姓名：罗宏亮 学号：19020100142 学院：电子工程学院
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【嵌牛导读】本文介绍了嵌入式控制系统的一些内容
【嵌牛鼻子】嵌入式控制系统
【嵌牛提问】嵌入式控制系统有哪些？
【嵌牛正文】
一、简介
1、概述
（1）IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：
嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。
devices used to control， monitor， or assist the operation of equipment， machinery or plants
（2）嵌入式系统就是将计算机的硬件或软件嵌入其他机、电设备或应用系统中去，构成了一种新的系统，即嵌入式系统。( Any electronic device that incorporates a computer in its implementation, which is embedded system)
2、构造原则
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，采用可减裁软硬件，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。
3、嵌入式系统与桌面通用系统的区别
（1）嵌入式系统中运行的任务是专用而确定的；桌面通用系统需要支持大量的、需求多样的应用程序
（2）嵌入式系统往往对实时性提出较高的要求。实时系统（ POSIX 1003.b 定义） ：指系统能够在限定的响应时间内提供所需水平的服务。
（3）嵌入式系统运行需要高可靠性保障，比桌面系统的故障容忍能力弱很多；嵌入式系统需要忍受长时间、无人值守条件下的运行；嵌入式系统运行的环境恶劣
（4）嵌入式系统中使用的操作系统一般是实时操作系统
（5）嵌入式系统大都有功耗约束：引入间歇工作方式，从而降低功耗，节省能量
（6）嵌入式系统比桌面通用系统可用资源少得多，嵌入式系统的开发需要专用工具和特殊方法
开发：交叉编译、交叉链接
调试：仿真器、虚拟机
更新：在线升级等
（7）嵌入式系统开发是一项综合的计算机应用技术
系统结构：状态控制器、中断控制器处理
汇编语言：操纵外围设备、端口
操作系统：设置运行任务、通讯、互斥
编译原理：交叉编译、bootloader加载
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二、应用领域与发展历程
1、嵌入式系统适用的场合
（1）检测、控制：数控机床、单机电、仪表
（2）小型化、微型化器件、设备：通讯、医疗、移动办公
（3）大吞吐量信号处理：视频流处理
（4）移动媒体信息处理：DC、MP3、MP4
（5）多机电协同工作：汽车电子、航空电子
2、嵌入式系统发展的四个阶段
（1）嵌入式系统的萌芽阶段 （1970年以前）
（2）以8位微处理器为基础的简单嵌入式系统（1971－1985）
（3）嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统 （1985-1998）
（4）嵌入式系统应用走向纵深化发展 （1998－至今）
3、嵌入式系统的萌芽阶段
（1）第一代电子管计算机(1946～1957年)，无法满足嵌入式计算所要求的体积小、重量轻、耗电少、可靠性高、实时性强等一系列要求。
（2）60年代，第二代晶体管计算机系统开始应用：
第一台机载专用数字计算机是美国海军舰载轰炸机“民团团员”号研制的多功能数字分析器(Verdan)。
1962年美国乙烯厂实现了工业装置中的第一个直接数字控制
（3）1965～1970年，第三代集成电路化计算机系统应用：
第一次使用机载数字计算机控制：1965年发射的Gemini3号
第一次通过容错来提高可靠性：1968年阿波罗4号、土星5号
4、嵌入式系统简单系统阶段
嵌入式系统的大发展是在微处理问世之后：
1971年11月，Intel公司推出了第一片微处理器Intel4004。
人们再也不必为设计一台专用机而研制专用的电路、专用的运算器了，只需以微处理器为基础进行设计。
1976年，第一个单片机Intel 8048出现。
1982年，第一个DSP出现，比同期的CPU快10～50倍。
80年代后期，第三代DSP芯片出现。
5、嵌入式系统RTOS阶段
（1）应用充分普及：工业控制、数字化通讯、数字化家电
汽车：50个以上嵌入式微处理器
飞机：70个以上嵌入式系统
（2）嵌入式微处理器32位、64位
（3）嵌入式实时操作系统使用比率越来越高
早期：10％；90年代初：30％；目前：80～90％
（4）嵌入式系统开发工具越来越丰富
6、嵌入式系统网络化阶段
（1）目前大多数嵌入式系统已经与Internet连接
（2）随着Internet技术与信息家电、工业控制、航空航天等技术结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将代表嵌入式系统的未来
7、嵌入式系统发展趋势
（1）软硬件系统整合
（2）SOC设计:体积小、散热好、低功耗、可靠性高
（3）应用领域拓展：传感器网络、普适计算
（4）内容服务增加：比如ebs
三、分类
1、划分分类
（1）按处理器位数划分
（2）按应用类别划分
（3）按系统的实时性划分
（4） 按工业界应用的复杂程度划分
2、按处理器位数划分
（1）按所采用的处理器位数，可以分为4位、8位、16位、32位和64位系统
（2）处理器的位数定义
处理器一次能同时处理的数据位数
寄存器的位数 ; 数据总线位数; 处理器位数-ALU
地址总线的位数决定处理器的寻址空间（CPU对于内存寻址的能力）
8051单片机:8位机 地址总线16位 寻址空间2^16=64KB
32位Win7: 地址总线32位寻址空间为2^32，为4GB
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3、按系统实时性划分
（1）硬实时
汽车的ABS和安全气囊系统、飞行控制系统、核电控制系统、工业现场应用
（2）软实时
手机亮度、电视信号
（3）自适应实时 自动调整满足环境需要，保证性能级别
4、按工业界应用的复杂程度划分
（1）简单单处理器系统
单片嵌入式微处理器和辅助器件
（2）可扩展单处理器系统
扩展存储器、外部接口
（3）复杂嵌入式系统
16位、32位嵌入式微处理器，大规模应用
（4）制造或过程控制中使用的计算机系统
与仪器、设备及机械相连，用于总体的监视和控制
四、基本结构
·1、概述
嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统（可选），以及用户的应用软件系统等四个部分组成
2、嵌入式微处理器
（1）1000多种硬件处理器，分为MCU(Microcontroller Unit)、DSP (digital signal processor)、MPU (Microprocessor Unit) 、SOC (System on Chip)
（2）嵌入式微处理器分为：嵌入式微控制器MCU，嵌入式DSP处理器DSP，嵌入式微处理器MPU，嵌入式片上系统System On Chip
3、外围硬件设备
（1）片外总线：连接系统各个部件，进行互连和传输信息的信号线。
（2）电子盘：采用flash芯片存储数据，体积小、功耗低、抗震
（3）I/O设备：A/D、D/A、中断控制器、UART、LCD
（4）通讯设备：有线通讯IEEE1394、USB和无线通讯：IrDA、Bluetooth
4、软件组成
（1）板级支持包
它介于嵌入式硬件和上层软件之间的一个底层开发包，主要目的是屏蔽下层硬件。拥有两部分功能：一是系统引导，包括嵌入式微处理器和基本芯片的初始化；二是提供设备的驱动接口，负责嵌入式系统与外设的信息交互。
（2）嵌入式实时操作系统
这是对多任务嵌入式系统进行有效管理的核心部分，可以分为基本内核和扩展内核两部分。前者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；后者则是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，如图形图像处理、汽车电子、信息家电等领域的专用扩展服务。
（3）应用编程接口
也称为嵌入式应用编程中间件，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，从而减轻应用开发者的负担。
（4）嵌入式应用系统
是为了解决某些特定的应用性问题而设计出来的软件，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。
五、嵌入式实时操作系统
1、典型的嵌入式实时操作系统（RTOS）
（1）近200种操作系统，VxWorks、QNX、WinCE、PalmOS
（2）面向SOC的操作系统：Symbian的Epoc、Express Logic的ThreadX、ATI的Nucleus
（3）开放源码的操作系统：Linux系列、uC/OS
2、典型性能指标
（1）内核大小：几K～几百K
（2）调度时间片：1ms
（3）实时任务响应时间：20～40微妙
（4）一般任务响应时间：20微妙～几百毫秒
3、嵌入式系统的设计要求
（1）功能实用、便于升级
（2）并发处理、及时响应
（3）造型自然、结构紧凑
（4）接口方便、操作容易
（5）稳定可靠、维护简便
（6）功耗管理、降低成本
