毕业设计——基于QT的GPS车载导航系统(6)第2章 嵌入式系统简介

第二章 嵌入式系统简介

第二章 嵌入式系统简介

2.1 嵌入式系统的定义

在20世纪70年代后，计算机由于在信息处理方面表现出了惊人的速度后，被广泛地用于一些更加繁杂的逻辑分析和数学运算中，之后计算机被更为广泛地用于计算机仿真、通信、工业控制等更加繁杂的领域，并且发挥了极大地作用。这些领域的应用与单纯的高速海量计算要求不同，主要表现在：（1）需要控制的对象更为具体；（2）不再作为通常的计算机来使用，而是经过对一些不需要功能的裁剪来嵌入到具体特定的应用系统中；（3）能够在一些环境更为复杂和恶劣的工业控制现场稳定无误的运行；（4）应用更为灵活，而且由于特定的要求使得体积相比传统的计算机有很大的缩小；（5）更加重视和外部数据等信息的交互来提高控制功能，增加了输出比较、输入捕捉、外部引脚的中断、A/D采集等功能[7]。基于上面的分析可以知道：既要计算机可以处理大量复杂运算，并且还要尽可能的保证计算的准确无误，更为甚者还要求在一些恶劣的工业现场能够正常工作的计算机的要求是不可能同时实现的。因此人们提出了开发更为小巧并且针对特定功能的计算机，于是单片机、ARM、DSP、FPGA等微控制器就此产生。但是如果这两种计算机类型都仍然被称为计算机会造成混淆，因此把能在一定的时间内进行大量数学运算的计算机称为通用计算机系统，而把针对某些特定控制对象，体积经过裁剪大大减小并最终嵌入到满足特定要求的应用系统中的计算机系统称为 “嵌入式计算机系统”、“嵌入式计算机”或“嵌入式系统”。由此可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。

国内也可以定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，从而能够适应实际应用中对功能、成本、体积、可靠性和功耗等严格要求的专用计算机系统。

2.2 嵌入式系统的组成

嵌入式系统通常是由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软件等几个大部分组成的。

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2.2.1 嵌入式处理器

嵌入式系统的硬件核心是各种类型的嵌入式处理器，有上千种之多，广泛应用在工业控制、无线通信、网络控制、家用电器、汽车控制、国防军事等领域，如手机的CPU就是嵌入式处理器。嵌入式处理器有多种计算机体系结构，不外乎复杂指令集计算机（CISC – Complex Instruction Set Computer）、精简指令集计算机（RISC – Reduced Instruction Set Computer）或这两种技术的融合体；结合应用特点，一般又可以细分为嵌入式微处理器（EMPU）、微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）和片上系统（SoC）。

2.2.1.1 嵌入式微处理器（EMPU）

EMPU（Embedded Microprocessor Unit）是由通用计算机中的中央处理单元（CPU）演变而来的，增强在电磁兼容、耐用性和工作温度等方面的性能。一方面，如Power PC或X86装配在专门设计的电路板上，电路板上包括ROM、RAM、Watchdog和总线接口等电路，成为嵌入式硬件系统，其典型产品有PC104。其指令系统与原MPU/CPU兼容，因此C语言作为其开发工具，具有体积小、质量轻、成本低和高可靠性。另一方面，以ARM或MIPS微处理器内核设计EMPU，ARM微处理器内核有ARM7、ARM9/9E、ARM10E、ARM11和Securcore共6种，如Freescale公司的龙珠系列处理器，Samsung公司的S3C系统ARM处理器，Intel公司的StrongARM系统和Xscale系统等，片上集成了各种功能模块，如Watchdog、DMAC、PWM、UART、USB接口、LCD接口、通用定时器和SPI等；而MIPS公司有MIPS32和MIPS64两种基本体系结构的微处器理内核，广泛应用在佳能的数字相机、索尼的数字电视与娱乐系统、先锋的DVD刻录机、摩托罗拉的数字机顶盒、思科的网络路由器以及惠普的激光打印机等产品中[8]。

2.2.1.2 微控制器（MCU）

微控制器（Microcontroller Unit）俗称单片机，它是将CPU、ROM、RAM、GPIO、Watchdog、PWM、通用定时器、UART、ADC、SPI、IIC和CAN控制器等封装在一块集成芯片里，采用ASM（汇编）或C语言作为其编程语言的。为了适应不同应用要求可以通过增减外围功能模块使一个系列的MCU具有多种衍生产品。随着MCU各种功能的齐全，片上RAM和ROM容量扩大，故不再需要使用总线扩展外围设备。MCU在家用电器和工业控制的实时控制系统中应用非常广泛，产品非常丰富。目前常用的MCU有MCS-51/96系列、Microchip公司的PIC12/16/18系列、ATMEL公司的AT89C/AVR系列、TI公司的MSP430F系列、Freescale公司的MC68HC08/12系列、Infineon公司的C166/167系列等产品。

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2.2.1.3 DSP

DSP（Digital Signal Processor）的体系结构进行了特殊设计以适应数字滤波、图像处理、频谱分析、语音分析和电机控制等数字信号处理领域高实时、高速、高可靠性的要求；DSP的集成芯片上也嵌入了多种功能模块，是具有非常高速的运算能力的MCU。嵌入式DSP发展来源于两个方面，一方面从DSP核扩展功能模块发展而来，如TI公司的TI320系列DSP和Freescale公司的DSP5600系列；另一方面，在通用单片机基础上增加DSP的协处理器，如Intel公司的MCS296系列和Infineon公司的Tricore系列等产品。

2.2.1.4 SoC

SoC（System on Chip）是一种高度固件化和集成化的计算机系统集成技术，为用户提供一种以“软核”为中心的嵌入式处理器设计和开发方法，目前正在朝着片上可编程系统SoPC（System on a Programmable Chip）发展以获得“量身定做”的嵌入式处理器。SoPC技术是硅片技术和EDA技术发展的结果，各种软核如CPU、Watchdog、PWM、中断控制器、定时器等成为SoC库的标准元件，在FPGA（Field Programmable Gate Array）上通常都使用VHDL（Very – high – speed

– integrated – circuit Hardware Description Language）语言来设计自己的嵌入式处理器产品。

2.2.2 外围设备

外围设备是指一个嵌入式系统中除处理器以外用于完成存储、通信、调试和显示等功能的其他部件。根据外围设备的功能可以分为以下3类：

外存储器：动态存储器（DRAM）、静态易失存储器（SRAM/RAM）和非易失性的存储器（Flash）。由于其中的Flash是由EPROM和EEPROM的制造技术基础上发展而来的，其能够在供电电源关闭后仍能保证数据不丢失，而且在对其进行擦除的时候不再需要特殊的高电压的情况下仍有很快的擦除速度，并且容量比较大、价格比较低廉，因此在嵌入式系统开发的领域Flash的使用是最为广泛的。

接口：应用最广泛的有RS-232串口、RS-485串口、并口、SPI串行外围设备、SCI设备、IIC总线接口、USB总线接口、IrDA红外接口、Ethernet网口等。

人机交互：主要是指LED、LCD、触摸屏和键盘等人机交互设备。

2.2.3 嵌入式操作系统

嵌入式操作系统的一个重要特性就是高度的实时性。所谓实时性就是可以在9

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确定的时间范围内响应某个事件。操作系统的实时性在某些领域是至关重要的，如工业控制、航空航天等求实时性要求很高的领域。据调查，全世界的嵌入式操作系统目前已经有100多种。从20世纪80年代开始，出现了一些商用嵌入式操作系统，大部分都是为了专门的系统而开发的。随着嵌入式领域的发展，各种不同的嵌入式操作系统都相继问世了。有许多商用保密的嵌入式操作系统，同时也有大量开放源码的嵌入式操作系统。其中著名的嵌入式操作系统有Linux、μc/OS、Windows CE、VxWorks和QNX等，下面分别进行介绍：

（1）Linux

Linux是一个类似于UNIX的操作系统，它起源于芬兰一个名为Linus

Torvalds的业余爱好，它已经是目前最流行的一款开发源码的操作系统。Linux从1991年问世到现在，短短的近二十年已发展成为一个功能强大、设计完善的操作系统；Linux系统不仅能够运行于PC平台，还在嵌入式系统方面大显身手。目前开发的嵌入式系统中，基本70%以上的项目选择Linux作为嵌入式操作系统，所以可以说Linux现已成为嵌入式操作系统的理想选择。

（2）μc/OS

μc/OS是一个典型的实时操作系统，它是由美国人Jean se于1992年开始开发的，目前流行的是第二个版本（即μc/OSII）。它的特点是源代码的公开的并且是用移植性很强的ANSI C编写的，因此具有很好的可移植性；通过C语言源代码的编译和链接就可以下载和固化到特定的系统中，并且通过条件编译可以使之具有很好的可裁剪性；内核是抢占式的实时内核，主要通过时间片轮询的方式目前可以同时最多管理56个任务[9]。

（3）Windows CE

微软公司的Windows CE操作系统主要是一个从整体上为有限资源的平台设计的完整优先权、多线程多任务的操作系统。Windows CE用模块化设计并允许对从掌上电脑到专用的工控电子设备进行不同的定制。操作系统的基本内核需要至少200KB的ROM，作为一个可升级的32位嵌入式操作系统，它是一个基于掌上电脑类的操作系统。然而尽管如此用户的开发定制却不方便，因为受微软公司的限制很多。

（4）VxWorks

VxWorks操作系统是美国WindRiver公司设计开发一种实时操作系统，它以卓越的实时性和良好的可靠性被广泛应用了在军事、通信、航空航天等高精尖技术和实时性要求极高的领域中。VxWorks是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的操作系统，并且支持多种微处理器，如ARM、X86、MC68000、MIPS等处理器。其主要特点是：高性能实时微内核；与POSIX兼容；用户可以10

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根据自己的需要自由配置而且同时具有友好的开发调试环境；但是其昂贵的价格却使很多的厂商叹而观止。

（5）QNX

Gordon Bell和Dan Dodge在1980年成立了Quantum Software Systems公司，他们根据大学时代的一些设想写出了一个能在IBM PC上运行的名叫QUNIX（Quick UNIX）的系统，直到AT&T发律师函过来才把名字改成QNX；QNX是一个微内核实时操作系统，其核心仅提供4种服务：进程调度、进程间通信、中断处理和底层网络通信，其进程在独立的地址空间运行；并且所有其它OS服务，都实现为协作的用户进程，因此QNX核心非常小巧(QNX4.x大约为12Kb)并且它的运行速度极快。QNX具有独一无二的微内核实时平台，因此可以说是目前X86平台上最好的嵌入式实时操作系统之一，QNX的实时平台主要建立在完全地址空间保护和微内核基础之上，而且由于其实时、可靠的特点，已经完成到PowerPC、MIPS、ARM等内核的移植，并且已经成为在国内广泛应用的嵌入式实时操作系统。

嵌入式操作系统的选择是前期设计过程中的一项重要工作，这将影响到产品后期的发布和软件的维护。首先，不管选用什么样的系统，都应该考虑操作系统对硬件的支持，如果选择的系统不支持将来要使用的硬件平台，那这个系统是不合适的；其次，要考虑的是开发调试用的工具，特别是对开销敏感和刚起步的企业来说，开发工具往往在开发过程中起决定性的作用；最后，要考虑的问题是这个系统能否满足应用要求。如果一个操作系统提供的API很少，那么无论这个系统有多么稳定，应用层很难进行二次开发，这显然不是开发人员希望看到的；由此可见，选择一款既能满足应用需求，性价比又可达到最佳的实时操作系统，对开发工作的顺利开展有非常重大的意义。基于以上论述，经过各方面的权衡，本项目采用的系统是Linux，本文将在后面的章节中详细介绍Linux系统在嵌入式开发中的使用。

2.2.4 应用软件

嵌入式应用软件和普通传统的软件开发是有很大区别的，嵌入式应用软件的开发绝大多数情况下都是依赖于某一固定的硬件平台，针对特定应用领域来达到不同用户特定要求的计算机软件。因为某些用户任务会考虑时间上和精度上的要求，所以选择合乎要求的操作系统来支持嵌入式应用软件是十分必要的。嵌入式应用软件要求要求很高的准确性、可靠性和稳定性等，同时用户在使用的时候还应该对其进行尽可能的优化，从而用来达到减少对系统资源的消耗、降低硬件成本的目的。嵌入式软件主要有以下特点：

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（1）嵌入式软件应该具有独立特殊的实用性。嵌入式软件是为嵌入式系统服务的，这就要求它与外部硬件和设备联系紧密；嵌入式系统以应用为中心，而且作为应用系统来说就必须根据应用需求定向开发，面向产业、面向市场，需要特定的行业经验。所以可以说每一种嵌入式软件都有其自己独特的实用价值和应用环境。

（2）嵌入式软件应该具有非常灵活的适用性。嵌入式软件通常可以被认为是一种模块化的软件，它应该能非常方便灵活的运用到各种嵌入式系统中，而且绝对不能够更改和破坏原有的系统特性和功能。首先它要尽可能的小，而不能占用大量资源；其次要使用灵活，应尽量地对其进行优化配置，减小对系统的整体继承性。

2.3 嵌入式系统的应用领域及发展趋势

嵌入式系统目前已在国防、国民经济和社会生活各种领域中被使用到，用于军队、企业、实验室、办公室以及个人家庭等各种场所。主要有以下几种分类：

（1）军用；各种武器控制（导弹控制、火炮控制、智能炸弹制导引爆装置）、舰艇、坦克、轰炸机等海陆空各种军用电子装备，电子对抗军事通信装备、雷达以及野战指挥作战用各种专用设备等。

（2）消费电子；我国各种信息家电产品，如数字电视机、机顶盒、VCD、DVD、数码相机、音响设备、洗衣机、电冰箱、可视电话、家庭网络设备、智能玩具等，广泛采用微处理器/微控制器及嵌入式软件。随着市场的需求，传统的手机已经逐渐发展成为融合了PDA、娱乐和电子商务等特性的智能手机，我国移动通信市场潜力巨大，发展前景看好。

（3）工业控制；各种智能测量仪表、可编程控制器、控制机、数控装置、现场总线仪表、分布式控制系统及控制系统、工业机器人、汽车电子设备、机电一体化机械设备等，广泛采用微处理器/控制器芯片级系统嵌入式计算机。

（4）网络应用；因为Internet的发展而产生了大量网络基础设施、终端设备、接入设备的市场需求，这些设备中都大量的使用嵌入式系统。

（5）其他；各类POS系统、收款机、条形码阅读机、电子秤、银行点钞机、商用终端、IC卡输入设备、取款机、自动柜员机、防盗系统、自动服务终端、各种银行专业外围设备以及各种医疗电子仪器，也都无一不用到嵌入式系统。

嵌入式控制器的应用几乎无处不在：移动电话、家用电器、汽车都有它的踪影；嵌入式控制器因其体积小、功能强、可靠性高、灵活方便等许多优点，它的应用范围已经深入到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域，12

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对各行各业的技术改造、产品更新换代、加速自动化化进程、提高生产率等方面起到了极其重要的推动作用。嵌入式系统工业是专用计算机工业，其目的就是要把一切变得更方便、更简单、更普遍、更适用；通用计算机的发展变为功能电脑，普遍进入社会，嵌入式计算机发展的目标是专用的电脑，主要用以实现“普遍化计算”。 嵌入式系统可以说无处不在，无所不在，有着非常广阔的发展前景，也充满了机遇和挑战；因此也可以称嵌入式智能芯片是构成未来世界的“数字基因”。

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