从单片机到嵌入式linux

1．1　嵌入式系统

经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度上改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变还在加速．嵌入式系统具有无数的种类，每类都具有自己独特的个性．例如，MP3、数码相机与打印机中的嵌入式系统就有很大的不同．汽车中更是具有多个嵌入式系统，使汽车更便捷、更干净、更容易驾驶．

尽管嵌入式系统极大地改变了人们的生活、工作和娱乐，但要定义嵌入式系统的概念却不容易，下面先介绍一些生活中常见的嵌入式系统．

1．1．1　现实中的嵌入式系统

即使不可见，嵌入式系统也无处不在．嵌入式系统在很多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些产业，包括工业自动化、国防、运输和航天领域．例如神舟飞船和长征火箭中有很多嵌入式系统，导弹的制导系统也是嵌入式系统，高档汽车中也有多达几十个嵌入式系统．

图1－1　常见的嵌入式系统应用实例

在日常生活中，人们也常使用各种嵌入式系统，但未必知道它们．图1－1就是一些比较新的、生活中比较常见的嵌入式系统．事实上，几乎所有带有一点“智能”的家电（比如全自动洗衣机、电脑和电饭煲等）都装有嵌入式系统．嵌入式系统广泛的适应能力和多样性，使得视听、工作场所甚至健身设备中到处都有嵌入式系统．

1．1．2　嵌入式系统的概念

（1）嵌入式系统的定义．

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统．有时也称它为嵌入式计算机．它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能．

嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分．硬件包括处理器／微处理器、存储器及外设器件（如：I／O端口、图形控制器等）．软件部分包括操作系统软件（OS）（要求实时和多任务操作）和应用软件．有时设计人员把这两种软件组合在一起．应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序与硬件的交互．

嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统．

嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含了5－10个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数码相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的．在制造工业中，过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域．

（2）嵌入式系统的特点．

嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点：

①嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU，与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多在为特定用户群设计的系统中工作，它通常都具有功耗低、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密．

②嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物．这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统．

③嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中使处理器的选择更具竞争力．

④嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行的，因此嵌入式系统产品进入市场后具有较长的生命周期．

⑤为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中．

⑥嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序和功能进行修改的，必须有一套开发工具和一个适宜环境才行．

1．1．3　高低端嵌入式系统

嵌入式系统的嵌入式应用特点，决定了其研制多学科交叉的特点．作为内嵌的计算机系统，它要求计算机领域人员介入其体系结构、软件技术、工程应用方面的研究．然而，了解应用领域的控制要求，实现系统控制模式，就必须具备应用领域的专业知识．因此，从嵌入式系统发展的历史过程，以及嵌入式应用的多样性中，客观上形成了两种应用模式．

（1）客观存在的两种应用模式．

嵌入式计算机系统起源于微型机时代，但很快就进入独立发展的单片机时代．在单片机时代，嵌入式系统以器件形态迅速进入到传统电子技术领域中，以电子技术应用工程师为主体，实现传统电子系统的智能化，而计算机专业队伍并没有真正进入单片机应用领域．因此，电子技术应用工程师以自己习惯性的电子技术应用模式，从事单片机的应用开发．这种应用模式最重要的特点是：软、硬件的底层性和随意性；应用领域专业技术的密切相关性；缺少计算机工程设计方法．

虽然在单片机时代，计算机专业淡出了嵌入式系统领域，但随着后PC时代的到来，网络、通信技术得以发展，同时，嵌入式系统软、硬件技术有了很大的进步，这些都为计算机专业人士介入嵌入式系统应用开辟了广阔天地．随着计算机专业人士的介入而形成的计算机应用模式带有明显的计算机的工程应用特点，即基于嵌入式系统软、硬件平台，以网络、通信为主的非嵌入式底层应用．

（2）两种应用模式的并存与互补．

由于嵌入式系统最大、最广、最底层的应用是传统电子技术领域的智能化改造，因此，以通晓应用领域专业知识的电子技术队伍为主，用最少的嵌入式系统软、硬件开销，以8位机为主，带有浓重的电子系统设计色彩的电子系统应用模式会长期存在下去．另外，计算机专业人士会愈来愈多地介入嵌入式系统应用中，但囿于应用领域专业知识的隔阂，其应用领域会集中在网络、通信、多媒体、商务电子等方面，不可能替代原来电子工程师在控制、仪器仪表、机械电子等方面的嵌入式应用．因此，客观存在的两种应用模式会长期并存下去，在不同的领域中相互补充．电子系统设计模式应从计算机应用设计模式中，学习计算机工程方法和嵌入式系统软件技术；计算机应用设计模式应从电子系统设计模式中，了解嵌入式系统应用的电路系统特性、基本的外围电路设计方法和对象系统的基本要求等．

（3）嵌入式系统应用的高低端．

由于嵌入式系统有过很长的一段单片机的独立发展道路，大多是基于8位单片机，实现最底层的嵌入式系统应用，带有明显的电子系统设计模式特点．大多数从事单片机应用开发的人员，都是具体应用领域中的电子系统工程师，是单片机的出现，令他们立即脱离了计算机专业领域，以“智能化”器件身份进入电子系统领域，没有带入“嵌入式系统”概念．因此，不少从事单片机应用的人，不了解单片机与嵌入式系统的关系，在谈到“嵌入式系统”领域时，往往理解成计算机专业领域的，基于32位嵌入式处理器，从事网络、通信、多媒体等的应用．这样，“单片机”与“嵌入式系统”形成了嵌入式系统中常见的两个独立的名词．但由于“单片机”是典型的、独立发展起来的嵌入式系统，从学科建设的角度出发，应该把它统一成“嵌入式系统”．考虑到原来单片机的电子系统底层应用特点，可以把嵌入式系统应用分成高端与低端，把原来的单片机应用理解成嵌入式系统的低端应用，含义为它的底层性以及与具体应用领域的紧耦合．

1．1．4　嵌入式系统工业

（1）嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业．

从某种意义上来说，通用计算机行业的技术是垄断的．占整个计算机行业90%的PC产业，80%采用Intel的x86体系结构，芯片基本上出自Intel、AMD、Cyrix等几家公司．在几乎每台计算机必备的操作系统和文字处理器方面，Microsoft的Windows及Word占80%－90%，凭借操作系统还可以搭配其他应用程序．因此，当代的通用计算机工业的基础被认为是由Wintel（Microsoft和Intel在90年代初建立的联盟）垄断的．

嵌入式系统则不同，它是一个分散的工业，充满了竞争、机遇与创新，没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场．即便在体系结构上存在着主流，但各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司、少数产品垄断全部市场．因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的，留给各个行业的中小规模高技术公司的创新余地很大．另外，社会上的各个应用领域是在不断向前发展的，要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展，这也构成了推动嵌入式工业发展的强大动力．

嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的“软件”产品开发．

（2）嵌入式系统具有的产品特征．

嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，如果独立于应用自行发展，则会失去市场．嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，这些也是各个半导体厂商之间竞争的热点．

和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用对处理器的选择面前更具竞争力．嵌入式处理器要针对用户的具体需求，对芯片配置进行裁剪和添加才能达到理想的性能；但同时还受用户订货量的制约．因此不同的处理器面向的用户是不一样的，可能是一般用户，也可能是行业用户或单一用户．

嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行的，因此嵌入式系统产品进入市场后具有较长的生命周期．嵌入式系统中的软件，一般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，可以随意更换，所以嵌入式系统的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长．另外，各个行业的应用系统和产品，和通用计算机软件不同，很少发生突然性的跳跃，嵌入式系统中的软件也因此更强调可继承性和技术衔接性，发展比较稳定．

嵌入式处理器的发展也体现出稳定性，一个体系一般要存在8－10年的时间．一个体系结构及其相关的片上外设、开发工具、库函数、嵌入式应用产品是一套复杂的知识系统，用户和半导体厂商都不会轻易地放弃一种处理器．

（3）中国在嵌入式系统中的机会．

中国在计算机基础工业上落后于西方国家，在嵌入式处理器上也是如此．但是嵌入式系统面向应用的特点决定了处理器应用开发的产值要占有整个嵌入式工业的大部分，而且将嵌入式处理器与具体应用相结合的这样一种知识创新，只能由精通应用系统的用户来完成．因此中国在嵌入式系统方面存在着相当大的发展机会．

1．1．5　嵌入式系统的未来

在1990年之前，嵌入式系统通常是很简单的且具有很长的产品生命周期的自主设备．近些年来，嵌入式工业经历了巨大的变革．

（1）产品市场窗口现在预计翻番的周期狂热到6～9个月．

（2）全球重新定义市场的机会和膨胀的应用空间．

（3）互联现在是一个需求而不是辅助性的存在，包括有线和刚刚崭露头角的无线技术．

（4）基于电子元件的产品更复杂化．

（5）互联嵌入式系统产生新的依赖网络基础设施的应用．

（6）微处理器的处理能力按摩尔定律（Moore’s Law）预计的速度在增加．该定律认为集成电路和晶体管个数每18个月翻一番．

今天的嵌入式系统已普遍应用于国防工业、数字家庭、工业自动化、汽车电子、医学科技、消费电子、无线通讯、电力系统等国民经济的主要行业．随着嵌入式技术的发展，嵌入式系统将更广泛地应用于人类生活的方方面面．如基于嵌入式Internet网络的地球电子皮肤和可以嵌入牙齿上的手机都在研发之中．嵌入式系统专家认为“通用计算机是认识世界的工具，而嵌入式系统则是改造世界的工具”．