嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)之：嵌入式系統(tǒng)概述
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4.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點
（1）面向特定應(yīng)用的特點。從前面圖4.1中也可以看出，嵌入式系統(tǒng)與通用型系統(tǒng)的最大區(qū)別就在于嵌入式系統(tǒng)大多工作在為特定用戶群設(shè)計的系統(tǒng)中，因此它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點，并且可以滿足不用應(yīng)用的特定需求。
（2）嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須進(jìn)行高效地設(shè)計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中對處理器的選擇更具有競爭力。
（3）嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點就決定了它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)，從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的人才也必須是復(fù)合型人才。
（4）為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片中或單片機本身，而不是存儲于磁盤中。
（5）嵌入式開發(fā)的軟件代碼尤其要求高質(zhì)量、高可靠性，由于嵌入式設(shè)備往往是處在無人職守或條件惡劣的情況下，因此，其代碼必須有更高的要求。
（6）嵌入式系統(tǒng)本身不具備二次開發(fā)能力，即設(shè)計完成后用戶通常不能在該平臺上直接對程序功能進(jìn)行修改，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行再次開發(fā)。
4.1.4嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
嵌入式系統(tǒng)作為一類特殊的計算機系統(tǒng)，一般包括以下3個方面：硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。它們之間的關(guān)系如圖4.2所示。
圖4.2嵌入式體系結(jié)構(gòu)圖
硬件設(shè)備包括嵌入式處理器和外圍設(shè)備。其中的嵌入式處理器（CPU）是嵌入式系統(tǒng)的核心部分，它與通用處理器最大的區(qū)別在于，嵌入式處理器大多工作在為特定用戶群所專門設(shè)計的系統(tǒng)中，它將通用處理器中許多由板卡完成的任務(wù)集成到芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計時趨于小型化，同時還具有很高的效率和可靠性。如今，全世界嵌入式處理器已經(jīng)超過1000多種，流行的體系結(jié)構(gòu)有30多個系列，其中以ARM、PowerPC、MC68000、MIPS等使用得最為廣泛。
外圍設(shè)備是指嵌入式系統(tǒng)中用于完成存儲、通信、調(diào)試、顯示等輔助功能的其他部件。目前常用的嵌入式外圍設(shè)備按功能可以分為存儲設(shè)備（如RAM、SRAM、Flash等）、通信設(shè)備（如RS-232接口、SPI接口、以太網(wǎng)接口、USB接口、無線通信等）和顯示設(shè)備（如顯示屏等）3類。
小知識 | 常見存儲器概念辨析：RAM、SRAM、SDRAM、ROM、EPROM、E2PROM、Flash。 存儲器可以分為很多種類，其中根據(jù)掉電后數(shù)據(jù)是否丟失可以分為RAM（隨機存取存儲器）和ROM（只讀存儲器），其中RAM的訪問速度比較快，但掉電后數(shù)據(jù)會丟失，而ROM掉電后數(shù)據(jù)不會丟失。人們通常所說的內(nèi)存即指系統(tǒng)中的RAM。 RAM又可分為SRAM（靜態(tài)存儲器）和DRAM（動態(tài)存儲器）。SRAM是利用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來保存信息的，只要不掉電，信息是不會丟失的。DRAM是利用MOS（金屬氧化物半導(dǎo)體）電容存儲電荷來儲存信息，因此必須通過不停地給電容充電來維持信息，所以DRAM的成本、集成度、功耗等明顯優(yōu)于SRAM。 而通常人們所說的SDRAM是DRAM的一種，它是同步動態(tài)存儲器，利用一個單一的系統(tǒng)時鐘同步所有的地址數(shù)據(jù)和控制信號。使用SDRAM不但能提高系統(tǒng)表現(xiàn)，還能簡化設(shè)計、提供高速的數(shù)據(jù)傳輸。在嵌入式系統(tǒng)中經(jīng)常使用。 EPROM、E2PROM都是ROM的一種，分別為可擦除可編程ROM和電可擦除ROM，但使用不是很方便。 Flash也是一種非易失性存儲器（掉電不會丟失），它擦寫方便，訪問速度快，已大大取代了傳統(tǒng)的EPROM的地位。由于它具有和ROM一樣掉電不會丟失的特性，因此很多人稱其為FlashROM。 |
嵌入式操作系統(tǒng)從嵌入式發(fā)展的第3階段起開始引入。嵌入式操作系統(tǒng)不僅具有通用操作系統(tǒng)的一般功能，如向上提供對用戶的接口（如圖形界面、庫函數(shù)API等），向下提供與硬件設(shè)備交互的接口（硬件驅(qū)動程序等），管理復(fù)雜的系統(tǒng)資源，同時，它還在系統(tǒng)實時性、硬件依賴性、軟件固化性以及應(yīng)用專用性等方面，具有更加鮮明的特點。
應(yīng)用軟件是針對特定應(yīng)用領(lǐng)域，基于某一固定的硬件平臺，用來達(dá)到用戶預(yù)期目標(biāo)的計算機軟件。由于嵌入式系統(tǒng)自身的特點，決定了嵌入式應(yīng)用軟件不僅要求做到準(zhǔn)確性、安全性和穩(wěn)定性等方面需要，而且還要盡可能地進(jìn)行代碼優(yōu)化，以減少對系統(tǒng)資源的消耗，降低硬件成本。
4.1.5幾種主流嵌入式操作系統(tǒng)分析
1．嵌入式Linux
嵌入式Linux（EmbeddedLinux）是指對標(biāo)準(zhǔn)Linux經(jīng)過小型化裁剪處理之后，能夠固化在容量只有幾KB或者幾MB的存儲器芯片或者單片機中，是適合于特定嵌入式應(yīng)用場合的專用Linux操作系統(tǒng)。在目前已經(jīng)開發(fā)成功的嵌入式系統(tǒng)中，大約有一半使用的是Linux。這與它自身的優(yōu)良特性是分不開的。
嵌入式Linux同Linux一樣，具有低成本、多種硬件平臺支持、優(yōu)異的性能和良好的網(wǎng)絡(luò)支持等優(yōu)點。另外，為了更好地適應(yīng)嵌入式領(lǐng)域的開發(fā)，嵌入式Linux還在Linux基礎(chǔ)上做了部分改進(jìn)，如下所示。
n 改善的內(nèi)核結(jié)構(gòu)。
Linux內(nèi)核采用的是整體式結(jié)構(gòu)（Monolithic），整個內(nèi)核是一個單獨的、非常大的程序，這樣雖然能夠使系統(tǒng)的各個部分直接溝通，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，但與嵌入式系統(tǒng)存儲容量小、資源有限的特點不相符合。因此，在嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常采用的是另一種稱為微內(nèi)核（Microkernel）的體系結(jié)構(gòu)，即內(nèi)核本身只提供一些最基本的操作系統(tǒng)功能，如任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、中斷處理等，而類似于設(shè)備驅(qū)動、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等附加功能則可以根據(jù)實際需要進(jìn)行取舍。這樣就大大減小了內(nèi)核的體積，便于維護(hù)和移植。
n 提高的系統(tǒng)實時性。
由于現(xiàn)有的Linux是一個通用的操作系統(tǒng)，雖然它也采用了許多技術(shù)來加快系統(tǒng)的運行和響應(yīng)速度，但從本質(zhì)上來說并不是一個嵌入式實時操作系統(tǒng)。因此，利用Linux作為底層操作系統(tǒng)，在其上進(jìn)行實時化改造，從而構(gòu)建出一個具有實時處理能力的嵌入式系統(tǒng)，如RT-Linux已經(jīng)成功地應(yīng)用于航天飛機的空間數(shù)據(jù)采集、科學(xué)儀器測控和電影特技圖像處理等各種領(lǐng)域。
嵌入式Linux同Linux一樣，也有眾多的版本，其中不同的版本分別針對不同的需要在內(nèi)核等方面加入了特定的機制。嵌入式Linux的主要版本如表4.1所示。
表4.1 嵌入式Linux主要版本
版本 | 簡單介紹 |
mCLinux | 開放源碼的嵌入式Linux的典范之作。它主要是針對目標(biāo)處理器沒有存儲管理單元MMU，它運行穩(wěn)定，具有良好的移植性和優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能，對各種文件系統(tǒng)有完備的支持，并提供豐富的API |
RT-Linux | 由美國墨西哥理工學(xué)院開發(fā)的嵌入式Linux硬實時操作系統(tǒng)。它已有廣泛的應(yīng)用 |
Embedix | 根據(jù)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的特點重新設(shè)計的Linux發(fā)行版本。它提供了超過25種的Linux系統(tǒng)服務(wù)，包括Web服務(wù)器等。此外還推出了Embedix的開發(fā)調(diào)試工具包、基于圖形界面的瀏覽器等。可以說，Embedix是一種完整的嵌入式Linux解決方案 |
XLinux | 采用了“超字元集”專利技術(shù)，使Linux內(nèi)核不僅能與標(biāo)準(zhǔn)字符集相容，還涵蓋了12個國家和地區(qū)的字符集。因此，XLinux在推廣Linux的國際應(yīng)用方面有獨特的優(yōu)勢 |
PoketLinux | 它可以提供跨操作系統(tǒng)并且構(gòu)造統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的和開放的信息通信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)端到端方案的完整平臺 |
紅旗嵌入式Linux | 由北京中科院紅旗軟件公司推出的嵌入式Linux，它是國內(nèi)做得較好的一款嵌入式操作系統(tǒng)。目前，中科院計算機研究所自行開發(fā)的開放源碼的嵌入式操作系統(tǒng)——EasyEmbeddedOS（EEOS）也已經(jīng)開始進(jìn)入實用階段了 |
Montavistalinux | MontaVistaLinux是MontaVistaSoftware于1999年開始推出的，專門面向嵌入式系統(tǒng)的商業(yè)級操作系統(tǒng)，基于Linux內(nèi)核2.6，采用可搶占內(nèi)核技術(shù)，集合了MontaVista硬實時技術(shù)，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)2.6內(nèi)核，具有更短的搶占延遲，反應(yīng)速度是標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核的200倍;采用優(yōu)先級線程實現(xiàn)中斷服務(wù)程序的調(diào)度。與Linux家族兼容的產(chǎn)品:VxWorks和LynxOS已經(jīng)有一些嵌入式操作系統(tǒng)產(chǎn)品，并非從Linux裁剪或者改造而來，但是已經(jīng)基本實現(xiàn)POSIX兼容，在接口級與嵌入式Linux系列產(chǎn)品達(dá)成一致。這些產(chǎn)品具有優(yōu)良的傳統(tǒng)和特定的實時性、可靠性實現(xiàn)，在嵌入式操作系統(tǒng)中具有重要地位。 |
風(fēng)河linux | 風(fēng)河公司（著名的實時操作系統(tǒng)VxWorks的廠商）一直致力于嵌入式Linux方面的研究和開發(fā)。首個滿足由Linux基金會（LinuxFoundation）制定的電信級Linux（CGL）4.0規(guī)范要求的商用化Linux廠商。WindRiverPlatformforNetworkEquipment,LinuxEdition2.0是首個完全遵循最新CGL規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)通信與電信行業(yè)Linux平臺產(chǎn)品。 |
為了不失一般性，本書說所用的嵌入式Linux是標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核裁減的Linux，而不是上表中的任何一種。
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