[浅谈嵌入式系统现状与相应教学设备的选择] 嵌入式系统学什么

　　一、嵌入式系统简介 　　 　　进入90年代以来，以计算机技术、通信技术和软件技术为核心的信息技术取得了更加迅猛的发展。各种装备与设备，尤其是手机技术飞速的发展和无法想象的推广速度，促进了嵌入式系统的广泛应用。由于嵌入式系统应用广泛，嵌入式软件在整个软件产业中占据了重要地位，并受到世界各国的广泛关注。
　　嵌入式系统的官方定义是“以应用为中心、软件硬件可裁剪的、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格综合性要求的专用计算机系统”。本文所指的嵌入式系统是嵌入式领域中较高端的东西：其硬件基于一个以高性能处理器为中心的的核心板开发专有功能，而软件则基于一个多任务操作系统进行高级编程。换句话说，这里所指的嵌入式系统和嵌入式低端产品最显著的区别就是其操作系统的存在。借由操作系统，该综合平台的处理能力是以往的嵌入式单片机所根本无法比拟的。（嵌入式系统的系统结构如图1所示）
　　因此，一款嵌入式系统成品可以理解为一款专用计算机系统。嵌入式系统的设计开发完全以应用为中心：一款嵌入式系统的一切软硬件，都是围绕着实现某种功能进行定制。现在开发一套嵌入式系统硬件平台一般分为开发核心板和扩展板两部分。核心板相当于嵌入式系统的心脏，上面集成了CPU，存储器以及各种I/O接口。简单说，核心板是为了能够开发出CPU的所有功能，所以当需要其中的某几种功能的时候，只需要在扩展板上将相关功能引脚导出即可。这样操作能够大大节省开发平台的时间。
　　另外，嵌入式系统的资源一般来说非常有限。针对教学所用的UP-NetARM2410-S嵌入式开发板来说，其MMU也只是一个64M大小的NAND FLASH而已。对于一个32位的高性能处理器，虽然具有强大的运算能力，但是由于资源的稀少往往无法完成编译功能。因此嵌入式系统的软件开发往往涉及到交叉编译。
　　所谓交叉编译，就是在一个平台上生成另一个平台上的可执行代码。 由于目的平台上不允许或者不能安装编译器：一般是因为目的平台上资源贫乏，无法运行相应的编译器，因此开发时往往分为宿主机和目标机：宿主机用于程序的开发，而目标机执行生成的代码。开发和执行分别在两个不同的机器上进行。
　　
　　二、嵌入式系统的现状
　　
　　（一）嵌入式系统主要应用硬件
　　目前单片机系统多为4位、8位、16位机，不适合运行操作系统，难以进行复杂的运算及处理功能；而嵌入式系统的主流是以32位嵌入式微处理器为核心的硬件设计和基于实时操作系统（RTOS）的软件设计，主要是以ARM芯片作为其核心CPU。ARM全称为Advanced RISC Machines（高级RISC微处理器设计），既为一个公司的品牌，也可以作为某一类处理器的通称。不过作为生产商的ARM公司并不生产芯片，而是采取出售芯片IP核授权的方式作为销售手段。世界各大生产厂商从ARM公司购买ARM核，然后根据各自不同的需要，针对不同的应用领域添加适当的外围电路，从而生产出自己的ARM微处理器芯片。
　　ARM处理器由于是RISC指令集处理器，因此具有RISC诸多先进的设计思想：ARM处理器大量使用寄存器，而且大多数数据操作都在寄存器中完成，因此指令执行速度更快；其指令长度固定，而且寻址方式灵活简单，因此执行效率非常不错。除此之外，ARM具有嵌入式处理器的特点：体积小、功耗低、成本低而且性能相当不错。
　　ARM类产品当前主要应用于消费类电子领域。到目前为止，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位嵌入式微处理器80％以上的市场份额；全球90%的GSM/3G手机、99%的CDMA手机以及绝大多数PDA产品均采用ARM体系的嵌入式处理器。
　　韩国三星公司基于ARM920T内核和AMBA总线推出S3C2410微处理器，该处理器使用0.18um CMOS标准宏单元和存储器单元工艺，集成LCD、UART、IIC、SPI、IIS、USB、SD控制器等片内外围设备，并且支持ROM和NAND Flash引导。S3C2410微处理器适合面向手持设备应用，尤其是成本敏感且应用环境较好的的消费类电子产品。基于该处理器已经有如下产品（如图2所示）
　　虽然目前嵌入式产值和PC相当，但其数量却远远大于PC数量。嵌入式系统已经成为21世纪新技术领域的发展重要目标之一。（如图3所示）
　　（二）嵌入式系统主要应用软件
　　之前提到，本文提及的嵌入式系统和嵌入式低端产品最大区别在于其操作系统的存在，即嵌入式操作系统EOS（embedded operating system）。EOS除了具备一般操作系统的基本属性，例如能够进行任务调度、文件系统处理、存储设备管理等功能外；还需要具备嵌入式系统的一些相关特性：例如强大的定制性、内核资源尽可能精简以及对专用功能的支持等等。
　　目前主流的嵌入式操作系统包括来自微软公司的WinCE、来自风河公司的VxWorks以及开源的Embedded Linux系统等等。其中WinCE全称为Windows Compact Edition，其操作方式和用户界面都继承了桌面Windows的特点，因此非常容易上手。（如图4所示）
　　VxWorks产自美国WindRiver（风河）公司，其良好的可靠性和卓越的实时性无以伦比，因此目前在商业嵌入式操作系统中占有率最高。其主要应用于通信、军事、航空和航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域之中。
　　相比之下，嵌入式Linux在可操作性上不如WinCE方便，其实时性和可靠性也不如VxWorks，但是嵌入式Linux却有着其他EOS所无法比拟的优点：
　　（1）嵌入式Linux具有强悍的内核裁剪定制特性
　　对Linux经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几百K字节或几兆字节的存储器芯片，成为专用的Linux EOS。如针对ARM9开发平台，裁剪的linux2.4.19内核不包括文件系统仅为843.3k。因此目前正在开发的嵌入式系统中，50%以上的项目选择Linux作为嵌入式操作系统。
　　（2）Linux属于自由软件
　　Linux属于GNU（Gnu’s not UNIX）项目，因此该操作系统属于自由软件并且开发源代码。基于开源基础，我们完全可以在源码等级上对该EOS进行更改，并且生成完全属于自己的操作系统。
　　（3）Linux具有丰富的软件源，方便移植
　　基于Linux具有大量的各类开源软件，因此对于嵌入式应用软件层来说，很多软件不需要重新开发，而只需要从Linux平台上移植过来即可。对于绝大部分Linux应用软件来说，只需要更改编译器，然后重新编译即可生成能够在嵌入式平台上直接运行的可执行软件。
　　
　　三、嵌入式教学设备的选择
　　
　　基于以上描述，我们决定硬件采用最流行的ARM9处理器，而软件系统则决定基于嵌入式Linux操作系统进行开发。因此嵌入式教学平台决定采用由北京博创兴业科技有限公司开发的UP-NetARM2410-S嵌入式系统开发平台。（如图5所示）
　　其硬件配置如下：
　　
　　四、结束语
　　
　　本文首先简单阐述了嵌入式系统的概念；之后又对嵌入式系统的硬件部分和软件部分进行相关说明；最后对选择的嵌入式教学实验设备进行简单描述。
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