随着信息化技术的发展和数字化产品的普及，以计算机技术、芯片技术和软件技术为核心
%A 的嵌入式系统再度成为当前研究和应用的热点，通信、计算机、消费电子技术（3C）合一
%A 的趋势正在逐步形成，无所不在的网络和无所不在的计算（everything connecting,
%A everywhere computing）正在将人类带入一个崭新的信息社会。
%A 一、嵌入式系统
%A
%A 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件是可裁剪的，适用于对功
%A 能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统最典型的特
%A 点是与人们的日常生活紧密相关，任何一个普通人都可能拥有各类形形色色运用了嵌入式
%A 技术的电子产品，小到MP3、PDA等微型数字化设备，大到信息家电、智能电器、车载GIS，
%A 各种新型嵌入式设备在数量上已经远远超过了通用计算机。这也难怪美国著名未来学家尼
%A 葛洛庞帝在1999年1月访华时就预言，4~5年后嵌入式智能工具将成为继PC机和Internet之
%A 后计算机工业最伟大的发明。
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%A 1.1 历史与现状
%A
%A 虽然嵌入式系统是近几年才开始真正风靡起来的，但事实上嵌入式这个概念却很早就已经
%A 存在了，从上个世纪70年代单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微控制器的广泛应
%A 用，嵌入式系统少说也有了近30年的历史。纵观嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下
%A 四个阶段：
%A
%A 无操作系统阶段
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%A 嵌入式系统最初的应用是基于单片机的，大多以可编程控制器的形式出现，具有监测、伺
%A 服、设备指示等功能，通常应用于各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中，一般没有操
%A 作系统的支持，只能通过汇编语言对系统进行直接控制，运行结束后再清除内存。这些装
%A 置虽然已经初步具备了嵌入式的应用特点，但仅仅只是使用8位的CPU芯片来执行一些单线
%A 程的程序，因此严格地说还谈不上"系统"的概念。
%A
%A 这一阶段嵌入式系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量
%A 较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，因而曾经在工业控
%A 制领域中得到了非常广泛的应用，但却无法满足现今对执行效率、存储容量都有较高要求
%A 的信息家电等场合的需要。
%A
%A 简单操作系统阶段
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%A 20世纪80年代，随着微电子工艺水平的提高，IC制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处
%A 理器、I/O接口、串行接口以及RAM、ROM等部件统统集成到一片VLSI中，制造出面向I/O设
%A 计的微控制器，并一举成为嵌入式系统领域中异军突起的新秀。与此同时，嵌入式系统的
%A 程序员也开始基于一些简单的"操作系统"开发嵌入式应用软件，大大缩短了开发周期、提
%A 高了开发效率。
%A
%A 这一阶段嵌入式系统的主要特点是：出现了大量高可靠、低功耗的嵌入式CPU（如Power
%A PC等），各种简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展。此时的嵌入式操作系统虽
%A 然还比较简单，但已经初步具有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高，主要用来
%A 控制系统负载以及监控应用程序的运行。
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%A 实时操作系统阶段
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%A 20世纪90年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下，嵌
%A 入式系统进一步飞速发展，而面向实时信号处理算法的DSP产品则向着高速度、高精度、低
%A 功耗的方向发展。随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩大，逐渐
%A 形成了实时多任务操作系统（RTOS），并开始成为嵌入式系统的主流。
%A
%A 这一阶段嵌入式系统的主要特点是：操作系统的实时性得到了很大改善，已经能够运行在
%A 各种不同类型的微处理器上，具有高度的模块化和扩展性。此时的嵌入式操作系统已经具
%A 备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面（GUI）等功能，并提供了
%A 大量的应用程序接口（API），从而使得应用软件的开发变得更加简单。
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%A 面向Internet阶段
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%A 21世纪无疑将是一个网络的时代，将嵌入式系统应用到各种网络环境中去的呼声自然也越
%A 来越高。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，随着Internet的进一步发展，以
%A 及Internet技术与信息家电、工业控制技术等的结合日益紧密，嵌入式设备与Internet的
%A 结合才是嵌入式技术的真正未来。
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%A 信息时代和数字时代的到来，为嵌入式系统的发展带来了巨大的机遇，同时也对嵌入式系
%A 统厂商提出了新的挑战。目前，嵌入式技术与Internet技术的结合正在推动着嵌入式技术
%A 的飞速发展，嵌入式系统的研究和应用产生了如下新的显著变化：
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%A 新的微处理器层出不穷，嵌入式操作系统自身结构的设计更加便于移植，能够在短时间内
%A 支持更多的微处理器。
%A 嵌入式系统的开发成了一项系统工程，开发厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时
%A 还要提供强大的硬件开发工具和软件支持包。
%A 通用计算机上使用的新技术、新观念开始逐步移植到嵌入式系统中，如嵌入式数据库、移
%A 动代理、实时CORBA等，嵌入式软件平台得到进一步完善。
%A 各类嵌入式Linux操作系统迅速发展，由于具有源代码开放、系统内核小、执行效率高、网
%A 络结构完整等特点，很适合信息家电等嵌入式系统的需要，目前已经形成了能与Windows
%A CE、Palm OS等嵌入式操作系统进行有力竞争的局面。
%A 网络化、信息化的要求随着Internet技术的成熟和带宽的提高而日益突出，以往功能单一
%A 的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构变得更加复杂，网络互联成为
%A 必然趋势。
%A 精简系统内核，优化关键算法，降低功耗和软硬件成本。
%A 提供更加友好的多媒体人机交互界面。
%A 1.2 体系结构
%A
%A 根据国际电气和电子工程师协会（IEEE）的定义，嵌入式系统是"控制、监视或者辅助设备
%A 、机器和车间运行的装置"（devices used to control, monitor, or assist the
%A operation of equipment, machinery or plants）。一般而言，整个嵌入式系统的体系结
%A 构可以分成四个部分：嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软
%A 件，如图1所示。
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%A 图1 嵌入式系统的组成
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%A 嵌入式处理器
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%A 嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式处理器与通用处理器最大的不同点
%A 在于，嵌入式CPU大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中，它将通用CPU中许多由板
%A 卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有
%A 很高的效率和可靠性。
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%A 嵌入式处理器的体系结构经历了从CISC（复杂指令集）至RISC（精简指令集）和Compact
%A RISC的转变，位数则由4位、8位、16位、32位逐步发展到64位。目前常用的嵌入式处理器
%A 可分为低端的嵌入式微控制器（Micro Controller Unit，MCU）、中高端的嵌入式微处理
%A 器（Embedded Micro Processor Unit，EMPU）、用于计算机通信领域的嵌入式DSP处理器
%A （Embedded Digital Signal Processor，EDSP）和高度集成的嵌入式片上系统（System
%A On Chip，SOC）。
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%A 目前几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，并且越来越多的公司开始拥有自主的处
%A 理器设计部门，据不完全统计，全世界嵌入式处理器已经超过1000多种，流行的体系结构
%A 有30多个系列，其中以ARM、PowerPC、MC 68000、MIPS等使用得最为广泛。
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%A 嵌入式外围设备
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%A 在嵌入系统硬件系统中，除了中心控制部件（MCU、DSP、EMPU、SOC）以外，用于完成存储
%A 、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件，事实上都可以算作嵌入式外围设备。目前常
%A 用的嵌入式外围设备按功能可以分为存储设备、通信设备和显示设备三类。
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%A 存储设备主要用于各类数据的存储，常用的有静态易失型存储器（RAM、SRAM）、动态存储
%A 器（DRAM）和非易失型存储器（ROM、EPROM、EEPROM、FLASH）三种，其中FLASH凭借其可
%A 擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应
%A 用。
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%A 目前存在的绝大多数通信设备都可以直接在嵌入式系统中应用，包括RS-232接口（串行通
%A 信接口）、SPI（串行外围设备接口）、IrDA（红外线接口）、I2C（现场总线）、USB（通
%A 用串行总线接口）、Ethernet（以太网接口）等。
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%A 由于嵌入式应用场合的特殊性，通常使用的是阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）和
%A 触摸板（Touch Panel）等外围显示设备。
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%A 嵌入式操作系统
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%A 为了使嵌入式系统的开发更加方便和快捷，需要有专门负责管理存储器分配、中断处理、
%A 任务调度等功能的软件模块，这就是嵌入式操作系统。嵌入式操作系统是用来支持嵌入式
%A 应用的系统软件，是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动程
%A 序、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形用户界面（GUI）等。嵌入式操作系统具有
%A 通用操作系统的基本特点，如能够有效管理复杂的系统资源，能够对硬件进行抽象，能够
%A 提供库函数、驱动程序、开发工具集等。但与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系
%A 统实时性、硬件依赖性、软件固化性以及应用专用性等方面，具有更加鲜明的特点。
%A
%A 嵌入式操作系统根据应用场合可以分为两大类：一类是面向消费电子产品的非实时系统，
%A 这类设备包括个人数字助理（PDA）、移动电话、机顶盒（STB）等；另一类则是面向控制
%A 、通信、医疗等领域的实时操作系统，如WindRiver公司的VxWorks、QNX系统软件公司的QN
%A X等。实时系统（Real Time System）是一种能够在指定或者确定时间内完成系统功能，并
%A 且对外部和内部事件在同步或者异步时间内能做出及时响应的系统。在实时系统中，操作
%A 的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且与这些操作进行的时间有关，也就是说，
%A 实时系统对逻辑和时序的要求非常严格，如果逻辑和时序控制出现偏差将会产生严重后果
%A 。
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%A 实时系统主要通过三个性能指标来衡量系统的实时性，即响应时间（Response Time）、生
%A 存时间（Survival Time）和吞吐量（Throughput）：
%A
%A 响应时间　　是实时系统从识别出一个外部事件到做出响应的时间；
%A 生存时间　是数据的有效等待时间，数据只有在这段时间内才是有效的；
%A 吞吐量　　　是在给定的时间内系统能够处理的事件总数，吞吐量通常比平均响应时间的
%A 倒数要小一点。
%A 实时系统根据响应时间可以分为弱实时系统、一般实时系统和强实时系统三种。弱实时系
%A 统在设计时的宗旨是使各个任务运行得越快越好，但没有严格限定某一任务必须在多长时
%A 间内完成，弱实时系统更多关注的是程序运行结果的正确与否，以及系统安全性能等其他
%A 方面，对任务执行时间的要求相对来讲较为宽松，一般响应时间可以是数十秒或者更长。
%A 一般实时系统是弱实时系统和强实时系统的一种折衷，它的响应时间可以在秒的数量级上
%A ，广泛应用于消费电子设备中。强实时系统则要求各个任务不仅要保证执行过程和结果的
%A 正确性，同时还要保证在限定的时间内完成任务，响应时间通常要求在毫秒甚至微秒的数
%A 量级上，这对涉及到医疗、安全、军事的软硬件系统来说是至关重要的。
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%A 时限（deadline）是实时系统中的一个重要概念，指的是对任务截止时间的要求，根据时
%A 限对系统性能的影响程度，实时系统又可以分为软实时系统（soft real-time-system）和
%A 硬实时系统（hard real-time-system）。软实时指的是虽然对系统响应时间有所限定，但
%A 如果系统响应时间不能满足要求，并不会导致系统产生致命的错误或者崩溃；硬实时则指
%A 的是对系统响应时间有严格的限定，如果系统响应时间不能满足要求，就会引起系统产生
%A 致命的错误或者崩溃。如果一个任务在时限到达之时尚未完成，对软实时系统来说还是可
%A 以容忍的，最多只会降低系统性能，但对硬实时系统来说则是无法接受的，因为这样带来
%A 的后果根本无法预测，甚至可能是灾难性的。在目前实际运用的实时系统中，通常允许软
%A 硬两种实时性同时存在，其中一些事件没有时限要求，另外一些事件的时限要求是软实时
%A 的，而对系统产生关键影响的那些事件的时限要求则是硬实时的。
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%A 嵌入式应用软件
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%A 嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到用户预期目标
%A 的计算机软件，由于用户任务可能有时间和精度上的要求，因此有些嵌入式应用软件需要
%A 特定嵌入式操作系统的支持。嵌入式应用软件和普通应用软件有一定的区别，它不仅要求
%A 其准确性、安全性和稳定性等方面能够满足实际应用的需要，而且还要尽可能地进行优化
%A ，以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。
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%A 1.3 关键问题
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