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1 嵌入式系统概念 1.1 定义 1

嵌入式系统：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可定制，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。

1.2 定义2

嵌入式系统：嵌入式系统是设计硬件和软件来完成复杂功能并将它们紧密耦合在一起的计算机系统。

嵌入式一词反映了这些系统通常是更大系统（称为嵌入式系统）的组成部分。多个嵌入式系统可以在一个嵌入式系统中共存。

2 嵌入式系统的分类 2.1 嵌入式微处理器（Unit，EMPU）

EMPU 基于通用计算机的CPU。 EMPU组装在专门设计的电路板上，并在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面进行了增强。然而，由于必须保留ROM、RAM、总线接口、各种外设等设备，因此降低了可靠性和技术保密性。

2.2 嵌入式微控制器（Unit，MCU）——即单片机

MCU又称单片机，顾名思义，将整个计算机系统集成到一颗芯片上

该芯片集成了ROM/RAM、总线、总线逻辑、定时器/计数器、I/O、串口、脉宽调制输出、A/D、D/A、RAM等各种必要的功能和外设。

与EMPU相比，MCU最大的特点是单片化，尺寸大大减小，从而降低功耗和成本，提高可靠性。 MCU微控制器是目前嵌入式系统行业的主流。微控制器一般具有丰富的片上外围资源，适合控制，因此被称为微控制器。

MCU目前品种最多、数量最多。比较有代表性的通用系列有8051、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、/11/12/16以及众多的ARM芯片。 MCU目前约占嵌入式系统市场份额的70%。

2.3 嵌入式DSP处理器（、EDSP）

DSP处理器专门设计了系统结构和指令，使其适合执行DSP算法，具有更高的编译效率和更高的指令执行速度。在数字滤波、FFT、频谱分析等方面，DSP算法正在大量进入嵌入式领域。

2.4 嵌入式片上系统（On Chip）

SOC与MCU不同，MCU是芯片级芯片。 SOC是系统级芯片，是一种专用用途的集成电路，包含了完整系统和嵌入式软件的全部内容。 SOC也是一种用于实现从确定系统功能到划分软硬件，完成整个设计过程的技术。

什么是芯片级，什么是系统级？

手机是系统级，主板是板卡级，主板上的一个芯片是芯片级。

3 嵌入式微控制器（Unit，MCU）架构简介

按内存结构可分为（）结构和（）（又称冯·诺依曼）结构。

哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。 冯诺依曼结构是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置。

按指令结构可分为CISC（Set）架构和RISC（Set）架构；

3.1 CISC（集）

CISC是一种芯片设计系统，旨在方便编程并提高存储器访问效率。早期的计算机使用组合语言编程。由于内存速度慢且昂贵，CISC 系统开始使用。 20世纪90年代中期之前，大多数微处理器都采用CISC系统──包括68K系列和68K系列。 （到目前为止，AMD生产的笔记本电脑和台式电脑中使用的CPU都是x86和x86-64架构。）

⑴ 指令特点

使用微码：指令集可以直接在微码存储器中执行（比主存储器快得多）。新设计的处理器只需要添加更少的晶体管即可执行相同的指令集，或者快速编写新的指令集程序。

庞大的指令集：可以减少编程所需的代码行数，减轻程序员的负担。

高级语言对应的指令集：包括二操作数格式、寄存器到寄存器、寄存器到存储器、存储器到寄存器指令。

⑵ CISC系统的优缺点

优点：可以有效缩短新指令的微码设计时间，让设计者实现CISC系统机器的向上兼容。新系统可以使用包括早期系统的指令超集，因此可以使用早期计算机上使用的相同软件。另外，微程序指令的格式与高级语言相匹配，因此编译器不必重写。

缺点：指令集和芯片设计比上一代产品复杂。不同的指令需要不同的时钟周期来完成。执行较慢的指令会影响整个机器的执行效率。

3.2 RISC（集）

RISC是一种旨在提高处理器运算速度的芯片系统。其关键技术在于流水线操作（）：在一个时钟周期内完成多条指令。超级流水线和超标量技术已广泛应用于芯片设计中。 RISC系统主要用于非x86阵营的高性能微处理器CPU，例如MCU系列。 （目前手机、平板电脑等大多数嵌入式设备使用的ARM-RISC都是基于RISC架构的）

⑴ RISC系统的指令特点

简化的指令集：包含简单和基本的指令。通过这些简单的基本指令，可以组合出复杂的指令。

等长指令：每条指令长度相同，可以一次完成。

单机器周期指令：大多数指令可以在一个机器周期内完成，允许处理器同时执行一系列指令。

⑵ RISC系统的优缺点

优点：采用相同的芯片技术和相同的操作时钟，RISC系统的运行速度将比CISC快2至4倍。由于RISC处理器的指令集精简，其内存管理单元、浮点单元等可以设计在同一芯片上。 RISC处理器比相应的CISC处理器设计更简单，花费的时间更少，并且可以应用比CISC处理器更先进的技术来开发更快的下一代处理器。

缺点：多指令操作需要程序开发人员仔细选择合适的编译器，编写的代码量会变得非常大。另外，RISC系统处理器需要更快的内存，这通常集成在处理器内部，即L1（一级缓存）。

4 常见嵌入式（实时RTOS）操作系统 4.1 嵌入式

它是一个完全符合GNU/GPL约定的操作系统。它是完全开放的代码，现在由公司支持和维护。发音为“you-see-”，它的名字来自希腊字母“mu”和英文大写字母“C”的组合。 “mu”的意思是“微小”，字母“C”的意思是“控制器”，所以字面意思是

可以看出它的意思，就是“微控制领域的系统”。

为了降低硬件成本和运行功耗，很多嵌入式CPU都没有设计内存管理单元（Unit，以下简称MMU）功能模块。

源自2.0/2.4内核，继承了大部分主流功能。它专门针对没有MMU的CPU，为嵌入式系统做了很多小型化工作。适用于没有虚拟内存或内存管理单元 (MMU) 的处理器。

4.2 操作系统

CE是微软公司开发的一种开放的、可升级的32位嵌入式操作系统，基于掌上电脑类电子设备的操作。这是一款精简版 95。CE 的图形用户界面令人印象深刻。

4.3

该操作系统是美国一家公司于1983年设计开发的嵌入式实时操作系统（RTOS），是嵌入式开发环境的关键组成部分。 （VX是硬实时，软实时，所以在航空等实时性要求强的地方无法替代，以前很贵，现在有很多其他RTOS降价了。 ）

在嵌入式实时操作系统领域占有一席之地。以其良好的可靠性和优异的实时性能，广泛应用于通信、军事、航空、航天等高精度技术和实时性要求极高的领域，如卫星通信、军事演习、弹道制导、飞机导航等

它被用在美国的F-16和FA-18战斗机、B-2隐形轰炸机和爱国者导弹上，甚至用在1997年4月登陆火星表面的火星车上。

4.4 OSE的特点

OSE主要由ENEA Data AB的子公司ENEA OSE AB开发和提供，ENEA Data AB一直是实时操作系统和分布式容错应用领域的先驱。该公司成立于 1968 年，拥有约 600 名员工，专门从事实时应用的技术支持。 ENEA OSE AB 是当今市场上快速发展的 RTOS 供应商。近三年来，公司税收收入每年以70%的速度增长。

4.5

PLUS是一个抢占式多任务操作系统内核，专为实时嵌入式应用而设计。其 95% 的代码是用 编写的，使其非常便携并且能够支持大多数类型的处理器。从实现的角度来看，PLUS是一组C函数库。应用代码与核心函数库连接生成目标代码，下载到目标板的RAM中或者直接烧录到目标板的ROM中执行。在典型的目标环境中，PLUS核心代码区的大小一般不超过20K字节。 （提供源码）

4.6 生态系统

eCos是该公司开发的开源嵌入式RTOS产品。它是一个可配置、可移植的嵌入式实时操作系统。设计的运行环境是GNU开发环境。 eCOS的所有部分都是开源的，可以根据需要自由修改和添加。

4.7 μC/OS-II（发音：miu cos 2）

开源代码、可移植、可固化、可定制、抢占式的实时多任务操作系统。它的大部分源代码都是用ANSI C编写的，世界著名的嵌入式专家Jean J.（μC/OS-II的作者）已经出版了几本书，详细分析了几个版本的内核。 μC/OS-II已通过美国联邦航空管理局（FAA）商用飞机认证，并符合RTCA（航空无线电技术委员会）DO-178B标准，该标准是针对航空电子设备中使用的软件的性能要求而制定的。自 1992 年推出以来，μC/OS-II 已应用于数百种产品中。 uC/OS-II在大学教学中使用时不需要申请许可证，但要将μC/OS-II的目标代码嵌入到产品中，则需要购买目标代码销售许可证。

µC/OS-II 4 ARM架构的特点

ARM是RISC的缩写，是微处理器行业的知名公司。该公司设计了大量高性能、廉价、低能耗的RISC处理器、相关技术和软件。该技术具有高性能、低成本、节能等特点。适用于多种领域，例如嵌入式控制、消费/教育多媒体、DSP 和移动应用。

ARM 将其技术授权给全球许多知名的半导体、软件和 OEM 制造商。每个制造商都会收到一套独特的 ARM 相关技术和服务。利用这种合作关系，ARM 迅速成为许多全球 RISC 标准的创建者。

目前，共有30家半导体公司与ARM签署了硬件技术许可协议，其中包括IBM、LG半导体、NEC、SONY、飞利浦和国家半导体等大公司。至于软件系统的合作伙伴，包括微软、Sun 、MRI等一系列知名公司。

ARM 架构是第一个专为低预算市场设计的 RISC 微处理器。

ARM 的设计实现了非常小但高性能的架构。 ARM处理器的简单结构使得ARM内核非常小，这使得设备的功耗非常低。

ARM是精简指令集计算机（RISC），因为它集成了非常典型的RISC结构特征：

此外，ARM架构还提供：

5 篇参考文献

《（周立功）ARM嵌入式系统基础教程》