一、基本概念

嵌入式系统（Embedded system）,根据英国电气工程师协会的说法，它是一种“专门为特定应用而设计的计算机系统”（U.K. Institution of Electrical Engineer）嵌入式系统是控制、监控或辅助设备、机器或工厂运行的设备。与个人计算机等通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行具有特定要求的预定义任务。由于嵌入式系统只针对特殊任务，设计师可以优化它，降低尺寸和成本。嵌入式系统通常大规模生产，因此可以随着产量的增加而节省单个成本。

二、定义

嵌入式系统是一种专用计算机系统，以应用为中心，以现代计算机技术为基础，可根据用户需求灵活切割软硬件模块（功能、可靠性、成本、体积、功耗、环境等）。

以应用为中心：强调嵌入式系统的目的是满足用户的特定需求。对于绝大多数完整的嵌入式系统，用户可以在没有二次开发或少量配置操作的情况下直接享受其功能。

特殊性：嵌入式系统的大多数应用对可靠性和实时性有很高的要求，这决定了服务于特定应用的特殊系统是嵌入式系统的主流模式，不强调系统的通用性和可扩展性。这种特殊性通常导致嵌入式系统是软硬件紧密集成的最终系统，因为它可以更有效地提高整个系统的可靠性，降低成本，并具有更好的用户体验。

以现代计算机技术为核心：嵌入式系统最基本的支持技术，大致包括集成电路设计技术、系统结构技术、传感和检测技术、嵌入式操作系统和实时操作系统技术、高可靠的软件开发技术、系统形式规范和验证技术、通信技术、低功耗技术、特定应用领域的数据分析、信号处理和控制优化技术，它们围绕计算机的基本原理，集成到特定的专用设备中，形成嵌入式系统。

软硬件可切割：嵌入式系统应用场景众多，设计指标要求（功能性能、可靠性、成本、功耗）差异较大，实际上难以满足所有系统要求，因此根据不同需求，灵活切割软硬件，建立最终系统是嵌入式技术发展的必然技术路线。

三、发展过程

微处理器问世后，嵌入式计算机的真正发展。1971年11月，算术运算器和控制器电路成功集成，推出了第一个微处理器，然后制造商推出了8、16个微处理器。以这些微处理器为核心的系统广泛应用于仪器、医疗设备、机器人、家用电器等领域。微处理器的广泛应用形成了广阔的嵌入式应用市场。计算机制造商开始通过插件向用户提供大量OEM产品，然后用户根据自己的需要选择合适的CPU板、存储板和各种I/O插件板，从而形成一个特殊的嵌入式计算机系统，并将其嵌入到自己的系统设备中。

20世纪80年代，随着微电子技术水平的提高，集成电路制造商开始在嵌入式计算机应用中使用微处理器I/O接口、A/D转换器，D/A转换器、串行接口和RAM、ROM等部件都集成到VLSI中，从而为I/O设计制造微控制器，俗称单片机。单片机已成为嵌入式计算机中异军突起的新秀。20世纪90年代，嵌入式系统在分布控制、柔性制造、数字通信、信息家电等巨大需求的牵引下进一步快速发展。DSP产品面向实时信号处理算法，向高速、高精度、低功耗方向发展。21世纪是网络盛行的时代，将嵌入式系统应用于各种网络是其发展的重要方向。

20世纪90年代以后，随着实时要求的提高，软件规模不断上升，实时核逐渐发展为实时多任务操作系统（RTOS），作为一个软件平台，它逐渐成为国际嵌入式系统的主流。

嵌入式系统的发展大致经历了以下三个阶段——

第一阶段：嵌入技术的早期阶段。嵌入式系统以简单的专业计算机或单片机为核心的可编程控制器形式存在，具有监控、伺服、设备指示等功能。该系统主要用于各种工业控制、飞机、导弹等武器设备。

第二阶段：以高端嵌入式CPU和嵌入式操作系统为标志。该阶段系统的主要特点是计算机硬件具有高可靠性、低功耗的嵌入式CPU，如ARM、PowerPC等，并支持操作系统，支持复杂应用程序的开发和运行。

第三阶段：以芯片技术和Internet技术为标志。微电子技术发展迅速，SOC(片上技术)使嵌入式系统越来越小，但功能越来越强大。目前，大多数嵌入式系统仍然孤立于internet之外，但随着internet的发展和internet技术与信息家电和工业控制的结合，嵌入式技术正进入一个快速发展和广泛应用的时期。

四、特点

嵌入式系统的硬件和软件必须根据具体的应用任务来选择功耗、成本、体积、可靠性和处理能力。嵌入式系统的核心是系统软件和应用软件。由于存储空间有限，软件代码紧凑可靠，对实时性有严格要求。

从组成上看，嵌入式系统是集软硬件为一体的独立计算机系统；从外观上看，嵌入式系统就像一个“可编程”的电子“设备”；在功能方面，它是控制目标系统（宿主对象）的智能控制器。与普通计算机相比，嵌入式系统具有以下特点——

专用性强：由于嵌入式系统通常是针对特定应用程序的，嵌入式系统的硬件和软件，特别是软件，是为特定用户组设计的，通常具有特定的特点。体积小型化：嵌入式计算机将通用计算机系统中板卡完成的许多任务集成到芯片中，有利于实现小型化，方便嵌入式系统嵌入到目标系统中。实时性好：嵌入式系统广泛应用于生产过程控制、数据采集、传输通信等场合，主要用于控制宿主对象，对嵌入式系统有或多或少的实时要求。

例如，对于武器中的嵌入式系统，对某些工业控制装置中的控制系统有很高的实时要求。有些系统对实时性要求不高，比如近年来发展迅速的掌上电脑。但总的来说，实时性是对嵌入式系统的一般要求，是设计师和用户应该关注的一个重要指标。良好的可切性：从嵌入式系统的特点来看，嵌入式系统的供应商应提供各种硬件和软件的两倍选择，并努力在相同的硅片面积上实现更高的性能 ，只有这样，我们才能在具体的应用中更具竞争力。可靠性高，由于一些嵌入式系统的计算任务设计和被控产品的关键质量、个人设备安全，甚至国家机密等重大事务，一些嵌入式系统的宿主对象在危险的工业环境和恶劣的现场环境中工作，如监控装置。

因此，与普通系统相比，嵌入式系统对可靠性有很高的要求。低功耗:嵌入式系统的宿主对象很多，比如移动电话、MP3等小型应用系统、这些设备不能配置交流电源或容量大的电源，因此低功耗一直是嵌入式系统的目标。嵌入式系统本身没有自我开发能力，必须借助通用计算机平台开发。嵌入式系统设计完成后，普通用户通常无法修改程序或硬件结构，必须有一套开发工具和环境。嵌入式系统通常采用“软硬件协同设计”的方法实现。早期的嵌入式系统设计方法通常采用“硬件优先”的原则，即在只粗略估计软件任务需求的情况下，首先设计和实现硬件，然后在硬件平台上进行软件设计。如果采用传统的设计方法，一旦发现问题，需要修改设计，整个设计过程将重新进行，对成本和设计周期有很大的影响。系统的设计在很大程度上取决于设计师的经验。自20世纪90年代以来，随着电子和芯片等相关技术的发展，即使用统一的方法和工具来描述、综合和验证软硬件，嵌入式系统的设计和实现了软硬件协同设计方法。在系统目标要求的指导下，通过对系统软硬件功能和现有资源的综合分析，协同设计软硬件系统结构，最大限度地发挥系统软硬件能力，避免独立设计软硬件系统结构造成的各种缺点，获得高性能、低成本的优化设计方案。

五、系统组成

嵌入式系统的核心层次是中央处理单元，包括运算器和控制器模块。在CPU的基础上，进一步与存储模块、电源模块和复位模块相匹配，形成通常称为最小系统。由于技术的进步，集成电路制造商通常在同一集成电路中制造许多外设，使用起来更方便。这种芯片通常被称为微控制器。在微控制器的基础上，进一步扩展电源传感和检测、执行模块和配套软件，形成具有特定功能的完整单元，称为嵌入式系统或嵌入式应用。

从外部特征来看，嵌入式系统通常是一个软硬件集成系统，功能齐全，几乎不依赖其他外部设备。如果对这样一个系统进行分割，你会发现它可能大致包括这样几个层次——

由嵌入式系统组成

1. 硬件结构

虽然各种特定嵌入式系统的功能、外观界面、操作不同，但基本硬件结构确实相似，与通用计算机硬件系统高度相似。嵌入式系统的硬件部分似乎与通用计算机系统没有什么不同，也由处理器、存储器、外部设备组成I由/O接口、图形控制器等组成。然而，嵌入式系统应用的特点导致嵌入式系统在软硬件的组成和实现形式上与通用计算机系统有很大的不同。为了满足嵌入式系统在速度、体积和功耗方面的要求，需要长期保存的数据，如操作系统、应用软件和特殊数据，通常不使用大容量、慢速的存储介质，而是使用EPROM、E2PROM或闪存（Flash Memory）。嵌入式系统中，A/D或D/A模块主要用于测控，在通用计算机中很少使用。一些嵌入式系统应根据实际应用和规模采用外部总线。随着嵌入式系统应用领域的快速扩展，嵌入式系统越来越个性化，根据自身特点采用总线的种类越来越多。此外，为了进行嵌入式处理器的内部电路，处理器芯片通常采用边界扫描技术（JTAG）。

2. 软件体系

嵌入式系统的软件系统是为嵌入式系统的特定硬件系统和用户要求而设计的。它是嵌入式系统的重要组成部分，也是实现嵌入式系统功能的关键。嵌入式系统软件系统类似于通用计算机软件系统系统，分为驱动层、操作系统层、中间件层和应用层，各有特点。

驱动层：驱动层是直接处理硬件的一层，为操作系统和应用程序提供硬件驱动或底层核心支持。在嵌入式系统中，驱动程序有时也被称为板级支持包（BSP）。在嵌入式系统上电后，BSP具有初始化系统基本硬件环境的功能，包括微处理器、存储器、中断控制器、DMA、定时器等。驱动层一般可以有三种类型的程序，即板级初始化程序、标准驱动程序和应用驱动程序。

操作系统层：嵌入式系统中的操作系统具有一般操作系统的核心功能，负责所有软硬件资源的分配、调度工作控制、协调和并发活动。它仍然具有嵌入式特性，属于嵌入式操作系统（Embedded Operating System，EOS）。Windows是主流的嵌入式操作系统 CE、Palm：OS、Linux、Vx等。有了嵌入式操作系统，编写应用程序更快、更有趣、更稳定。

中间件层：中间件是用于帮助和支持应用软件开发的软件，通常包括数据库、网络协议、图形支持和相应的开发工具，如：MySQL、TCP/IP、GU1等都属于这类软件。

应用层：嵌入式应用软件是针对特定应用领域实现用户预期目标的软件。嵌入式应用软件不同于普通应用软件。它不仅需要在准确性、安全性和稳定性方面满足实际应用的需要，还需要尽可能优化，以减少系统资源的消耗，降低硬件成本。嵌入式系统中的应用软件是最活跃的力量，每个应用软件都有特定的应用背景。嵌入式应用软件虽然规模小，但专业性强，不像操作系统和支撑软件那样受国外产品的限制，是我国嵌入式软件的优势领域。

六、嵌入方式

嵌入式系统通过将CPU嵌入目标系统或被控制系统工作。但在不同的嵌入式系统中，嵌入的形式和程度是不同的。根据嵌入式系统与通用计算机连接的密切性，嵌入式可分为全嵌入式和半嵌入式——

1. 全嵌入方式

若采用全嵌入法，则采用全嵌入法嵌入式系统（或其核心功能）可以不依赖于通用计算机系统，即可单独工作，典型实例有手机、MP4、车载GPS导航系统等。采用全嵌入方式的嵌入式系统特点：

（1）具有独立的处理器系统，且具有完整的输入/输出系统，能独立完成系统的功能；

（2）高端CPU支持嵌入式操作系统，可以开发功能复杂的应用程序；

（3）一般为便携式、手持式设备，其工作环境一般是无人值守、移动空间、高空或其他条件恶劣的环境；

（4）供电方式一般采用电池供电，有些情况下也可以直接采用市电220V供电，由系统自行设计转换和稳压电路。较高端的设备往往会把两种供电方式结合起来，让用户使用起来更加灵活；

（5）全嵌入方式适合任何不宜采用通用计算机的场合，如消费电子、家用电器、通信网络设备、工业控制、智能仪器、战争电子对抗、航天航空、武器等，其应用范围十分广泛。

2. 半嵌入方式

如果采用半嵌入方式，则嵌入式系统（或其核心功能）需要和通用计算机系统结合起来才能正常工作，典型实例有医用B超系统、基于PCI卡的数据采集系统等。采用半嵌入方式的嵌入式系统特点：

（1）一般没有独立的处理器，而是借用计算机系统的CPU完成计算和/或控制功能，有时即使具有自己的独立处理器，但是处理器也只是完成一些有限的特定功能，而不具备控制全部系统的功能；

（2）嵌入式系统只是整个系统的一部分，只能完成整个系统的一部分功能，而其他功能需要在通用计算机上完成。通用计算机利用自己丰富的软件和硬件资源，提供友好的人机操作界面和强大的数据处理能力；

（3）嵌入式系统的功能体现在对前端数据的采集和执行对被控对象的控制，其中的数据分析、处理和存储等功能由通用计算机系统完成；

（4）嵌入式系统一般采用各种规范的总线形式和通用计算机相连接。典型的实例有PCI总线、USB总线等，简单的嵌入式系统还可以通过串口来连接；

（5）嵌入式系统是作为外设连接在通用计算机上的，因此在通用计算机中一般需要提供嵌入式系统的标准驱动程序。

七、相关介绍

嵌入式微处理器：微处理器是整个系统的核心，通常由三大部分组成：控制单元、算术逻辑单元和寄存器。

嵌入式操作系统：嵌入式操作系统EOS（Embedded Operating System）是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。EOS负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度，控制、协调并发活动，它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。目前，已推出一些应用比较成功的EOS产品系列。随着Internet技术的发展、信息家电的普及应用及EOS的微型化和专业化，EOS开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专业性等方面具有较为突出的特点。

八、应用

嵌入式系统的应用十分广泛，涉及工业生产、日常生活、工业控制、航空航天等多个领域，而且随着电子技术和计算机软件技术的发展，不仅在这些领域中的应用越来越深入，而且在其他传统的非信息类设备中也逐渐显现出其用武之地。

1. 工业控制

基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展，目前已经有大量的8位、16位、32位嵌入式微控制器在应用中。网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源的主要途径，如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备检测、石油化工系统。就传统的工业控制产品而言，低端产品往往采用的是8位单片机。随着计算机技术的发展，32位、 ** 位的处理器已逐渐成为工业控制设备的核心。

2. 交通管理

在车辆导航、流量控制、信息检测与汽车服务方面，嵌入式技术已经获得了广泛的应用，内嵌GPS模块、G模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功。目前，GPS设备已经从尖端的科技产品进入了普通百姓的家庭。

3. 信息家电

家电将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使不在家，也可以通过电话、网络对家电进行远程控制。在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。

4. 家庭智能管理系统

水表、电表、煤气表的远程自动抄表系统，安全防火、防盗系统，嵌有专用控制芯片，这种专用控制芯片将代替传统的人工操作，完成检查功能，并实现更高、更准确和更安全的性能。目前在服务领域，如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势。

5. POS网络及电子商务

公共交通无接触智能卡（Contactless S ** rt Card，CSC）发行系统、公共电话卡发行系统、自动售货机等智能ATM终端已全面走进人们的生活，在不远的将来手持一张卡就可以行遍天下。

6. 环境工程与自然

在很多环境恶劣、地况复杂的地区需要进行水文资料实时监测、防洪体系及水土质量监测堤坝安全与地震监测、实时气象信息和空气污染监测等时，嵌入式系统将实现无人监测。

7. 机器人

嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化、高智能方面的优势更加明显，同时，会大幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。

九、软硬件协同设计介绍

1. 系统描述

对嵌入式系统的描述主要是从两方面出发的，一是性能方面，另一个是功能方面。在系统描述过程中，不仅可以采用一种语言，也可以采用多种语言。同时，这一描述过程也是对软件模型和系统硬件模型的建立过程。在进行嵌入式系统描述时，为了减少软硬件协同设计初期中问题的出现，需要做好系统内行为的工作。一方面，可以在第一时间发设计中不合理的地方；另一方面为系统安全、可靠运行提供了保证。系统描述需要以系统模型为支撑，为了进行正确的描述，应该确保该模型包括四个元素。一是功能特点，也就是嵌入式系统的各项功能，同时应该重点明确功能和系统的输入和输出关系；第二是性能描述，在系统模型中，融入这一因素，能够比较全面的反映系统的整体结构，并且需要说明系统输入与输出的联系；第三是约束条件，该要素不仅对嵌入式系统性能缺陷进行了说明，而且还合理的对系统工作环境中的要求进行了规定；第四是技术指标，其能对系统存在的问题、质量好坏进行说明，为设计工作展开奠定良好基础。

2. 软硬件综合技术

在嵌入式系统的软硬件协同设计中，软硬综合技术是重要的技术之一，在软硬件系统的大体设计方面发挥着重要作用。在对其设计结果进行系统检测评价的基础上，可以根据设计要求，有针对性的开展细致的系统制作工作，并且进行软硬件的设计，确保其协调一致，进而可提升设计的科学性，对整个系统运行效率提高具有重要意义。

3. 软硬件功能划分

在进行软硬件功能划分工作中，主要是科学合理的划分软硬件和嵌入式系统功能，并对二者的关系进行明确。其中，成本函数是软硬件功能划分的主要依据之一。在运用成本函数方面时，需要考虑多方面因素。例如，模块之间的并发性、软件执行时间等。

4. 协同仿真和系统验证