嵌入式技術論文(2)
嵌入式技術論文篇二
嵌入式系統應用技術
【摘 要】本文介紹了嵌入式系統的含義、發展、現狀和我國在嵌入式系統中面臨的機遇，重點介紹了嵌入式系統的硬件，簡要說明了嵌入式操作系統。
【關鍵詞】單片機;操作系統;Linux;嵌入式系統
1.嵌入式系統的定義與市場前景
嵌入式系統是指以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可剪裁，適應應用系統對功能、可靠性、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。它主要由嵌入式微處理器、外圍硬設備、嵌入式操作系統及應用軟件等部分構成，用于實現對其他設備的控制、監視和管理等功能 。
PC機主要應用在辦公室自動化領域，而嵌入式已經滲入到人們的工作、生活中，如工業控制、交通管理、信息家電、家庭智能管理系統、POS網絡及電子商務、環境監測、機器人等領域 。今天嵌入式系統帶來的工業年產值已超過了1萬億美元，1997年來自美國嵌入式系統大會(Embedded System Conference)的報告指出，未來5年僅基于嵌入式計算機系統的全數字電視產品，就將在美國產生一個每年1500億美元的新市場。美國汽車大王福特公司的高級經理也曾宣稱，“福特出售的‘計算能力’已超過了IBM”，由此可以想見嵌入式計算器工業的規模和廣度。1998年11月在美國加州舉行的嵌入式系統大會上，基于RTOS的Embedded Internet成為一個技術新熱點。 美國著名未來學家尼葛洛龐帝99年1月訪華時預言，4～5年后嵌入式智能(計算機)工具將是PC和因特網之后最偉大的發明 。這就是所謂的“后PC時代”概念。
2.嵌入式系統發展階段
嵌入式系統的出現至今已經30多年的歷史。近幾年來，計算機(Computer)、通信(Communication)、消費電子(Consumer Electron)的一體化趨勢日益明顯，成就了3C融合之勢.縱觀其發展歷程，大致經歷了一下幾個階段。
第一階段是以單芯片為核心的可編程控制器(PLC)形式的系統，具有監測、伺服、指示設備相配合的功能。這類系統大部分應用在一些專業性強的工業控制系統中，沒有操作系統的支持，只通過匯編語言對其編程控制。
第二階段是單片機(又稱微控制器 MCU Microcontroller Unit)為基礎，這時候的編程語言從匯編轉變成以C語言為主。這一階段的MCU種類繁多，價格較低，現在依然發揮著重要作用。
第三階段是以嵌入式操作系統為標志的嵌入式系統。這時候的單片機速度越來越快，功能越來越多。這時候軟件主要運行在嵌入式操作系統上。嵌入式操作系統能運行各種不同類型的單片機上，兼容性好;用戶界面較友好，具有大量的應用程序接口API，開發應用程序簡單。
第四階段是以Internet為標志的嵌入式系統。隨著Internet的發展以及Internet技術與信息家電、控制技術日益結合，嵌入式系統通過各種總線形式和Internet的結合越來越密切 。
3.嵌入式系統的核心硬件
嵌入式系統的核心硬件是單片機，又稱微控制器(MCU)它是將計算機的基本部件微型化并集成到一塊芯片上的微型計算機，通常片內都含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定時器/計數器、中斷控制、系統時鐘及系統總線等。隨著技術的發展，單片機片內集成的功能越來越強大，并朝著SoC(System on chip片上系統)方向發展。單片機有著體積小、功耗低、功能強、性能價格比高、易于推廣應用等顯著優點，在自動化裝置、智能儀器儀表、過程控制、通信、家用電器等許多領域得到日益廣泛的應用。
目前據不完全統計，全世界嵌入式處理器的品種總量已經超過1000多種，流行體系結構有30幾個系列，其中8051體系的占有多半。生產8051單片機的半導體廠家有20多個，共350多種衍生產品。通常按單片機數據總線的位數將單片機分為4位、8位、16位、32位機。
3.1 四位單片機。四位單片機適合用于各種規模較小的家電類消費產品。一般的單片機廠家均有自己的四位單片機產品，有OKI公司的MSM64164C、MSM64481，NEC公司的75006×系列、EPSON公司的SMC62系列等。
典型應用領域有：PC機用的輸入裝置(鼠標、游戲桿)、電池充電器(Ni-Cd電池、鋰電池)、運動器材、帶液晶顯示的音、視頻產品控制器、一般家用電器的控制及遙控器、玩具控制、記時器、時鐘、表、計算器、多功能電話、LCD游戲機。
3.2 八位單片機。八位單片機是目前品種最為豐富、應用最為廣泛的單片機，有著體積小、功耗低、功能強、性能價格比高、易于推廣應用等顯著優點。目前主要分為MCS-51系列及其兼容機型和非MCS-51系列單片機。
MCS-51兼容產品因開發工具及軟硬件資源齊全而占主導地位， ATMEL、PHILIPS、WINBOND是MCS-51單片機生產的老牌廠家，CYGNAL及ST也推出新的產品，其中ST的新推出的μPSD系列片內有大容量FLASH(128/256KB)、8/32KB的SRAM、 集成A/D、看門狗、上電復位電路、兩路UART、支持在系統編程ISP及在應用中編程IAP等諸多先進特性，迅速被廣大51單片機用戶接受 。CYGNAL推出了Soc的51系列單片機C8051F系列。集成了A/D D/A電路、看門狗，上電復位電路、I C、SPI、CAN總線、 FLASH技術、JTAG仿真調試，并且最高達到了100MIPS
非51系列單片機在中國應用較廣的有MOTOROLA68HC05/08系列、 MICROCHIP的PIC單片機以及ATMEL的AVR單片機。
八位單片機在自動化裝置、智能儀器儀表、過程控制、通信、家用電器等許多領域得到廣泛應用。
3.3 十六位單片機。十六位單片機操作速度及數據吞吐能力在性能上比8位機有較大提高。目前以INTEL的MCS-96/196系列、TI的MSP430 系列及MOTOROLA的68HC11系列為主 。
十六位單片機主要應用于工業控制、智能儀器儀表 、便攜式設備等場合。其中TI的MSP430系列以其超低功耗的特性廣泛應用于低功耗場合。
3.4 三十二位單片機。32位單片機是單片機的發展趨勢，隨著技術發展及開發成本和產品價格的下降將會與8位機并駕齊驅。生產32位單片機的廠家與8位機的廠家一樣多。MOTOROLA、TOSHIBA、HITACH、NEC、EPSON、MITSUBISHI、SAMSUNG群雄割據， 其中以32位ARM單片機及MOTOROLA的MC683××、68K系列應用相對廣泛。基于ARM核的單片機占據了2001年的32位單片機市場75%的份額。
3.5 單片機技術的發展。從20年來單片機發展歷程可以看出，單片機技術的發展以微處理器(MPU)技術及超大規模集成電路技術的發展為先導，以廣泛的應用領域拉動，表現出以下技術特點。
8位、32位單片機共同發展。這是當前單片機技術發展的另一動向。長期以來，單片機技術的發展是以8位機為主的。隨著移動通訊、網絡技術、多媒體技術等高科技產品進入家庭，32位單片機應用得到了長足、迅猛的發展。
單片機速度越來越快。為提高單片機抗干擾能力，降低噪聲，降低時鐘頻率而不犧牲運算速度是單片機技術發展之追求。一些8051單片機兼容廠商改善了單片機的內部時序，在不提高時鐘頻率的條件下，使運算速度提高了很多，Motorola單片機則使用了瑣相環技術或內部倍頻技術使內部總線速度大大高于時鐘產生器的頻率。68HC08單片機使用4.9MHz外部振蕩器而內部時鐘達32M。三星電子新近推出了1.2GHz的ARM處理器內核Halla
低電壓與低功耗。幾乎所有的單片機都有Wait、Stop等省電運行方式。允許使用的電源電壓范圍也越來越寬。一般單片機都能在3到6V范圍內工作，對電池供電的單片機不再需要對電源采取穩壓措施。低電壓供電的單片機電源下限已由2.7V降至2.2V、1.8V。0.9V供電的單片機已經問世。
低噪聲與高可靠性技術。為提高單片機系統的抗電磁干擾能力，使產品能適應惡劣的工作環境，滿足電磁兼容性方面更高標準的要求，各單片機商家在單片機內部電路中采取了一些新的技術措施。如ST公司的μPSD系列單片機片內增加了看門狗定時器，NS的COP8單片機內部增加了抗EMI電路，增強了“看門狗”的性能。
ISP及IAP。在片編程技術(In System Programming)及在應用中編程(In Application Programming)通過單片機上引出的編程線、串行數據、時鐘線等對單片機編程，編程線與I/O線共享， 不增加單片機的額外引腳。ISP為開發調試提供了方便，并使單片機系統遠程調試、升級成為現實
4.嵌入式系統的軟件
嵌入式系統的軟件從最初的匯編語言逐漸過度到C高級語言，到現在最終形成了以操作系統，出現了幾十種產品，代表性的有VxWorks、QNX、Nucleus、μC/OS 、Palm OS、Windows CE以及Linux系列。在技術上有以下特征。
(1)以為新的處理器越來越多，嵌入式系統的設計更易于移植，以便在短時間內支持多種微處理器。
(2)Linux產品在嵌入式上獲得了廣泛的應用。Linux性能穩定，裁剪性好，開發和使用比較容易，適用于多種嵌入式處理器。Linux得到了相當廣泛廠商的支持RT-Linux產品也取得了很大的進展。在家用電器、工業控制大有可為 。
5.發展和應用我國自主的嵌入式系統技術
目前，PC機的架構為Wintel所控制、壟斷。在該領域，現在我們沒有主動權，創新空間較小，專家估計，十年內很難有所突破。而嵌入式系統沒有統一的架構，軟硬件需要多種多樣的組合，技術密集，市場容量大。我國在此領域有無限的創新空間 。例如“星光中國芯工程”是以數字多媒體芯片為突破口，第一次將“中國芯星光一號”率先打入國際市場的戰略工程在國際上處于領先地位。在該領域已處于領導地位。在操作系統領域，有中軟公司推出的“中軟實時嵌入式Linux操作系統”，對外部中斷可作出微秒級的響應，能提供精確的實時始終控制，實時任務和線程的并發操作和同步機制 。
6.結束語
上述描述了嵌入式系統的含義，以及嵌入式系統的發展歷程、嵌入式系統的硬件、嵌入式操作系統，最后總結了我國在嵌入式系統中面臨的機遇，為進一步學習嵌入式系統提供了參考，以期對研究該領域的人們有所幫助。
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