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浅谈嵌入式系统的发展现状和趋势
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嵌入式系统作为计算机应用的一个鼋要领域，已深入到电子、自动控制领域等各个方面。本文首先介绍了嵌入式系统的分类以及特点等，论述了嵌入式系统当前发展的现状，并详细阐述了嵌入式发展的历程。
　　1、引言 　　(ES)是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图象数据传输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的更新换代产品。因此往往是技术密集、投资强度大、高度分散、不断创新的知识密集型系统。反映当代最新技术的先进水平。嵌入式系统不仅和一般的PC机上的应用系统不同，就是针对不问的具体应用而设计的嵌入式系统之间差别也很大。嵌入式系统一般功能单一、简单，且在兼容性方面要求不高，但是在大小，成本方面限制较多。嵌入式计算机基本上不能算是嵌入式系统。它仍然是计算机一类，不过是工作条件有所不同而已，因为它还保留了计算机的基本。 　　2、嵌入式系统的分类 　　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足一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。目前根据其发展现状，嵌入式计算机可以分成下面几类： 　　1.单个微处理器 　　这类系统可以在小型设备中(如、烟雾和气体探测器及断路器)找到。这类设备是供应商根据设备的用途来设计的，这类设备受Y2K影响的可能性不大。 　　2.不带计时功能的微处理器装置 　　这类系统可在过程控制、信号放大器、位置传感器及阀门传动器等中找到。这类设备也不太可能受到Y2K的影响。但是，如果它依籁于一个内部操作时钟，那么这个时钟可能受Y2K问题的影响。 　　3.带计时功能的组件 　　这类系统可见于开关装置、控制器、电话交换机、电梯、数据采集系统、医药监视系统、诊断及实时等。它们是一个大系统的局部组件，由它们的传感器收集数据并传递给该系统。这种组体可同PC机一起操作，并可包括某种数据库(如事件数据库)。 　　4.在制造或过程控制中使用的计算机系统 　　对于这类系统，计算机与仪器、机械及设备相连来控制这些装置的工作。这类系统包括自动仓储系统和自动发货系统。在这些系统中，计算机用于总体控制和监视，而不是对单个设备直接控制。过程控制系统可与业务系统连接(如根据销售额和库存量来决定定单或产品量)。 　　3、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.嵌入式系统通常足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大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、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，量体裁农、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性自邕这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。 　　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，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 　　5.嵌入式系统的发展历程 　　纵观嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下四个阶段： 　　无操作系统阶段 　　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程的程序，因此严格地说还谈不上“系统”的概念。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的信息家电等场合的需要。 　　简单操作系统阶段 　　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，开发周期、提高了开发效率。 　　实时操作系统阶段 　　20世纪90年代，在分布控制、、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统进。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，嵌入式系统的软什规模也不断扩大，逐渐形成，实时多任务操作系统(RTOS)，并开始成为嵌入式系统的主流。 　　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，已经能够运行在各种不同类型的微处理器上，具有高度的模块化和扩展件。此时的已经具备了文件和目录管理、、多任务、网络、图形用户界面(GUI)等功能，并提供了大最的应用程序接口(API)。从而使得应用软件的开发变得更加简单。 　　面向Internet阶段 　　21世纪无疑将足一个网络的时代，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的结合才是嵌入式技术的真正未来。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，同时也对嵌入式系统厂商提出，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： 　　新的微处理嚣层出不穷，嵌入式操作系统自身结构的设计更加便于移植，能够在短时间内支持更多的微处理器。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，同时还要提供强大的硬件开发工具和软件支持包。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 CE、Palm OS等嵌入式操作系统进行有力竞争的局面。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，网络互联成为必然趋势。精简系统内核，优化关键算法，降低功耗和软硬件成本。提供更加友好的多媒体。 　　结语 　　目前，绝大部分嵌入式系统的硬件平台还掌握在外国公司的手中，国产的嵌入式操作系统在技术含量、兼容性、市场运作模式等方面也还有很多工作要做，我们应该在跟踪国外嵌入式操作系统的最新技术的同时，坚持自主产权，力争找到自己的突破点，探索出一条自己的发展道路。随着计算杌技术、微电子技术和的不断发展，在不断解决现有问题的同时，也在向更深的方向发展。21世纪初，以信息家电为代表的嵌入式系统，其应用广泛、领域特色突出，发展空间巨大。嵌入式系统将在我国将有美好的发展前景。
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1、什么是嵌入式系统？
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，可满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功能有严格要求的专用计算机系统。
2、请举例说明“实时”与“实时系统”这两个概念。(P9)
答:实时: 事物发生过程中的实际时间; 实时系统能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和外部或内部、同步或异步时间做出响应的系统。
3、举例说明嵌入式系统有哪些特点。（P11-14）
答：（1）、技术密集：（2）、专用紧凑：（3）、安全可靠：（4）、多种多样：（5）、及时响应：
（6）、成本敏感：（7）、开发困难：（8）不可弄断：（9）其他：
4、简述嵌入式系统的发展历程。(P16图1.10)
大致经历四个阶段：
第一阶段大致在20世纪70年代之前，可看成嵌入式系统的萌芽阶段，是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、侍服、指示设备相配合的功能。
第二阶段是之后的十多年，是以嵌入式微处理器为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统，大多数嵌入式系统使用8位微处理器，不需要嵌入式操作系统支持。
第三阶段大致是20世纪80年代末到90年代后，以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统，主要特点：嵌入式操作系统内核小、效率高，具有高度的模块化和扩展性。
第四阶段从20世纪90年代末开始，是以网络化和Internet为标志的嵌入式系统。
5、嵌入式系统的硬件由哪些基本部分组成？各部分的功能如何？（P19-20） 答：嵌入式系统的硬件部分可以分成三部分：处理器核、外围电路和外设与扩展。
（1） 处理器核：包括负责控制整个嵌入式系统执行的核心处理器、时钟分频定时器、中断控制、I/O端口等，也可能直接包含了A/D和D/A转换处理端口；
（2） 外围电路：包括嵌入式系统所需要的基本存储管理，晶振、复位、电源等控制电路及接口。与处理器核一起构成一个完整的嵌入式微处理器。对32位以上的微处理器，一般还带有专门的调试接口（JTAG或BDM）。
（3） 外设与扩展：是嵌入式系统与真实环境交互的接口，可以提供包括扩展存储、I/O接口和打印机等设备的控制电路，或直接使用相关的控制芯片。根据实际应用的需要，还可以扩展一些专用芯片，如加密解密、现场总路线、移动通信等专用芯片。
6、嵌入式软件体系包含哪几层？概述各层的功能。(P20-21)
答：嵌入式软件体系包含四个层次：板级支持包、嵌入式实时操作系统、应用编程接口API和嵌入式应用系统。
（1） 板级支持包：它是介于嵌入式硬件和上层软件之间的一个底层软件开发包，主要目的是屏蔽下层硬件。
（2） 嵌入式实时操作系统：它可以分成基本内核和扩展内核两部分。基本内核提供操作系统的核心功能，负责整个系统的任务调度、存储分配、时钟管理、中断管理，也可提供文件、GUI、网络等通用服务。而扩展内核根据应用领域的需要，为用户提供面向领域或面向具体行业的操作系统扩展功能。
（3） 应用编程接口：由为编制嵌入式应用程序提供的各种编程接口库或组件组成，可以针对不同应用领域、不同安全要求分别构建，减轻应用开发者的负担。
（4） 嵌入式应用系统：是最终运行在目标机上的应用软件，如嵌入式文本编辑、游戏、读\写卡系统、家电控制软件、多媒体播放软件等。
实际构建嵌入式系统时，并不一定需要RTOS和应用编程接口API。
7、描述嵌入式系统的基本开发过程。(P22-23)
答：开发一个嵌入式系统就意味着软件与硬件的同时开发，其过程包括产品定义、系统总体设计、软硬件设计、软硬件集成、产品测试、产品发布、产品维护等阶段。
（1）产品定义：确定开发任务和设计目标，并提炼出需求规格说明书，作为设计指导和验收标准。
（2）系统总体设计：描述系统如何实现需求规格说明书中定义的各类指标，包括硬件、软件和执行装置的功能划分，嵌入式微处理器、各类芯片的选择，系统软件和开发工具的选择等。
（3）软硬件设计：传统的嵌入式系统开发中，软硬件设计各自独立进行，依据是系统总体设计的软硬件划分及功能性能要求。
（4）软硬件集成与测试：在估计软硬件无单独错误的前提下，可以将它们按预先确定的接口集成起来，进行联调，发现并改进独立设计过程中的错误。
（5）产品发布：依据产品定义，对集成好的嵌入式系统进行测试，检查是否满足规格说明书中给定的各项指标要求，由此决定产品是否可以发布。
11、嵌入式软件测试有哪些难点？需要进行哪些常规测试？(P25-26)
答：其测试的难点如下：
1）、软件功能的测试依赖不需要编码的硬件功能，快速定位软硬件错误困难。
2）、健壮性测试、可用性测试很难编码实现。
3）、交叉测试平台的测试用例、测试结果上载困难，而且有可能与实际目标环境不完全一致。
4）、对实时多任务的嵌入式系，难以测试线程、任务、子系统之间的交互、并发和容错能力，也难以确定时间约束是否满足。
5）、于多任务系统，特别是网络系统的不确定性，对嵌入式系统性能测试、确定性测试造成严重的瓶颈。
6）、嵌入式系统的多样性同样造成测试自动化技术难以实施。
需要的常规测试有：芯片测试、黑盒白盒测试、覆盖测试、状态测试、集成测试、可靠性测试。定期的测试微处理器、存储器以及嵌入式程序占用的存储空间；外设的测试；电源测试；耗材的测试；安全测试；通信电缆测试。
1、查阅相关资料，谈谈你对嵌入式硬件系统基本架构的认识。
嵌入式硬件系统是以嵌入式微处理器为核心，主要由嵌入式微处理器、总线、存储器、输入输出接口和外围设备组成。
嵌入式系统的硬件可分为核心微处理器、控制电路以及外设与扩展
嵌入式微处理器是各种面向用户、面向产品、面向应用的嵌入式系统的核心部件，是控制系统运行的硬件单元。特点有体积小，集成度高，对实时多任务有很强的支持能力，具有很强的功能保护功能，可扩展。
嵌入式存储系统由高速缓冲区，主存储器和辅助存储器组成。
2、试叙述冯.诺依曼体系结构和哈佛体系结构的区别。(P30-31)
答： （1）冯?诺依曼体系结构： 计算机系统一般由中央处理单元（CPU）、存储器系统和输入、输出设备组成，存储器系统负责存储全部数据和指令，并可以根据所给的地址对其进行读、写操作。数据和指令存在同一存储器中的计算机称为冯?诺依曼体系结构计算机。CPU有若干个可以存放内部使用值的内部寄存器，其中典型的寄存器是程序计数器（PC）。CPU根据PC中的内容从存储器中取出指令，然后对指令进行译码，执行。
（2）哈佛体系结构：特点是程序存储器和数据存储器分开，程序计数器（PC）只值向程序存储器而不值向数据存储器，这样，即使数据总线被占用，CPU也可以继续从程序内存中取指令执行，直到遇到访问内存的指令才不得不停下来等待DMA结束。这样就是在CPU的操作和外设DMA的操作之间引入了某种并行度，从而可以提高系统的效率。独立的程序存储器和数据存储器提高了数字处理的性能，让两个存储器有不同的端口，可提供较大的存储器宽度。这样，数据和程序不必再竞争同一个端口，加快了机器的运行时间。
3、试叙述RISC的优点以及与CISC相比有何特点？(P31表2.1)
答: 答:RISC并非只是简单地减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度上。RISC结构的特点包括优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；简易的译码指令格式，在单周期内完成指令等。
表2.1 CISC和RISC的对比如下：
指令系统 指令数量很多 相对较少
执行时间 有些指令执行时间很长，如整块的存储内容拷贝；或将多个寄存器的内容拷贝到存储器
多为单周期指令
寻址方式 编码长度可变，1~15个字节 编码长度固定，通常为4个字节 寻址方式多样 寻址方式较简单
操作 可以对存储器和寄存器进行运算和操作 仅load/store指令可以对存储器进行操作，其余指令只能对寄存器进行运算和操作
编译 难以用优化编译器生成高效的目标代码程序 采用优化编码技术，生成高效的目标代码程序
5、ARM9TDMI中T、D、M、I的含义是什么？（P34）
答：TDMI的基本含义如下：
①T------支持16位压缩指令集Thumb；
②D-----支持片上Debug ；
③M----内嵌硬件乘法器Multiplier；
④I----嵌入式ICE，支持片上断点和调试点。
6、ARM微处理器的运算模式有那几种？各种运行模式下分别有什么特点？(P36 表2.2) 答：ARM微处理器支持7种运行模式，运行模式可以通过软件控制改变，外部中断或异常处理也可以引起模式发生改变。其运行模式如下：
用户（user）
ARM微处理器正常的程序执行状态
快速中断（FIQ）
用于高速数据传输或通道处理
外部中断（IRQ）
用于通用的中断处理
管理（supervision）
操作系统保护模式
数据访问中断（abort）
实现虚拟存储器和存储器保护
系统（system）
运行特权操作系统任务
未定义（undifined）
支持硬件协处理器的软件仿真
7、ARM有哪几种异常类型？ARM的异常是如何响应和返回的？(P41表2.5)
答：ARM内核支持7种中断和异常。不同的中断处于不同的处理模式，具有不同的优先级，而且每个中断都有固定的中断入口地址。当一个中断发生时，相应的R14存储中断返回地址，SPSR存储状态寄存器CPSR的值。
异常类型 微处理器模式 入口地址 优先级 描述
当微处理器的复位电平有效时，产生复位
复位异常，程序跳转到复位异常处理程序处执行
未定义指令
7 当ARM微处理器或协处理器遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常。可使用该异常机制进行软件仿真
6 该异常由执行SWI指令产生，可用于用户模式下的程序调用特权 操作指令。可使用该异常机制实现系统功能调用
预取中止 数据访问中止
若微处理器预读指令的地址不存在或该地址不允许当前指令访问，存储器向微处理器发出中止信号，但当预读的指令被执行时，才会产生指令预取中止异常
数据中止 数据访问中止
2 若微处理器数据访问指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问时，产生数据中止异常
外部中断 外部中断
4 当ARM外部中断请求引脚有效，且CPSR中的I位为0时，产生IRQ异常。系统的外设可通过该异常请求中断服务
快速中断 快速中断
CPSR中的F位为0时，产生IRQ异常
8、试简述ARM指令的寻址方式。（P44-46）
答：ARM指令的寻址方式如下：
寻址方式 含义
立即（数） 操作数本身就在指令中给出，只要取出指令也就取到了操作数，即立即数 寄存器
利用寄存器中的数值作为操作数
寄存器间接 以寄存器中的值作为操作数的地址，而操作数本身存放在存储器中
将基址寄存器的内容与指令给出的偏移量相加，形成操作数的有效地址，用于访问基址附近的存储单元
多寄存器 一条指令可以完成多个寄存器值的传送
以程序计算器pc的当前值为基地址，指令中的地址标号作为偏移量，将二者相加之后得到操作数的有效地址
“先进先出”顺序进行存取的存储区，使用一个称作堆栈指针（sp）的专用寄存器指示当前操作位置，堆栈指针总是指向栈顶
10、Thumb指令集和ARM指令集相比有哪些优势？(P58)
答: thumb指令包括基本的加减循环移位及跳转指令。大部分arm指令可以用一条thumb指当ARM快速中断请求引脚有效，且
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