嵌入式系統的構建

        近些年來，隨著以電腦技術，通訊技術為主的資訊技術的快速發展和Internet 的廣泛
應用,傳統的控制學科正在發生變革，出現了許多新的生長點。伴隨而來的一個現象是控制
專業的相當多的學生在畢業後進入了電腦，通訊行業，以致有人說學控制沒有用，自動
化專業可以取消了。這些情況的出現使我們控制教育工作者反覆思考，傳統的控制應如何
拓寬它的領域？控制專業應該教什麼才使學生感到有用？
近些年我們在嵌入式系統及其應用的科研工作中採用了資訊產業中的最新技術，打破
了學科之間的界限，感到控制的出路原來很多，儘管處處是挑戰。過去我們熟悉的“控制”
有很大的局限性.：一是不考慮硬體的限制, 二是不考慮控制器的複雜性及計算能力， 三是
不注重實用性和效益。在微處理器，微感應器和微型執行元件不斷推出新產品的形勢下,
控制的思路與手段正經曆著巨大的變化。在經過一番艱苦的實踐摸索之後，我們對控制學
科的研究和教學有了一些新的認識。本教材就是在我們這些年科研工作的基礎上總結出來
的，它還比較粗糙，還需要今後花大力氣把它完善與提高。現在拿出來作為試用教材供大
家參考，希望能為控制學科教學內容的更新作出我們的一點貢獻。
嵌入式系統的定義
嵌入式系統是指用於執行獨立功能的專用電腦系統。它由包括微處理器、定時器、
微控制器、儲存空間、感應器等一系列微電子晶片與器件，和嵌入在儲存空間中的微型操作系
統、控制應用軟體組成，共同實現諸如即時控制、監視、管理、移動計算、資料處理等各
種自動化處理任務。嵌入式系統以應用為中心，以微電子技術、控制技術、電腦技術和
通訊技術為基礎，強調硬體軟體的協同性與整合性，軟體與硬體可剪裁，以滿足系統對功
能、成本、體積和功耗等要求。
最簡單的嵌入式系統僅有執行單一功能的控制能力，在唯一的ROM 中僅有實現單一功
能的控製程序，無微型作業系統。複雜的嵌入式系統，例如個人數位助理（PDA）、手持電
腦（HPC）等，具有與PC 幾乎一樣的功能。實質上與PC 的區別僅僅是將微型作業系統與應
用軟體嵌入在ROM、RAM 和/或FLASH 儲存空間中，而不是存貯於磁碟等載體中。很多複雜的
嵌入式系統又是由若干個小型嵌入式系統組成的。
嵌入式系統的硬體/軟體特徵
嵌入式系統的硬體必鬚根據具體的應用任務，以功耗,成本,體積, 可靠性,處理能力等
為指標來選擇。嵌入式系統的核心是系統軟體和應用軟體，由於儲存空間有限，因而要求
軟體代碼緊湊，可靠，大多對即時性有嚴格要求。
早期的嵌入式系統設計方法，通常是採用“硬體優先”原則。即在只粗數量級估計軟體任
務需求的情況下，首先進行硬體設計與實現。然後，在此硬體平台之上，再進行軟體設計。
因而很難達到充分利用硬體軟體資源，取得最佳效能的效果。同時，一旦在測試時發現問
題，需要對設計進行修改時，整個設計流程將重新進行，對成本和設計周期的影響很大。
這種傳統的設計方法只能改善硬體/軟體各自的效能，在有限的設計空間不可能對系統做出
較好的效能綜合最佳化，在很大程度上依賴於設計者的經驗和反覆實驗。
90 年代以來隨著電子系統功能的日益強大和微型化，系統設計所涉及的問題越來越
多，難度也越來越大。同時硬體和軟體也不再是截然分開的兩個概念，而是緊密結合、相
互影響的。因而出現了軟硬體協同（codesign）設計方法，即使用統一的方法和工具對軟
，協同設計軟硬體體繫結構，以最大限度地挖掘系統軟硬體能力，避免由
於獨立設計軟硬體體繫結構而帶來的種種弊病，得到高效能低代價的最佳化設計方案。
嵌入式作業系統
目前流行的嵌入式作業系統可以分為兩類：一類是從運行在個人電腦上的作業系統向
下移植到嵌入式系統中，形成的嵌入式作業系統，如微軟公司的Windows CE 及其新版本，
SUN 公司的Java 作業系統，朗訊科技公司的Inferno，嵌入式Linux 等。這類系統經過個
人電腦或高效能運算機等產品的長期運行考驗，技術日趨成熟，其相關的標準和軟體開發
方式已被使用者普遍接受，同時積累了豐富的開發工具和應用軟體資源。
另一類是即時作業系統，如WindRiver 公司的VxWorks，ISI 的pSOS，QNX 系統軟體
公司的QNX，ATI 的Nucleus，中國科學院凱思集團的Hopen 嵌入式作業系統等，這類產
品在作業系統的結構和實現上都針對所面向的應用領域，對即時性高可靠性等進行了精巧
的設計，而且提供了獨立而完備的系統開發與測試工具，較多地應用在軍用產品和工業控
制等領域中。
Linux 是90 年代以來逐漸成熟的一個開放原始碼的作業系統。 PC 機上的Linux 版本
在全球數以百萬計愛好者的合力開發下，得到了非常迅速的發展。90 年代末uClinux，
RTLinux 等相繼推出，在嵌入式領域得到了廣泛的關注，它擁有大批的程式員和現成的應
用程式，是我們研究開發工作的寶貴資源。
學習嵌入式系統的意義
從控制意義上說，嵌入式系統涉及系統最底層的，晶片級的資訊處理與控制。在某種
意義上，對這些“微觀”世界的瞭解與駕馭正是控制的真正目的。嵌入式系統與通常意義
上的控制系統在設計思路和總體架構方面有許多不同之處，而這些不同之處恰恰是傳統控
制學科教學中較少教給學生的。在當今資訊化社會中，嵌入式系統在人們的日常工作和生
活中所佔的份額，可能已超過傳統意義的控制系統，這就是為什麼我們的學生感到學的沒
有用，而有用的又沒有學的原因。在嵌入式系統及開發環境方面，目前仍有許多問題尚在
研究發展之中，如，嵌入式系統的硬體軟體協同設計方法；面向多目標，多任務的微核心
嵌入式作業系統；分布嵌入式系統的即時性問題，分散式運算，分布式資訊互動與綜合處
理；以及嵌入式系統的多目標交叉編譯和交叉調試工具的研究等。我們希望通過這本教材
再配合我們的實驗開發平台，學習嵌入式系統的一些基本理論和硬體軟體綜合設計的方法
與技能，親自動手，實現一個嵌入式系統的解決方案，為今後的深入研究打下一個初步基
礎。
“嵌入式系統”作為自動化學科一門理論與實際密切結合的，知識與技術含量較高的綜
合性專業課程，必將隨著資訊產業的發展而逐漸趨於成熟。