嵌入式系統概述|嵌入式處理器

第一章 緒論

1.1 嵌入式系統概述

• 關于嵌入式系統定義的了解

  • 标準定義：

    嵌入式系統是以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟/硬體可剪裁、适用于對系統功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統。

    有處理器、具備計算機系統的基本特征；功能特定，按照指定的應用設計而成。

  • 廣義：

    凡是帶有微處理器的專用軟/硬體系統均可稱為嵌入式系統。

  • 狹義：

    使用嵌入式微處理器構成獨立系統、具有自己的作業系統、具有特定功能、用于特定場合的專用軟/硬體系統。

  • 通俗來說：

    大到火箭、飛船、飛彈等工業國防裝置，小到全自動洗衣機等智能家電，我們的生活中遍布嵌入式系統。

• 嵌入式系統的組成

  • 硬體層

    硬體層包括嵌入式微處理器、存儲器、通用裝置接口和I/O接口。

  • 中間層

    将系統上層軟體和底層硬體區分開來，一般包含相關底層硬體的初始化、資料的輸入/輸出操作和硬體裝置的配置功能。

  • 軟體層

    系統軟體層由實時多任務作業系統（RTOS）、檔案系統、圖形和使用者接口（GUI）、網絡系統及通用元件子產品組成。RTOS是嵌入式應用軟體的基礎和開發平台。

• 嵌入式系統的特點

  • 系統核心小
  • 專用性強
  • 系統精簡
  • 高實時性

• 嵌入式系統的發展

  • 系統工程化
  • 開源化
  • 功能多樣化
  • 節能化
  • 人性化
  • 網絡化

• 嵌入式系統和通用計算機的主要差別

  通用計算機	嵌入式系統
  形式與類型	實實在在的計算機。按其體系結構、運算速度和規模可分為大型機、中型機、小型機和微機	“看不見”的計算機，形式多樣，應用領域廣泛，按應用進行分類
  組成	通用處理器、标準總線和外設、軟硬體相對獨立	面向特定應用的微處理器，總線和外設一般內建在處理器内部，軟硬體緊密結合
  系統資源	系統資源充足，有豐富的編譯器、內建開發環境、調試器等	系統資源緊缺，沒有編譯器等相關開發工具
  開發方式	開發平台和運作平台都是通用計算機	采用交叉編譯方式，開發平台一般是通用計算機，運作平台是嵌入式系統
  二次開發性	應用程式可重新程式設計	一般不能重新程式設計開發

  “主要差別”部分參考自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_6c4bb5a80100l6i9.html

1.2 嵌入式處理器

嵌入式處理是嵌入式系統的核心，是控制、輔助系統運作的硬體單元。

目前嵌入式處理器可分為嵌入式微處理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP處理器和嵌入式片上系統。

• 嵌入式微處理器

  • 特征

    由通用計算機的CPU演變而來，具有32位以上的處理器，具有較高的性能，價格也相應較高。

    有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優點，但是電路闆上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設等器件，進而降低了系統的可靠性，技術保密性也較差。

  • 體系結構

    可采用馮·諾依曼體系或哈佛體系結構
    • 馮·諾依曼（Von Neumann）體系結構也稱普林斯頓結構，是一種将程式指令存儲器和資料存儲器并在一起的存儲結構，程式和資料共享一個存儲空間。
    • 哈佛（Harvard）結構是一種将程式指令存儲器和資料存儲器分開的存儲結構，是一種并行體系結構，指令和資料在存儲上互相獨立。

  • 指令系統

    精簡指令系統（Reduced Instruction Set Computer, RISC）和複雜指令系統（Complex Instruction Set Computer, CISC）

    CISC和RISC是兩大類主流的CPU指令集類型，其中CISC以Intel、AMD的X86 CPU為代表，而RISC以ARM、IBM Power為代表。

    • CISC和RISC的主要差別：
      1. CISC的指令能力強，單多數指令使用率低卻增加了CPU的複雜度，指令是可變長格式；RISC的指令大部分為單周期指令，指令長度固定，操作寄存器，隻有Load/Store操作記憶體
      2. CISC支援多種尋址方式；RISC支援方式少
      3. CISC通過微程式控制技術實作；RISC增加了通用寄存器，硬布線邏輯控制為主，适合采用流水線
      4. CISC的研制周期長
      5. RISC優化編譯，有效支援進階語言
    這一部分我還不太懂，目前對兩種指令系統的差別的了解就在于它們的名字上，“精簡”和“複雜”，複雜的多用于需要完成複雜功能的通用計算機，而精簡的正是因為其“精簡”的特點則多和需要專用和可裁剪的嵌入式系統相配。（此處僅為我這個初學者的片面見解）

• 嵌入式微控制器

  嵌入式微控制器（Embedded Microcontroller Unit, EMCU）的典型代表是單片機。

  它體積小，結構緊湊，可作為一個部件埋藏于所控制的裝置中，主要完成信号控制的功能。

  與嵌入式微處理器相比較，微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，進而使功耗和成本下降、可靠性提高。

• 嵌入式DSP控制器

  DSP處理器是專門用于信号處理方面的處理器。其對系統結構和指令進行了特殊設計，使其适合于執行DSP算法。DSP核心代碼使用彙編語言，有較高的執行效率，指令執行速度也較快。在數字濾波、語音處理和編碼解碼、譜分析等方面有着廣泛的應用。

• 嵌入式片上系統

  結合了許多功能子產品，将整個系統做在一個晶片上的産品叫做片上系統（System on Chip, SOC）。

  應用電路闆變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。

  SOC可分為通用和專用兩類。

小結

學到這裡，在我看來，嵌入式系統和嵌入式處理器的總體發展目标可簡單概括為精簡化、小體積、低功耗、低成本和高可靠性，友善于其在更多的領域以更小的代價發揮更大的作用。