他，因为前台程序是一个无限循环的结构，一旦在这个循环体中正在处理的使命溃散，使得整个使命行列中的其他使命得不到机会被处理，然后形成整个体系的溃散。因为这类体系结构简略，简直不需求 RAM/ROM 的额定开支，因而在简略的嵌入式运用被广泛运用。
b. 实时操作体系
实时体系是指能在确认的时刻内履行其功用并对外部的异步事情做出呼应的核算机体系。其操作的正确性不只依赖于逻辑规划的正确程度，并且与这些操作进行的时刻有关。“在确认的时刻内”是该界说的中心。也便是说，实时体系是对呼应时刻有严厉要求的。
实时体系对逻辑和时序的要求十分严厉，假如逻辑和时序呈现误差将会引起严重后果。实时体系有两品种型：软实时体系和硬实时体系。软实时体系仅要求事情呼应是实时的，并不要求限制某一使命有必要在多长时刻内完结；而在硬实时体系中，不只需求使命呼应要实时，并且要求在规则的时刻内完结事情的处理。一般，大多数实时体系是两者的结合。实时运用软件的规划一般比非实时运用软件的规划困难。实时体系的技能关键是怎么确保体系的实时性。
实时多使命操作体系是指具有实时性、能支撑实时操控体系作业的操作体系。其首要使命是调度全部可运用的资源完结实时操控使命，其次才着眼于进步核算机体系的运用功率，重要特色是要满意对时刻的限
制和要求。实时操作体系具有如下功用：使命办理 ( 多使命和根据优先级的使命调度 ) 、使命间同步和通讯 ( 信号量和邮箱等 ) 、存储器优化办理 ( 含 ROM 的办理 ) 、实时时钟服务、中止办理服务。实时操作体系具有如下特色：规划小，中止被屏蔽的时刻很短，中止处理时刻短，使命切换很快。
实时操作体系可分为可抢占型和不行抢占型两类。关于根据优先级的体系而言，可抢占型实时操作体系是指内核能够抢占正在运转使命的 CPU 运用权并将运用权交给进入安排妥当态的优先级更高的使命，是内核抢了 CPU 让其他使命运转。不行抢占型实时操作体系运用某种算法并决议让某个使命运转后，就把 CPU 的操控权彻底交给了该使命，直到它自动将 CPU 操控权还回来。中止由中止服务程序来处理，能够激活一个休眠态的使命，使之进入安排妥当态；而这个进入安排妥当态的使命还不能运转，一向要比及当时运转的使命自动交出 CPU 的操控权。运用这种实时操作体系的实时性比不运用实时操作体系的体系功用好，其实时性取决于最长使命的履行时刻。不行抢占型实时操作体系的缺陷也恰恰是这一点，假如最长使命的履行时刻不能确认，体系的实时性就不能确认。
可抢占型实时操作体系的实时性好，优先级高的使命只需具有了运转的条件，或者说进入了安排妥当态，就能够当即运转。也便是说，除了优先级最高的使命，其他使命在运转进程中都或许随时被比它优先级高的使命中止，让后者运转。经过这种方法的使命调度确保了体系的实时性，可是，假如使命之间抢占 CPU 操控权处理欠好，会发生体系溃散、死机等严重后果。
2. 嵌入式操作体系的开展
嵌入式操作体系伴跟着嵌入式体系的开展阅历了 4 个比较显着的阶段。
第一阶段是无操作体系的嵌入算法阶段，是以单芯片为中心的可编程操控器方法的体系，一起具有与监测、伺服、指示设备相配合的功用。这种体系大部分运用于一些专业性极强的工业操控体系中，一般没有操作体系的支撑，经过汇编言语编程对体系进行直接操控，运转完毕后铲除内存。这一阶段体系的首要特色是：体系结构和功用都相对单一，处理功率较低，存储容量较小，简直没有用户接口。因为这种嵌入式体系运用简洁、价格很低，曾经在国内工业范畴运用较为遍及，可是现已远远不能习惯高效的、需求大容量存储介质的现代化工业操控和新式的信息家电等范畴的需求。
第二阶段是以嵌入式 CPU 为根底、以简略操作体系为中心的嵌入式体系。这一阶段体系的首要特色是： CPU 品种繁复，通用性比较差；体系开支小， 功率高；一般装备体系仿真器，操作体系具有必定的兼容性和扩展性；运用软件较专业，用户界面不行友爱；体系首要用来操控体系负载以及监控运用程序运转。
第三阶段是通用的嵌入式实时操作体系阶段，是以嵌入式操作体系为中心的嵌入式体系。这一阶段体系的首要特色是：嵌入式操作体系能运转于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作体系内核精小、功率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具有文件和目录办理、设备支撑、多使命、网络支撑、图形窗口以及用户界面等功用；具有很多的运用程序接口 (API) ，开发运用程序简略；嵌入式运用软件丰厚。 第四阶段是以根据 Internet 为标志的嵌入式体系，这是一个正在迅速开展的阶段。现在大多数嵌入式体系还孤立于 Internet 之外，但跟着 Internet 的开展以及 Internet 技能与信息家电、工业操控技能等结合日益亲近，嵌入式设备与 Internet 的结合将代表着嵌入式技能的真实未来。
3. 运用实时操作体系的必要性
嵌入式实时操作体系在现在的嵌入式运用中用得越来越广泛，尤其在功用杂乱、体系巨大的运用中显得愈来愈重要。
首要，嵌入式实时操作体系进步了体系的牢靠性。在操控体系中，出于安全方面的考虑，要求体系最少不能溃散，并且还要有自愈才能。不只需求在硬件规划方面进步体系的牢靠性和抗搅扰性，并且
也应在软件规划方面进步体系的抗搅扰性，尽或许地削减安全漏洞和不行靠的危险。长期以来的前后台体系软件规划在遇到强搅扰时，使得运转的程序发生反常、犯错、跑飞，乃至死循环，形成了体系的溃散。而实时操作体系办理的体系，这种搅扰或许仅仅引起若干进程中的一个被损坏，能够经过体系运转的体系监控进程对其进行修正。一般情况下，这个体系监督进程用来监督各进程运转状况，遇到反常情况时采纳一些利于体系安稳牢靠的办法，如把有问题的使命铲除去。
其次，进步了开发功率，缩短了开发周期。在嵌入式实时操作体系环境下，开发一个杂乱的运用程序，一般能够依照软件工程中的解耦原则将整个程序分解为多个使命模块。每个使命模块的调试、修正简直不影响其他模块。商业软件一般都供给了杰出的多使命调试环境。 再次，嵌入式实时操作体系充分发挥了 32 位 CPU 的多使命潜力。 32 位 CPU 比 8 、 16 位 CPU 快，其他它本来是为运转多用户、多使命操作体系而规划的，特别适于运转多使命实时体系。 32 位 CPU 选用利于进步体系牢靠性和安稳性的规划，使其更简单做到不溃散。例如， CPU 运转状况分为体系态和用户态。将体系仓库和用户仓库分隔，以及实时地给出 CPU 的运转状况等，答运用户在体系规划中从硬件和软件两方面临实时内核的运转施行维护。假如仍是选用曾经的前后台方法，则无法发挥 32 位 CPU 的优势。
从某种意义上说，没有操作体系的核算机 ( 裸机 ) 是没有用的。在嵌入式运用中，只要把 CPU 嵌入到体系中，一起又把操作体系嵌入进去，才是真实的核算机嵌入式运用。
4. 实时操作体系的优缺陷
在嵌入式实时操作体系环境下开发实时运用程序使程序的规划和扩展变得简单，不需求大的改动就能够添加新的功用。经过将运用程序分割成若干独立的使命模块，使运用程序的规划进程大为简化；并且对实时性要求严苛的事情都得到了快速、牢靠的处理。经过有用的体系服务，嵌入式实时操作体系使得体系资源得到更好的运用。可是，运用嵌入式实时操作体系还需求额定的 ROM/RAM 开支， 2~5% 的 CPU 额定负荷，以及内核的费用。
