导言
嵌入式体系是将运用程序和操作体系与核算机硬件集成在一起的体系，它以运用为中心、以核算机技能为根底、软件硬件可裁剪、功用、可靠性、本钱、体积、功耗严格要求的专用核算机体系。这种体系具有软件代码小，高度自动化，呼应速度快等特色，特别适合于要求实时的和多使命的体系。嵌入式设备是指运用了嵌入式体系的核算机设备。从某种含义上来讲确实是大型核算设备的一个微缩，这一微缩必定多少会带来相对功用上的削弱。但正是这一体积的微缩带给人们的便利却是无法比拟的。具有嵌入式设备，人们可以随时随地的阅读电子书籍，预订机票，在任何一个生疏的城市都不会丢掉，甚至可以在最短的时刻内看到任何一部想看到的电影。
关于嵌入式设备的软件开发2001年IT工业出产20亿台微型核算机。其间，95%将用于嵌入设备用途。因而，与其以每年上市的1亿5000万台网络化核算机为研讨方针，倒不如加大力度推进80亿台嵌入设备的网络化、将注意力放在制作与之相习惯的软件上来。美国英特尔公司研讨部分的领导人 DavidTennenhouse在旧金山举行的CompuTIngConTInuumConference会议上这样说道"有关核算机的研讨，比起1亿 5000万台核算机，更应该加大8亿台嵌入微处理器设备的网络化"。构筑不管何时何地都可与网络连接的环境以及开发习惯型软件已成为燃眉之急。在细心调查了国外嵌入式设备软件现状和国内的商场潜力后，嵌入式设备软件将在国内掀起一场软件革新!
1 嵌入式处理器技能
嵌入式体系的中心是嵌入式微处理器。嵌入式处理器是用于在核算机之外的设备中供给增加的功用性的核算机芯片，它常常用于操控和监控领域。
椐国际半导体交易统计数据蓝皮书中的审计报告显现， 从单位销售额视点看，象Intel公司的PenTIum体系、Advanced Micro Devices公司的Athlon以及IBM和Motorola公司的PowerPC等处理器的商场份额只占国际商场的6%，余下的94%，即50亿片芯片为嵌入式微处理器。据估计，均匀每个美国家庭具有大约60片内嵌式处理器。 一些嵌入式处理器是由桌面商场中传下来的东西，即便关于今日的PC现已过期，但关于处理功用要求较低的使命却捉襟见肘的芯片。曩昔驱动象TRS-80 、Apple II和Commodore 64这类前期PC的Z80和6502处理器现在仍是十分热销的产品。 甚至最初级的4位处理器的销售量也远远超越象PenTIum这类32位处理器。旧式的处理器也没有淡出江湖：它们仅仅变为嵌入式了。 因而，嵌入式微处理器商场异乎寻常的宽广。在PC商场的任何时刻，微处理器之间功用距离只要约3比1,现在速度最快的芯片以1GHz速度运转，而最慢的最常用的芯片的速度为333MHz。与此比较，仅就32位嵌入式微处理器来说，其功用规模为500比1。假如你在4位和8位嵌入式处理器中进行比较的话，功用规模为几千比一。
跟着这类处理器体积越变越小，价格越来越廉价，功用越来越强壮，它们将进入到更多的设备和产品中。现在，它们现已存在于会歌唱的贺卡和丈量行程的运动鞋中。终究，因为毫微米技能的呈现，它们将变得象原子那样一般，而且简直象原子那样小。
嵌入式体系的广泛运用正是嵌入式微处理器具有以下4个特色：
①对实时多使命有很强的支撑才干，能完结多使命而且有较短的中止呼应时刻，然后使内部的代码和实时内中心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，以能最敏捷地开展出满意运用的最高功用的嵌入式微处理器。④嵌入式微处理器有必要功耗很低，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，如需求功耗只要mW甚至μW级。
1.1 嵌入式处理器的种类
现在据不完全统计，全国际嵌入式处理器的种类总量现已超越1000多种，盛行体系结构有30几个系列，其间8051体系的占有八成。出产8051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作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16-32MB，处理速度从0.1MIPS到 2000MIPS，常用封装从8个引脚到144个引脚。依据其现状，嵌入式核算机可以分红下面几类：
① 嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)
嵌入式微处理器的根底是通用核算机中的CPU。在运用中，将微处理器装配在专门规划的电路板上，只保存和嵌入式运用有关的母板功用，这样可以大幅度减小体系体积和功耗。为了满意嵌入式运用的特别要求，嵌入式微处理器虽然在功用上和规范微处理器基本是相同的，但在作业温度、抗电磁搅扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。
和工业操控核算机比较，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、本钱低、可靠性高的利益，可是在电路板上有必要包含ROM、RAM、总线接口、各种外设等器材，然后降低了体系的可靠性，技能保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板核算机。如STD-BUS、 PC104 等。近年来，德国、日本的一些公司又开宣布了相似“火柴盒”式手刺巨细的嵌入式核算机系列OEM产品。
嵌入式微处理器现在首要有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，望文生义，便是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一种微处理器内核为中心，芯片内部集成 ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、守时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、 EEPROM等各种必要功用和外设。为习惯不同的运用需求，一般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是相同的，不同的是存储器和外设的装备及封装。这样可以使单片机最大极限地和运用需求相匹配，功用不多不少，然后削减功耗和本钱。
和嵌入式微处理器比较，微操控器的最大特色是单片化，体积大大减小，然后使功耗和本钱下降、可靠性进步。微操控器是现在嵌入式体系工业的干流。微操控器的片上外设资源一般比较丰富，适合于操控，因而称微操控器。
嵌入式微操控器现在的种类和数量最多，比较有代表性的通用系列包含8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、 C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。别的还有许八成通用系列如：支撑USB接口的MCU8XC930/931、 C540、C541;支撑I2C、CAN-Bus、LCD及许多专用MCU和兼容系列。现在MCU占嵌入式体系约70%的商场份额。特别值得注意的是近年来供给X86微处理器的闻名厂商AMD公司，将Am186CC/CH/CU等嵌入式处理器称之为Microcontroller, MOTOROLA公司把以Power PC为根底的PPC505和PPC555亦列入单片机队伍。TI公司亦将其TMS320C2XXX系列DSP做为MCU进行推行。
③ 嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)
DSP处理器对体系结构和指令进行了特别规划，使其适合于履行DSP算法，编译功率较高，指令履行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱剖析等方面DSP算法正在许多进入嵌入式领域，DSP运用正在从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处理器有两个开展来历，一是DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器，TI的TMS320C2000/C5000 等属于此领域;二是在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器，例如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore。推进嵌入式DSP处理器开展的另一个要素是嵌入式体系的智能化，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，虚拟实践显现等。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处理器的利益地点。
嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TexasInstruments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。别的PHILIPS公司本年也推出了依据可重置度胧? SP结构低本钱、低功耗技能上制作的 R. E. A. L DSP 处理器，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)
跟着EDI的推行和VLSI规划的普及化，及半导体工艺的敏捷开展，在一个硅片上完结一个更为杂乱的体系的年代已降临，这便是System On Chip(SOC)。各种通用途理器内核将作为SOC规划公司的规范库，和许多其它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等言语描绘，存储在器材库中。用户只需定义出其整个运用体系，仿真通往后就可以将规划图交给半导体工厂制作样品。这样除个别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练，关于减小体积和功耗、进步可靠性十分有利。
SOC可以分为通用和专用两类。通用系列包含Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器材，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，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是Philips的 SmartXA，它将XA单片机内核和支撑超越2048位杂乱RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，构成一个可加载JAVA或C言语的专用的SOC，可用于群众互联网如Internet安全方面。
1.2 嵌入式处理器分类的变迁
国际上公认的通用嵌入式处理器有三大类：MCU、DSP和MPU(Micro-Processor Unit)。TI公司曾把处理器比作轿车，有个生动的比方：DSP是跑车，寻求的是速度;MPU是轿车，寻求的是经济性与速度的折中;MCU是满意特别用途的车。
现在，跟着处理速度的要求越来越高，一起处理的数据愈加杂乱，呈现了双核与多核处理器，一般为DSP+RISC芯核，如Infineon公司的 TriCore(CISC+RISC+DSP)，Philips公司的Trimedia。跟着一些许多运用商场的鼓起，又呈现了一些新名词，例如用于网络、通讯设备上的通讯处理器(2000年左右鼓起)，数码相机、数码录像机等视频、音频流所需的媒体处理器(2003年鼓起)，智能手机上的运用途理器(2004年鼓起)。
因为一些处理器不只要有速度，还要有操控功用，又呈现了DSP与MCU的结合品，主攻电机操控商场。如Freescale公司的DSP运用了其在MCU操控方面的技能;Microchip 2004年2月也推出了这种产品，称为DSC(Digital Signal Controller)。
处理器IP(常识产权)：
为了满意多芯核与SoC规划的需求，还有一些厂家专门供给处理器芯核的IP厂商，芯核首要有16位、32位、64位，有软核与硬核。值得一提的是，国际上最成功的IP厂商是做处理器芯核公司–ARM公司，至本年6月付运量已达20亿个，可见处理器职业的广博。多芯核商场开展潜力宽广，在 2004年2月美国的Electronic Summit 2004上，做64位RISC IP的Tensilica公司总裁Chris Rowen博士说，未来十年，一块芯片中需求上千个处理器芯核，每秒要完结1012运算。
2 嵌入式处理器芯片的开发
2.1 嵌入式处理器芯片的一般开发进程
虽然有几千种现成的芯片可供挑选，可是许多产品的规划者需求一些异乎寻常的特性。因而，他们开发自己的嵌入式芯片，即所谓的专用集成电路。
一位规划人员开端时需求从一家公司获得嵌入式微处理器的内核的授权，然后增加他自己运用特有的特性。例如，关于数字照相机处理器来说，他可能为这种电荷耦合设备的芯片增加一个操控器。又比方，关于具有Internet功用的家电处理器来说，可以增加一个Ethernet接口。 这位规划者然后将他的规划交给“铸造厂”，即一家具有“工厂”(芯片制作厂)的公司，并将部分制作量出售给其他公司。首要的制作厂有United Microelectronics公司、台湾的TSMC公司和美国的IBM Microelectronics公司。
关于一些规划者来说，甚至这种灵活性还不够用。他们可以找到某些公司，这些公司具有可高度定制嵌入式微处理器内核的许可证。运用这类内核，可以开宣布用于特别意图的新机器级指令。 关于数字相机处理器而言，一条进步JPEG 图画紧缩的指令具有很高的价值。 关于MP3音乐播放器来说，一条加快音频解紧缩的指令具有相同的用途。然后， 定制的规划被交给“铸造厂”进行出产 和通用核算机不同，嵌入式体系的硬件和软件都有必要高功率地规划，因地制宜、去除冗余，力求在相同的硅片面积上完结更高的功用，这样才干在详细运用对处理器的挑选面前更具有竞争力。嵌入式处理器要针对用户的详细需求，对芯片装备进行裁剪和增加才干到达抱负的功用;但一起还受用户订货量的限制。因而不同的处理器面向的用户是不相同的，可能是一般用户，职业用户或单一用户。
嵌入式处理器的开展也体现出稳定性，一个体系一般要存在8-10年的时刻。一个体系结构及其相关的片上外设、开发东西、库函数、嵌入式运用产品是一套杂乱的常识体系，用户和半导体厂商都不会轻易地抛弃一种处理器。
2.2 依据嵌入式处理器的嵌入式体系的开发东西
嵌入式处理器是一个杂乱的高技能体系,要在短时刻内把握并开宣布一切功用是很不简略的,而商场竞争则要求产品可以快速上市,这一对立要求嵌入式处理器可以有简略把握和运用的开发东西渠道。进步用户和程序员的时刻–投入回报率。面临成百上千种处理器,挑选是一个问题，学习把握处理器结构及其运用更需求时刻,因而以开发东西和技能咨询为根底的全体解决方案是迫切需求的。好的开发东西除可以开宣布处理器的悉数功用以外,还应当是对用户友爱的。
现在嵌入式体系的开发东西渠道首要包含下面几类：
① 实时在线仿真体系ICE(In-CircuitEmulator)
在核算机辅助规划十分兴旺的今日,实时在线仿真体系(ICE)仍是进行嵌入式运用体系调试最有用的开发东西。ICE首要可以经过实践履行,对运用程序进行原理性查验,扫除人的思想难以发现的规划逻辑过错。ICE的另一个首要功用是在运用体系中仿真微操控器的实时履行,发现和扫除因为硬件搅扰等引起的反常履行行为。此外,高档的ICE带有完善的盯梢功用,可以将运用体系的实践状况改变、微操控器对状况改变的反响、以及运用体系
对操控的呼应等以一种录像的办法接连记载下来,以供剖析,在剖析中优化操控进程。许多机电体系难以树立一个准确有用的数字模型,或是树立模型需求许多人力,这时选用ICE的盯梢功用对体系进行记载和剖析是一个快而有用的办法。
嵌入式运用的特色是和实践国际中的硬件体系有关,存在各种异变和事前不知道的改变,这就给微操控器的指令履行带来了各种不确定性,这种不确定性只要经过ICE的实时在线仿真器才干发现,特别是在剖析可靠性时要在相同条件下屡次仿真,以发现偶尔呈现的过错。
ICE不只是软件硬件排错东西,一起也是进步和优化体系功用指标的东西。高档ICE东西(如美国NOHAU公司的产品)是可依据用户出资裁剪功用的体系, 亦可依据需求挑选装备各种层次的实时逻辑盯梢器(Trace)、实时映象存储器(Shadow RAM)及程序功率实时剖析功用(PPA)。
② 高档言语编译器(Compiler Tools)
C言语作为一种通用的高档言语,大幅度进步了嵌入式体系工程的作业功率,充沛发挥出嵌入式处理器日益进步的功用,缩短产品进入商场时刻。别的，C言语便于移植和修正，使产品的晋级和承继更敏捷。更重要的是选用C言语编写的程序易于在不同的开发者之间进行沟通,然后促进了嵌入式体系开发的工业化。
差异于一般核算机中的C言语编译器,嵌入式体系中的C言语编译器要专门进行优化,以进步编译功率。优异的嵌入式体系C编译器代码长度和履行时刻仅比以汇编言语编写的相同功用程度长5-20%。编译功率的不同,是差异嵌入式体系C编译器之间功用不同的重要依据之一。而C编译器剩余的5-10%功率不同,完全可以由现代微操控器的高速度、大存储器空间以及产品提早进入商场来补偿。
新式的微操控器指令速度不断进步,存储器空间也相应加大,现已到达甚至超越了现在的通用核算机中的微处理器,为嵌入式体系工程选用曩昔一向不敢问津的C+ +言语发明了条件。C++言语强壮的类、承继等功用更便于完结杂乱的程序功用。可是C++言语为了支撑杂乱的语法,在代码生成功率方面难免有所下降。为此,1995年头在日本建立的Embedded C++技能委员会经过几年的研讨,针对嵌入式运用制订了减小代码尺度的EC++规范。EC++保存了C++的首要利益,供给对C++的向上兼容性,并满意嵌入式体系规划的一些特别要求。在嵌入式高档言语编译器方面处于领先地位的Tasking公司，是EC++技能委员会成员之一,也是最早推出EC++产品的公司。
C/C++/EC++引进嵌入式体系,使得嵌入式开发和个人核算机、小型机等之间在开发上的不同正在逐步消除,软件工程中的许多经历、办法甚至库函数可以移植到嵌入式体系。在嵌入式开发中选用高档言语,还使得硬件开发和软件开发可以分工,从事嵌入式软件开发不再有必要通晓体系硬件和相应的指令集汇编。
另一种高档言语JAVA的开展则具有戏剧性。JAVA本来是为设备独立的嵌入式体系规划的、为了进步程序承继性的言语，可是现在依据JAVA的嵌入式开发东西代码生成长度要比嵌入式C编译东西差10倍以上。因而EC++很可能在未来的一段时刻内仍是嵌入式体系的干流。
③ 源程序模仿器(Simulator)
源程序模仿器是在广泛运用的、人机接口齐备的作业渠道上,如小型机和PC,经过软件手法模仿履行某种嵌入式处理器内核编写的源程序测验东西。简略的模仿器可以经过指令解说办法逐条履行源程序,分配虚拟存储空间和外设,供程序员查看;高档的模仿器可以运用核算机的外部接口模仿出处理器的I/O电气信号。不同层次和功用模仿器东西价格距离巨大。模仿器软件独立于处理器硬件,一般与编译器集成在同一个环境中,是一种有用的源程序查验和测验东西。但值得注意的是, 模仿器究竟是以一种处理器模仿另一种处理器的运转,在指令履行时刻、中止呼应、守时器等方面很可能与实践处理器有适当的不同。别的它无法和ICE相同,仿真嵌入式体系在运用体系中的实践履行情况。
3 结束语
嵌入式体系是将核算机直接嵌入到运用体系中，是信息技能的终究产品。嵌入式体系的中心便是嵌入式处理器。嵌入式体系是信息工业走向二十一世纪常识经济年代的最重要的经济增长点之一，这是一个不行独占的工业,对我国的信息工业来说充满了机会和应战。国际这么广阔，充满了多样化，尤其是咱们现已进入到后PC年代–无所不在的核算(nomadic computing)使嵌入式处理器将广泛咱们可以幻想得到的各个旮旯，因而，每种处理器都有存在的理由，都有可扩展的方向。这一点应特别引起我国信息工业界的重视。
跟着我国的龙芯、北群众志、方舟、星光、汉芯等处理器芯片的面世，我国无芯的年代现已曩昔。“软件是大脑，芯片是心脏。”我国芯的含义不只仅是我国有了自己的中心芯片，更重要的是我国也开端参加了国际半导体竞技场的比赛，这样更有利于我国在21世纪愈加主动地、有利地、有用地共享嵌入式运用这块大蛋糕。
