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[摘 要] 本论文系统介绍了嵌入式系统常用的硬件及软件操作系统
[关键词] 嵌入式系统 处理器 操作系统
嵌入式系统被定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。实际上嵌入式系统是计算机的一种应用形式，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，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点。因此它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。特别适合于要求实时的和多任务的系统。
一个嵌入式系统是一个有特定功能或用途的计算机软硬件的集合体，其硬件的核心部件是嵌入式处理器，包括微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）、嵌入式微处理器（MPU）、嵌入式片上系统（System On Chip）等。而软件的核心部件式嵌入式操作系统，目前流行的嵌入式操作系统有VxWorks、pSOS、QNX、Windows CE、Palm OS、QNX、Linux等。
一、嵌入式处理器
全世界嵌入式处理器的品种总量已經超过1000多种，流行的体系结构有30多个系列。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，根据其现状，大致分为以下几类：
1、嵌入式微处理器（Embedded Microprocessor Unit, EMPU）
嵌入式处理器的基础是通用CPU，在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应应用有关的母板功能，这样可以大幅度减少系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点，但是设计中需外加ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。
嵌入式处理器目前主要有Aml86/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。
2、嵌入式微控制器（Microcontroller Unit,MCU）
嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一片芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉冲调制输出、A/D、D/A、Flash等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减少，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。
嵌入式微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，故称为微控制器。嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列有8051、P51XA、MCS-251/96、MC68HC05/11/16、68300等。
3、嵌入式DSP处理器（Embedded Digital Signal Processor, EDSP）
DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度快。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器有两个发展来源，一是DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设称为嵌入式DSP处理器；二是在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器。
目前嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texas Instruments的TMS320系列和Motorola 的DSP56000系列。
4、嵌入式片上系统（System On Chip, SOC）
随着EDI的推广、VLSI设计的普及以及半导体工艺的迅速发展，可以结合许多功能区块，将功能做在一个芯片上而构成一个更为复杂的系统，这就是SOC。它结合了微内核，像ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其它的微处理器核心，外加通信接口单元，像USB、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、蓝牙模块等等。这样开发的应用系统电路板变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。
SOC分为通用和专用两类，通用系列包括Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件。专用SOC一般专用于某个或某类系统中，一个有代表性的产品是Philips的Smart XA，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载JAVA或者C语言的专用SOC，可用于公众互联网如Internet安全方面。
二、嵌入式操作系统
嵌入式操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是运行于其上的各个任务，它根据各个任务的要求，进行资源（包括存储器、外设等）管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在有嵌入式操作系统支持的系统中，每个任务有一个优先级，根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。经过多年的发展，比较流行的嵌入式操作系统如下：
1、VxWorks
VxWorks 操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种实时嵌入式操作系统（RTOS），由于具有高性能的系统内核和友好的用户开发环境。
VxWorks的突出特点：可靠性、实时性和可裁减性。它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。它支持多种处理器，如x86、i960、Sun Sparc、Motorola Mc68xxx、MIPS RX000、Power PC等。大多数的VxWorks API是专有的，采用GNU的编译和调试器，具有集成开发环境Tornado 系列。
它属于商业型操作系统，目前国内很多大的公司都采用此操作系统进行嵌入式系统的开发，如中兴通讯、华为等。
2、pSOS
该系统是一个模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计，提供一个完全的多任务环境，在定制的或者商业化的硬件上具有高性能和高可靠性，可以让开发者根据操作系统的功能和内存需求定制每一个应用所需的系统。开发者可以利用它来实现从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的多处理器系统。
3、Windows Embedded
Windows Embedded 产品家族是Microsoft的产品，主要是用于建立支持具有丰富应用程序和服务的32嵌入时系统，从而针对广泛的用户需求提供灵活解决方案。此外，同支持更快的“产品上市速度”并降低开发成本，Windows Embedded 产品家族还能保证开发人员立于竞争前沿。目前Windows Embedded产品家族主要有Windows CE 3.0 和Windows NT Embedded 4.0。
4、Palm OS
Palm OS是著名的网络设备制造商3COM旗下的Palm Computing掌上电脑公司的产品，在PDA市场上占有很大的市场份额。它具有开放的操作系统应用程序接口（API），开发商可以根据需要自行开发所需要的应用程序。
从全球范围来看，由于Handspring公司和SONY公司也被授权使用Palm OS操作系统，致使Palm OS的市场份额占到将近90%。Palm OS的优势在于可以让用户灵活方便地定制操作系统以适合自己的习惯，而且其市场运作经验丰富，资本雄厚，目前也正在通过第三方软件商进行软件的中文化工作。
5、OS-9
Microwave的OS-9是为微处理器关键实时任务而设计的操作系统，广泛应用于高科技产品中，包括消费电子产品、工业自动化、无线通信产品、医疗仪器、数字电视/多媒体设备。它提供了很好的安全性和容错性。与其它的嵌入式系统相比，它的灵活性和可升级性非常突出。
6、LynxOS
Lynx Real-time Systems 的LynxOS式一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统，它遵循PosIX.la、PosIX.lb和PosIX.1c标准。LynxOS支持线程的概念，提供256个全局用户线程优先级；提供一些传统的、非实时系统的服务特性，包括基于调用需求的虚拟内存、一个基于Motif的用户图形界面、与工业标准兼容的网络系统以及应用开发工具。
7、QNX
QNX是加拿大QNX公司的产品。QNX是在x86体系上开发出来的，这和别的RTOS不太一样，别的大多RTOS都是从68K的CPU上开发成熟，然后再移植到x86体系上来的，但是QNX是直接在x86上面开发，只是近年才在68K等CPU上使用。
QNX是一个实时的、可扩充的操作系统，它部分遵循PosIX相关标准，如PosIX.1b实时扩展。它提供了一个很小的微内核以及一些可选的配合进程。其内核仅提供4种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理。其进程在独立的地址空间运行。所有其它OS服务，都体现为协作的用户进程，因此QNX内核非常小巧（QNX 4.x大约为12KB），而且运行速度极快。这个灵活的结构可以使用户根据实际的需求，将系统配置成微小的嵌入式操作系统或者包括几百个处理器的超级虚拟机操作系统。
由于QNX具有强大的图形界面功能，因此很适合作为机顶盒、手持设备（掌上电脑、手机）、GPS设备的实时操作系统使用。
8、嵌入式Linux
自由免费软件Linux的出現对目前商用嵌入式操作系统带来了冲击。它可以移植到多个有不同结构的CPU和硬件平台上，具有很好的稳定性、各种性能的升级能力强，而且开发更容易。
国际上许多大型跨国企业，已经选中了Linux操作系统作为开发嵌入式产品的工具。如韩国三星公司、美国Transmeta公司等。国内也有很多厂家推出了基于Linux的嵌入式系统，如中科红旗软件技术有限公司既开发了嵌入式Linux系统基本开发平台，有提供了可供裁减的嵌入式Linux图形用户界面、窗口系统和网络浏览器，并与其它厂商合作开发了许多产品，包括PDA、机顶盒、彩票机等。
9、μC/OS-II
μC/OS-II是源代码公开的实时嵌入式内核，是由美国人Jean J. Labrosse撰写，其性能完全可以与商业产品竞争。它是基于μC/OS的，在1992年以来已经有很多成功的商业应用。它可在绝大多数8位、16位、32位甚至64位微处理器、微控制器、数字信号处理器（DSP）上运行。
目前嵌入式系统的开发工具平台主要包括以下几种：
（1）实时在线仿真系统ICE(In-Circuit Emulator)
（2）高级语言编译器（Compiler Tools）
（3）源程序模拟器（Simulator）
参考文献：
[1]Kamal(卡莫尔).嵌入式系统—体系结构、编程与设计，清华大学出版社，2005.
[2]桑 楠.嵌入式系统原理及应用开发技术，北京航空航天大学出版社，2005.
[3]田 泽.嵌入式系统开发与应用教程，北京航空航天大学出版社，2005 .
作者简介：
许勇刚（1975.10-）男，籍贯：浙江天台，硕士研究生，讲师。
[关键词] 嵌入式系统 处理器 操作系统
嵌入式系统被定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。实际上嵌入式系统是计算机的一种应用形式，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，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点。因此它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。特别适合于要求实时的和多任务的系统。
一个嵌入式系统是一个有特定功能或用途的计算机软硬件的集合体，其硬件的核心部件是嵌入式处理器，包括微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）、嵌入式微处理器（MPU）、嵌入式片上系统（System On Chip）等。而软件的核心部件式嵌入式操作系统，目前流行的嵌入式操作系统有VxWorks、pSOS、QNX、Windows CE、Palm OS、QNX、Linux等。
一、嵌入式处理器
全世界嵌入式处理器的品种总量已經超过1000多种，流行的体系结构有30多个系列。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，根据其现状，大致分为以下几类：
1、嵌入式微处理器（Embedded Microprocessor Unit, EMPU）
嵌入式处理器的基础是通用CPU，在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应应用有关的母板功能，这样可以大幅度减少系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点，但是设计中需外加ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。
嵌入式处理器目前主要有Aml86/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。
2、嵌入式微控制器（Microcontroller Unit,MCU）
嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一片芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉冲调制输出、A/D、D/A、Flash等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减少，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。
嵌入式微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，故称为微控制器。嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列有8051、P51XA、MCS-251/96、MC68HC05/11/16、68300等。
3、嵌入式DSP处理器（Embedded Digital Signal Processor, EDSP）
DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度快。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器有两个发展来源，一是DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设称为嵌入式DSP处理器；二是在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器。
目前嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texas Instruments的TMS320系列和Motorola 的DSP56000系列。
4、嵌入式片上系统（System On Chip, SOC）
随着EDI的推广、VLSI设计的普及以及半导体工艺的迅速发展，可以结合许多功能区块，将功能做在一个芯片上而构成一个更为复杂的系统，这就是SOC。它结合了微内核，像ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其它的微处理器核心，外加通信接口单元，像USB、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、蓝牙模块等等。这样开发的应用系统电路板变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。
SOC分为通用和专用两类，通用系列包括Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件。专用SOC一般专用于某个或某类系统中，一个有代表性的产品是Philips的Smart XA，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载JAVA或者C语言的专用SOC，可用于公众互联网如Internet安全方面。
二、嵌入式操作系统
嵌入式操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是运行于其上的各个任务，它根据各个任务的要求，进行资源（包括存储器、外设等）管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在有嵌入式操作系统支持的系统中，每个任务有一个优先级，根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。经过多年的发展，比较流行的嵌入式操作系统如下：
1、VxWorks
VxWorks 操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种实时嵌入式操作系统（RTOS），由于具有高性能的系统内核和友好的用户开发环境。
VxWorks的突出特点：可靠性、实时性和可裁减性。它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。它支持多种处理器，如x86、i960、Sun Sparc、Motorola Mc68xxx、MIPS RX000、Power PC等。大多数的VxWorks API是专有的，采用GNU的编译和调试器，具有集成开发环境Tornado 系列。
它属于商业型操作系统，目前国内很多大的公司都采用此操作系统进行嵌入式系统的开发，如中兴通讯、华为等。
2、pSOS
该系统是一个模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计，提供一个完全的多任务环境，在定制的或者商业化的硬件上具有高性能和高可靠性，可以让开发者根据操作系统的功能和内存需求定制每一个应用所需的系统。开发者可以利用它来实现从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的多处理器系统。
3、Windows Embedded
Windows Embedded 产品家族是Microsoft的产品，主要是用于建立支持具有丰富应用程序和服务的32嵌入时系统，从而针对广泛的用户需求提供灵活解决方案。此外，同支持更快的“产品上市速度”并降低开发成本，Windows Embedded 产品家族还能保证开发人员立于竞争前沿。目前Windows Embedded产品家族主要有Windows CE 3.0 和Windows NT Embedded 4.0。
4、Palm OS
Palm OS是著名的网络设备制造商3COM旗下的Palm Computing掌上电脑公司的产品，在PDA市场上占有很大的市场份额。它具有开放的操作系统应用程序接口（API），开发商可以根据需要自行开发所需要的应用程序。
从全球范围来看，由于Handspring公司和SONY公司也被授权使用Palm OS操作系统，致使Palm OS的市场份额占到将近90%。Palm OS的优势在于可以让用户灵活方便地定制操作系统以适合自己的习惯，而且其市场运作经验丰富，资本雄厚，目前也正在通过第三方软件商进行软件的中文化工作。
5、OS-9
Microwave的OS-9是为微处理器关键实时任务而设计的操作系统，广泛应用于高科技产品中，包括消费电子产品、工业自动化、无线通信产品、医疗仪器、数字电视/多媒体设备。它提供了很好的安全性和容错性。与其它的嵌入式系统相比，它的灵活性和可升级性非常突出。
6、LynxOS
Lynx Real-time Systems 的LynxOS式一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统，它遵循PosIX.la、PosIX.lb和PosIX.1c标准。LynxOS支持线程的概念，提供256个全局用户线程优先级；提供一些传统的、非实时系统的服务特性，包括基于调用需求的虚拟内存、一个基于Motif的用户图形界面、与工业标准兼容的网络系统以及应用开发工具。
7、QNX
QNX是加拿大QNX公司的产品。QNX是在x86体系上开发出来的，这和别的RTOS不太一样，别的大多RTOS都是从68K的CPU上开发成熟，然后再移植到x86体系上来的，但是QNX是直接在x86上面开发，只是近年才在68K等CPU上使用。
QNX是一个实时的、可扩充的操作系统，它部分遵循PosIX相关标准，如PosIX.1b实时扩展。它提供了一个很小的微内核以及一些可选的配合进程。其内核仅提供4种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理。其进程在独立的地址空间运行。所有其它OS服务，都体现为协作的用户进程，因此QNX内核非常小巧（QNX 4.x大约为12KB），而且运行速度极快。这个灵活的结构可以使用户根据实际的需求，将系统配置成微小的嵌入式操作系统或者包括几百个处理器的超级虚拟机操作系统。
由于QNX具有强大的图形界面功能，因此很适合作为机顶盒、手持设备（掌上电脑、手机）、GPS设备的实时操作系统使用。
8、嵌入式Linux
自由免费软件Linux的出現对目前商用嵌入式操作系统带来了冲击。它可以移植到多个有不同结构的CPU和硬件平台上，具有很好的稳定性、各种性能的升级能力强，而且开发更容易。
国际上许多大型跨国企业，已经选中了Linux操作系统作为开发嵌入式产品的工具。如韩国三星公司、美国Transmeta公司等。国内也有很多厂家推出了基于Linux的嵌入式系统，如中科红旗软件技术有限公司既开发了嵌入式Linux系统基本开发平台，有提供了可供裁减的嵌入式Linux图形用户界面、窗口系统和网络浏览器，并与其它厂商合作开发了许多产品，包括PDA、机顶盒、彩票机等。
9、μC/OS-II
μC/OS-II是源代码公开的实时嵌入式内核，是由美国人Jean J. Labrosse撰写，其性能完全可以与商业产品竞争。它是基于μC/OS的，在1992年以来已经有很多成功的商业应用。它可在绝大多数8位、16位、32位甚至64位微处理器、微控制器、数字信号处理器（DSP）上运行。
目前嵌入式系统的开发工具平台主要包括以下几种：
（1）实时在线仿真系统ICE(In-Circuit Emulator)
（2）高级语言编译器（Compiler Tools）
（3）源程序模拟器（Simulator）
参考文献：
[1]Kamal(卡莫尔).嵌入式系统—体系结构、编程与设计，清华大学出版社，2005.
[2]桑 楠.嵌入式系统原理及应用开发技术，北京航空航天大学出版社，2005.
[3]田 泽.嵌入式系统开发与应用教程，北京航空航天大学出版社，2005 .
作者简介：
许勇刚（1975.10-）男，籍贯：浙江天台，硕士研究生，讲师。