Windows CE嵌入式導航系統研究( 嵌入式系統的概述)

1.1 嵌入式系統的概述1.1.1 嵌入式系統的定義與組成

嵌入式系統是以應用為中心，以電腦技術為基礎，軟硬體可裁減，適用於應用系統，對功能、可靠性、成本、體積和功耗等方面有特殊要求的專用的電腦系統。嵌入式系統與通用電腦系統的本質區別在於系統應用不同，嵌入式系統是將一個電腦系統嵌入到對象系統中。這個對象可能是龐大的機器，也可能是小巧的手持功能，使用者並不關心這個電腦系統的存在。嵌入式系統涉及電腦技術、微電子技術、電子技術、通訊和軟體等各行各業，它是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識整合系統。

嵌入式系統一般包含嵌入式微處理器、外圍硬體裝置、嵌入式作業系統和應用程式 4 個部分。任何嵌入式系統都包括硬體和軟體兩個方面。硬體包括微處理器、儲存空間、I/O 連接埠和圖形控制器。軟體包括作業系統軟體和應用軟體，應用軟體控制著嵌入式系統的運作和行為，而作業系統則為應用程式提供必要的底層支援。圖 1.1給出了典型嵌入式硬體平台的組成[3]。

圖 1.1 嵌入式硬體平台組成

1.1.2 嵌入式系統的硬體

嵌入式系統的核心組件是嵌入式處理器。據不完全統計，全世界嵌入式微處理器的品種數量已經超過 1000 多種，流行體繫結構有 30 多個。近年來嵌入式微處理器的主要發展方向是小體積、高效能、低功耗。專業分工也越來越明顯，出現了專業的 IP （Intellectual Property Core，智慧財產權核）供應商，如 ARM、MIPS 等，他們通過提供優質、高效能的嵌入式微處理器核心，由各個半導體廠商生產面向各個應用領域的晶片。一般可以將嵌入式微處理器分成4類，即嵌入式微處理器（MicroProcessor Unit，MPU）、嵌入式微控制器 （MicroController Unit，MCU）、嵌入式 DSP 處理器（Digital Signal Processor，DSP）和嵌入式片上系統（System on Chip，SOC）。

嵌入式處理器一般具有以下4個特點：

(1) 對即時多任務作業系統具有很強的支援能力。能夠實現多任務並且有較短的中斷回應時間，從而使內部的代碼和即時核心的執行時間減少到最低限度。

(2) 具有功能很強的儲存區保護功能。由於嵌入式系統的軟體結構一般為模組化，為了避免在軟體模組之間出現錯誤的交叉作用，需要設計強大的儲存區保護功能，同時也有利於軟體故障診斷。

(3) 處理器結構可擴充。能夠快速開發出滿足各種應用和高效能的嵌入式微處理器。

(4) 低功耗。尤其是用於攜帶型的無線及移動計算和通訊裝置的嵌入式系統，功耗可以達到mW級甚至μW級。

1.1.3 嵌入式系統的軟體

嵌入式系統的軟體一般由嵌入式作業系統和應用軟體組成。作業系統是串連電腦硬體與應用程式的系統程式。作業系統有兩個準系統：使電腦硬體便於使用；高效組織和正確地使用電腦的資源。 作業系統有 4 個主要任務：進程管理、處理序間通訊與同步、記憶體管理和 I/O 資源管理。

嵌入式作業系統可以分為即時作業系統和分時作業系統兩類。即時作業系統是指具有即時性，能支援即時控制系統工作的作業系統。即時作業系統的首要任務是調度一切可利用的資源完成即時控制任務；其次才著眼於提高電腦的使用效率，其重要特點是通過任務調度來滿足對於重要事件在規定時間內做出正確的響應。對於分時作業系統，軟體的執行在時間上的要求並不嚴格，時間上的延誤或者時序上的錯誤，一般不會造成災難性的後果。而對於即時作業系統，主要任務是對事件進行即時的處理，雖然事件可能在無法預知的時刻到達，但是軟體必須在事件隨機發生時，在嚴格的時限內做出響應（系統的回應時間）。即使是系統處在尖峰負荷下，也應如此，系統時間響應的超過就意味著致命的失敗。另外，即時作業系統的重要特點是具有系統的可確定性，即系統能對啟動並執行最好和最壞情況做出精確的估計。

據調查，目前全世界的嵌入式系統已經有200多種。從20世紀80年代開始，出現了一些商用的嵌入式作業系統， 它們大部分都是為專有系統而開發的。隨著嵌入式領域的發展，各種各樣嵌入式作業系統相繼問世。有許多商業的嵌入式作業系統，也有大量開放源碼的嵌入式作業系統。常見的嵌入式作業系統有： Vxworks、Neculeus、WinCE、Embedded Linux、μC/OS 和μC/OS-II、PalmOS、QNX、Delta OS、Hopen OS、pSOS 等。 嵌入式系統的應用軟體是針對特定的實際專業領域，基於相應的嵌入式硬體平台，並能完成使用者預期任務的電腦軟體。使用者的任務可能有時間和精度的要求。有些應用軟體需要嵌入式作業系統的支援，但在簡單的應用場合下則不需要專門的作業系統。

1.1.4 嵌入式系統的特點

嵌入式系統是面向使用者、面向產品、面嚮應用的，它必須與具體應用相結合才會具有優勢。嵌入式系統具有很強的專用性，必鬚根據應用需求對軟硬體進行裁減，滿足應用系統功能、可靠性、成本、體積等要求。在嵌入式系統中，具體的應用將決定對硬體和軟體的需求，如晶片、儲存空間、I/O 擴充和作業系統、應用程式編製等[3]。

嵌入式電腦系統同通用型電腦系統相比具有以下特點：

(1) 嵌入式系統是面向特定系統應用的。嵌入式處理器大多數是專門為特定應用設計的，具有低功耗、體積小、整合度高等特點，一般是包含各種外圍裝置介面的片上系統。

(2) 嵌入式系統涉及電腦技術、微電子技術、電子技術、通訊和軟體等各行各業，它是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識整合系統。

(3) 嵌入式系統的硬體和軟體都必須具備高度可定製性。只有這樣才能適用嵌入式系統應用的需要，在產品價格效能等方面具備競爭力。

(4) 嵌入式系統的生命週期相當長。當嵌入式系統應用到產品以後，還可以進行軟體升級，它的生命週期與產品的生命週期幾乎一樣長。

(5) 嵌入式系統本身不具備本地系統開發能力，通常需要有一套專門的開發工具和環境。

1.1.5 嵌入式系統的應用領域

嵌入式系統概念的提出已有相當長的時間，主要被應用于軍事領域和工業控制領域。隨著數字技術的發展和新的體積更小的控制晶片和功能更強的作業系統的出現，嵌入式系統在很多領域得到了廣泛的應用，如國防、工業控制、通訊、辦公自動化和消費電子領域。現今嵌入式系統帶來的工業年產值已超過1 萬億美元。

(1) 工業過程式控制制：目前已經有大量的 8、16、32 位嵌入式微控制器應用在工業過程式控制制、數控機床、電力系統、電網安全、電網裝置監控、石油化工系統等領域。隨著技術的發展，32、64 位元的微處理器逐漸成為工業控制裝置的核心，在未來的幾年內必將獲得更大的發展。

(2) 交通管理：在車輛導航、流量控制、資訊監測與汽車服務方面，嵌入式系統技術已經獲得了廣泛的應用，內嵌 GPS 模組、GSM 模組的移動定位終端已經在各種運輸行業成功使用。

(3) 資訊家電：這將成為嵌入式系統最大的應用領域，冰箱、空調等的網路化、智能化將引領人們的生活步入一個嶄新的空間。即使不在家裡，也可以通過電話線、網路進行遠端控制。在這些裝置中，嵌入式系統將大有用武之地。

(4) 家庭智能管理系統：水、電、瓦斯表的遠程自動抄表，安全防火、防盜系統，其中嵌入的專用控制晶片將代替傳統的人工檢查，並實現更高、更準確和更安全的效能。

(5) POS 網路及電子商務：公用交 通無接觸智慧卡（Contactless Smatrcard，CSC）發行系統、公用電話卡發行系統、自動售貨機、各種智能 ATM終端將全面走入人們的生活。

(6) 環境監測：包括水文資料即時監測、防洪體系及水土品質監測、堤壩安全、地震監測網、即時氣象資訊網、水源和空氣汙染監測等。在很多環境惡劣、地況複雜的地區，嵌入式系統將實現無人監測。

隨著資訊技術的發展， 人類進入一個全新的數字時代， 可以毫不誇張地說，嵌入式系統已經進入到現代社會中人們生活的方方面面，可以說是“無處不在”，尤其是在控制方面的應用。在以後相當長的一段時間內，嵌入式技術將在消費電子領域飛速發展，嵌入式產品將與人們的生活結合得更為緊密。