第1篇 嵌入式系统导论.doc

嵌入式系统导论 近年来，随着计算机技术、微电子技术及通讯技术的飞速发展，基于32位微处理器的嵌入式系统在各个领域的应用不断地得到扩大和深入，嵌入式产品已成为信息产业的主流。面对IT产业界这一新热点，高校开设嵌入式系统相关课程已是当务之急。目前国内很多高校都在开设和计划开设嵌入式系统课程。 在嵌入式系统实验教学中，我们选择了当前主流的ARM7微处理器芯片和源码开放的μCLinux操作操作。ARM系列处理器是专门针对嵌入式设备设计的，是目前构造嵌入式教学系统硬件平台的首选，而μCLinux继承了标准Linux的优良特性，它强大的网络功能和出色的文件系统等优势也将在嵌入式领域得到更加广泛的应用。 本章节对嵌入式系统的发展历史与现状、嵌入式Linux操作系统的特点及组成进行简要论述，在第2小节对μClinux系统进行了分析，第3小节论述了嵌入式Linux系统一般开发流程。 1.1 概 述 1.1.1 嵌入式系统发展历史与现状 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存在了。嵌入式系统诞生于微型机时代，经历了漫长的独立发展的单片机道路，从70年代单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统有了近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。20世纪70年代，微处理器的出现，使早期供养在特殊机房中，实现数值计算的大型计算机发生了历史性的变化。以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性等特点，迅速走出机房，进入工业控制领域。将微型机做在一个芯片上嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。 单片机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MCU即微控制器（Micro?Controller?Unit），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，大大缩短了开发周期、提高了开发效率。 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 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，主要用来控制系统负载以及监控应用程序的运行。 在MCU微控制器阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，由单片微型计算机发展到微控制器，以寻求应用系统在芯片上的最大化解决。 ◆ 实时操作系统阶段 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、低功耗的方向发展。DSP（Digital signal Processor）是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。 在这一阶段，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。RTOS是具有实时性且能支持实时控制系统工作的操作系统。 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性。此时的嵌入式操作系统已经具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。 ◆ 面向Internet阶段 21世纪无疑将是一个网络的时代，将嵌入式系统应用