嵌入式系统的架构与发展
欧青立, 曾照福, 徐光远, 沈洪远
(湖南科技大学信息与电气工程学院, 湖南湘潭411201) 配置非常灵活, 除CPU 外, 其余部分都可根据需要
进行剪裁。嵌入式系统的软件结构可以分为四个层
次:设备驱动、操作系统、应用中间件和应用系统。软
件系统的构建也是要根据实际需求配置和剪裁, 以达
到嵌入式系统最优化。
1.3 嵌入式系统之特点
嵌入式系统与通用计算机系统相比有五个明显的
特征:专用性、可封装性、多样性、实时性、可靠性。专
用性是指嵌入式计算机系统用于特定设备完成特定任
务, 它强调其非通用性。可封装性指嵌入式计算机系
统隐藏于目标系统内部而不被操作者察觉。实质上是
面向对象封装以达到信息隐蔽思想的体现。多样性体
现为嵌入式系统应用广泛, 且软硬件配置约束明显, 使
得嵌入式系统品种繁多, 形式多样。实时性指与实际
事件的发生频率相比, 嵌入式系统能够在可预知的极
短时间内对事件或用户的干预做出响应, 满足技术过
程的时限要求。可靠性是指嵌入式计算机隐藏在系统
或设备中, 用户很难直接接触控制, 且使用环境不定,
往往条件恶劣, 因此其健壮性和可靠性是嵌入式系统
的必备条件。
1.4 嵌入式系统的发展简史
(1)现代计算机技术的两大分支
计算机发展到今天, 由于应用环境的不同要求, 现
代计算机技术形成了两大不同的技术分支, 即通用计
算机系统与嵌入式系统。这两个分支沿着不同技术路
线快速发展。通用计算机系统的技术要求是高速、海
量的数值计算, 其技术发展方向是追求速度的无限提
升、存储容量的无限扩大。而嵌入式系统的技术要求
是对环境对象的智能化控制能力, 其技术发展方向是
追求与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控
制的可靠性。
(2)嵌入式系统的独立发展道路
嵌入式系统起源于上世纪70年代的微型计算机
时代, 但微型计算机的体积、价位、可靠性都无法满足
广大对象系统的嵌入式应用要求。单片机开创了嵌入
式系统独立发展道路, 即芯片化道路:将计算机做在一
个芯片上, 从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机
时代。
单片机诞生于20世纪70年代末, 经历了SCM
(Single Chip Microcomputer单片机) 、MCU(Micro
Controller Unit微控制器) 、SOC(System On One-Chip)三
大阶段。单片机时代的主角是Intel 。SCM 的设计目标
是寻求最佳单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。
MCU 不断扩展满足嵌入式应用对象系统要求的各种
外围电路与接口电路, 突显对象的智能化控制能力。
随着EDI 的推广和VLSI 设计的普及化, 以及半导
体工艺的迅速发展, 可以在一块硅片上实现一个更为
复杂的系统, 这就产生了SOC 技术。SOC 技术方兴未
艾。
(3)嵌入式系统的几个发展阶段
嵌入式系统的出现至今已经有30多年的历史, 近
几年来, 计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明
显, 嵌入式技术已成为一个研究热点。纵观嵌入式技
术的发展过程, 大致经历四个阶段。
第一阶段:以单芯片为核心的可编程控制器形式
的系统, 具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。
它应用于一些专业性强的工控系统中, 一般没有操作
系统的支持, 通过汇编语言编程对系统进行直接控制。
主要特点:系统结构和功能单一, 处理效率较低, 存储
容量较小, 几乎没有用户接口。以前在国内工业领域
应用较为普遍。
第二阶段:以嵌入式CPU 为基础、以简单操作系
统为核心的嵌入式系统。其主要特点是:CPU种类繁
多, 通用性比较弱; 系统开销小, 效率高; 操作系统达到
一定的兼容性和扩展性; 应用软件较专业化, 用户界面
不够友好。
第三阶段:以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系
统。其主要特点是:嵌入式操作系统能运行于各种不
同类型的微处理器上, 兼容性好; 操作系统内核小、效
率高, 并且具有高度的模块化和扩展性; 具备文件和目
录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等
功能; 具有大量的应用程序接口API, 开发应用程序较
简单; 嵌入式应用软件丰富。
第四阶段:以Internet 为标志的嵌入式系统。这是
一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还
孤立于Inter-net 之外, 但随着Internet 的发展以及
Internet 技术与信息家电、工业控制技术结合日益密
切, 嵌入式设备与Internet 的结合将代表嵌入式系统的
未来。
2 嵌入式处理器
2.1 概述
嵌入式处理器是嵌入式系统的核心。嵌入式处理
器的发展趋势有三:(1)经济性, 追求成本最小化;(2)
微型化, 追求封装微型化、同时降低功耗;(3)智能化,
追求功能自动化。
嵌入式处理器可以分为五类:微控制器(MCU)、微
处理器(MPU)、数字信号处理器(DSP)、混合处理器和
片上系统(SOC)、可编程片上系统(SOPC)。
2.2 嵌入式微控制器
嵌入式微控制器(MCU)又称单片机, 就是将整个
计算机系统集成到一块芯片中。芯片内部集成内部总
线、总线逻辑、定时计数器、Watch Dog、I O、串行口、
PWM 、A D、D A、Flash 、RAM 、EEPROM 等各种必要功能
58 实 验 室 研 究 与 探 索第26卷
品、机电控制类产品、实时语音压解系统、虚拟现实
显示等等。这类智能化算法一般都是运算量较大, 而
这正是DSP 处理器的长处所在。
嵌入式DSP 处理器比较有代表性的产品是TI 的
TMS320系列和AD 的Ad-dsp 系列以及Motorola 的
DSP56000系列。
2.5 嵌入式片上系统SOC
随着EDI 的推广、VLSI 设计的普及化以及半导体
工艺的迅速发展, 在一个硅片上实现一个更为复杂的
系统的时代已来临, 这就是SystemOn Chip(SOC)。
SOC 其实就是“单片机Single-chip Computer”概念
的进化发展。
SOC 可以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、以及象Echelon 和Motorola 联合研制的Neuron 芯
片等等。专用SOC 一般用于某个或某类系统中, 不为
一般用户所知, 其中有代表性的产品是Philips 的
SmartXA, 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c 语言的专用的SOC 。
各种通用处理器内核将作为SOC 设计公司的标
准库, 和许多其它嵌入式系统外设一样, 成为VLSI 设
计中一种标准的器件, 用标准的VHDL 、Verlog 等硬件
语言描述, 存储在器件库中, 用户只需定义出其整个应
用系统, 仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂
制作样品。这样除个别无法集成的器件以外, 整个嵌
入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去, 应
用系统电路板将变得很简洁, 对于减小体积和功耗、提
高可靠性非常有利。
在日本, 由Aspla 和日本半导体技术研究中心发
起的一项旨在为系统级芯片(SOC)设计建立一个标准
平台的项目已经进入商业化阶段, 涉及标准设计方法、
制造工艺和晶圆厂网络的采用。根据计划, 日本芯片
制造商将利用标准平台开发他们自己的、具有不同技
术的SoC 。该方法允许他们共同承担开发成本, 同时
提高生产效率。
2.6 国产处理器(通用&嵌入式)
(1)龙芯:龙芯是中国第一款高性能通用CPU 。
龙芯1号与英特尔的奔腾Ⅱ芯片性能大致相当。中科
院计算所将研发出实际性能与奔腾4水平相当的龙芯
2号通用CPU, 比龙芯1号性能提高10～15倍。
(2)威盛C3:由我国宝岛台湾威盛公司研发、生产
的C3 CPU是全球第一颗以0.13微米制程工艺制造的
CPU, 拥有X86CPU 核心面积, 精简了成本结构, 运行时
耗电量低, 发热量小, 甚至无须搭配散热风扇。目前
VIAC3 CPU主频已达1G 以上, 内建高速的128KB 一
级缓存与64KB 的二级缓存, 同时支持3D NOW和
MMX 多媒体指令集。
(3)青鸟嵌入式芯片:青鸟已开发出8位CISC
核、16位RISC 核, 目前正开发32位RISC 核。8位微
处理器采用二级指令流水线; 对指令执行周期进行了
优化, 提高了指令执行速度。16位微处理器设计了三
级五级混合流水, 采用低功耗策略, 采用双总线结构。
(4)中芯方舟嵌入式芯片:它集成了32位RISC
处理器内核。中芯“方舟-1”采用自行设计的体系结
构, 具有自主知识产权, 是国内第一个0.25微米、32
位的CPU 产品, 在嵌入式RISC CPU领域达到国内领
先、国际先进水平。
(5)汉芯:汉芯2号采用0.18微米工艺, 具有每秒
1.5亿次指令的运算速度; 而汉芯3号每秒可处理指
令则超过6亿次, 可以广泛应用于数据通信、雷达系
统、数码产品、指纹识别系统、图像识别以及网络等诸
多领域。
(6)星光系列数字多媒体芯片:中关村中星微电
子公司研发。“星光”成为第一颗大规模打入国际市场
的中国芯。星光五号是集大成于一身的终极图像芯
片, 它不仅能在各种操作系统上支持新一代PC 多媒
体输入标准, 同时完美地实现了与手机、移动存储和数
码相机等领域的有机结合。
国产处理器的研发方兴未艾, 任重而道远, 特别是
完全具有知识产权的IP 内核研发迫在眉睫。
3 嵌入式操作系统
3.1 嵌入式软件的定义及发展历程
嵌入式软件, 从广义上讲是计算机软件的一种, 它
也是由程序及其文档组成, 也可分成系统软件、支撑软
件、应用软件三类。但嵌入式软件是与嵌入式系统密
不可分的。嵌入式软件是一种特定于具体嵌入式系统
的专用程序。
伴随嵌入式系统的发展, 嵌入式软件也大致历经
了3个阶段:①无操作系统的直接程序控制时期。这
时软件几乎是用汇编语言或宏语言来写。②简单操作
系统时期。这时的操作系统通常是专用而简单的, 当
时许多是用汇编语言写的, 仅能用于特定的微处理器。
当新的处理器出现, 它们必须为之重新写一遍。稳定
性和可移植性差。③嵌入式操作系统时期。嵌入式操
作系统能运行于各种不同类型的微处理器上, 兼容性
好。此后, 嵌入式商业操作系统开始得到蓬勃发展。
④基于Internet 的嵌入式软件时期。近年来, 互联网得
到了飞速发展, 这大大扩展了嵌入式系统的应用服务
领域。相应地, 嵌入式软件涉及的面也愈发扩大。它
不仅包括嵌入式操作系统等系统软件, 还包括一系列
支撑软件, 如数据库、调试软件、网络通信协议、用户界
面系统等, 当然也包括各种应用软件。
60 实 验 室 研 究 与 探 索第26卷
外设。为适应不同的应用需求, 一般一个系列的单
片机具有多种衍生产品. 微控制器的最大特点是单片
化, 体积大大减小, 从而使功耗和成本下降、可靠性提
高。微控制器的片上的外设资源一般比较丰富, 适合
于控制, 因此称微控制器。微控制器是目前嵌入式控
制系统的主流。
嵌入式微控制器目前的品种和数量最多, 比较有
代表性的通用系列包括8051、P51XA 、MCS-251、MCS-
96 196 296、C166 167、MC68HC05 ll 12 16、68300等。目
前MCU 占嵌入式系统约70%的市场份额。但是, 由于
单片机的代码、数据空间有限,MIPS 值低, 因此目前单
片机系列也在向高速多接口的方向发展, 如TI 的
MSP430系列、UPSD51CORE 系列、CYGNAL 的C8051F
系列,MOTOROLA MC68HC908系列都可以达到数十
MIPS, 还有支持USB 接口的MCU8XC-930 931、C540、
C541系列, 支持单口或多口CAN-Bus 的FUJITSU
FLASHMCUMB90系列、Philip 的P8XC59X 系列等等。
2.3 嵌入式微处理器
嵌入式微处理器(EMPU)的基础是通用计算机中
的CPU 。在应用中, 将微处理器装配在专门设计的电
路板上, 只保留和嵌入式应用有关的母板功能, 这样可
以大幅度减小系统体积、功耗和成本。为了满足嵌入
式应用的特殊要求, 嵌入式微处理器虽然在功能上和
标准微处理器基本是一样的, 但和通用控制计算机相
比, 嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠
性高的优点。
目前主要有以下几种结构类型的EMPU:
(1)X86结构:在16和32位嵌入式处理器领域,
X86结构有较大影响, 这一结构CPU 性能价格比较好,
软件资源丰富, 软件兼容性好, 有大量工控104板可使
用, 方便一次开发, 开发平台简单。X86结构的嵌入式
处理器系列厂商主要有Intel 、AMD 、NS 。
(2)RISC结构:主要厂商是Motorola 公司,Motorola
公司是世界著名的处理器制造商, 其CPU 抗干扰能力
强、可靠性好、稳定性高, 适合工业控制和军方应用。
Motorola 公司推出了低成本、高性能的68K 的32位替
代产品Coldfire 系列, 在工业和电力系统无线监控、工
业控制、数据采集以及图像处理等方面开始大量应用。
(3)MIPS结构:在众多类型的RISCCPU 体系中,
MIPS(MicroprocessorwithoutInterlocked Pipeline Stages)是
相当成功的一种。自从1983年John Hennessy在斯坦
福大学成功地完成了第一个采用RISC 理念的MIPS 微
处理器以来, 基于MIPS 构架的CPU 在网络、通信、多
媒体娱乐等领域得到了广泛应用。但很少在工业控制
领域应用。
(4)ARM结构:ARM结构出现较晚, 但是发展十
分迅速,ARM 公司作为32位处理器内核的提供者, 拥
有100多家半导体合作伙伴,ARM core是目前消费类
电子市场中市场占有量第一的CPU 体系。ARM 是一
个CPU 内核,ARM 公司采用技术授权模式, 通过出售
芯片技术授权, 收取授权费与技术转让费, 当前世界上
有影响的半导体公司都在生产ARM 内核的嵌入式处
理器, 其中主流ARM 内核包括ARM7TDMI 、ARM9 9E、
ARM10和StrongARM Xscale。其中,ARM7TDMI 处理器
在消费类电子、无线通信方面应用较广;ARM9 9E、
ARM10处理器在通信、存储、汽车、工控等方面得到了
较多应用;StrongARM Xscale处理器主要面向高端应
用, 如高性能PDA 等。由于产品种类众多, 性价比高,
开发工具和软件丰富,ARM 系列处理器成为当前主流
应用的嵌入式处理器。
ARM 体系的发展来源于RISC 技术。RISC 和CISC
的区别在于不同的CPU 设计理念和方法。早期的
CPU 全部是CISC 架构, 它的设计目的是要用最少的机
器语言指令来完成所需的计算任务。RISC 架构要求
软件来指定各个操作步骤。CISC 指令多, 功能强,CPU
设计复杂、CPU 效率低。RISC 指令少,CPU 效率高, 指
令执行简单快速。
由于CISC 指令集庞大, 指令长度不固定, 指令执
行周期有长有短, 使指令译码和流水线的实现在硬件
上非常复杂, 给芯片的设计开发和成本的降低带来了
极大困难。针对CISC 体系的弱点, 美国加州大学伯克
利分校设计和实现了“伯克利RISC1”处理器, 之后又
发展了SHARC 系列RISC 处理器, 。与此同时, 斯坦福
大学开发并产业化了MIPS 系列RISC 处理器。被这两
种RISC 处理器所取得的巨大成功所鼓舞, 英国的
Acorn 计算机公司在1983到1985年之间也开发出了
第一代ARM RISC处理器, 当时ARM 还只是Acorn
RISC Machine的缩写。之后于1990年, 公司又把名字
改为简单的ARM limited,并且是Advance RISC Machine
(先进RISC 机器) 的缩写。经过这么多年的发展,ARM
已经形成了一个大家族。在嵌入式领域日显其影响。
2.4 嵌入式DSP 处理器
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。在检测、控制、数字滤波、FFT 、谱分析等方面
DSP 算法正在大量进入嵌入式领域,DSP 应用正从在
通用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
上外设成为嵌入式DSP 处理器, 如TI 的TMS320C2000
C5000等等; 二是在通用单片机或SOC 中增加DSP 协
处理器, 如Intel 的MCS-296和Siemens 的TriCore 等等。
推动嵌入式DSP 处理器发展的另一个因素是嵌
入式系统的智能化, 例如各种带有智能逻辑的消费类
59 第4期欧青立, 等:嵌入式系统的架构与发展
摘 要:嵌入式系统是嵌埋在应用系统或设备之中, 不为用户所见的专用计算机系统。系统地讨论了嵌
入式系统的概念和架构, 并着重阐述了嵌入式系统的两个基本构件:处理器和操作系统的发展与应用特
点。
关键词:嵌入式系统; 嵌入式处理器; 嵌入式操作系统; 计算机
中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号:1006-7167(2007)04-0057-06
Architectures and Development of Embedded System
OU Qing-li, ZENG Zhao-fu, XU Guang-yuan, SHENHong-yuan
(College of Info rmation and Electric Eng.,Hunan Univ.of Science and Technology,Xiangtan 411201,China)
Abstract:Embedded system is a special computer system which is embedded in an application system or equipment.The
concept and architecture of the embedded system was discussed.The development and characteristic of the two basic
component-processor and operation systemwere elaborated.
Key words:embedded system;embedded processor;embedded operation system;computer
CLC number:TP273 Document code:A ID:1006-7167(2007)04-0057-06
收稿日期:2006-08-18
基金项目:湖南省自然科学基金项目(04JJ40041)及湖南省教育厅 科研项目(04C198)
作者简介:欧青立(1962-),男, 教授, 硕导。主要研究领域:计算机 控制、嵌入式系统及应用。E-mail:qinghncn@163.com
1 嵌入式系统架构
1.1 嵌入式系统的概念
嵌入式系统, 又称嵌入式计算机系统, 它无处不
在, 汽车、飞机、武器装备、信息家电、医疗器械等装置 中无不包含有嵌入式计算机系统。但要给嵌入式系统
下一个严格的定义, 时机尚不成熟, 嵌入式系统发展方
兴未艾。嵌入式系统一般定义为:以应用为中心, 以计
算机技术为基础, 软件硬件可裁剪, 适合应用系统对功
能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系 统。简言之, 可用“一言”定义:嵌埋在应用系统或设备 之中, 不为用户所见的专用计算机系统。
上述定义包含了嵌入式系统概念的三要素:嵌入
性、专用性、计算机系统。嵌入性是指嵌入到对象系
统, 满足对象系统的环境要求, 包括物理、电气、成本三 个方面特殊要求, 嵌入性强调的是非独立性; 专用性指
的是软件、硬件的裁剪性, 系统软硬件满足对象要求的 最小软、硬件配置, 以达到整个系统的最优化; 显然, 嵌
入式系统就是一个计算机系统, 而且是专用的, 其对外
部的控制和处理能力大大强于通用计算机系统, 因此
满足对象系统控制要求的接口电路很重要。
嵌入式系统从硬件范畴按表现形式分类, 通常分
为三个层次:芯片级嵌入(含程序或算法的处理器) 、模
块级嵌入(系统中的某个核心模块) 、系统级嵌入。从
软件范畴按实时性要求分类, 通常分为三种系统:非实
时系统(PDA)、软实时系统(消费类产品) 、硬实时系统
(导引头等工业和军工系统) 。
1.2 嵌入式系统的基本架构
与普通计算机系统一样, 嵌入式系统也由硬件和
软件两大部分构成, 但嵌入式系统对其软硬件会有一
些特殊要求。硬件是整个系统的物理基础, 它提供软
件运行平台和通信接口。软件控制系统的运行。
嵌入式硬件系统的核心是嵌入式处理器, 所以有
时直接将嵌入式硬件系统称作嵌入式处理器系统, 它
包括嵌入式处理器、各种类型存储器、模拟电路及电
源、接口控制器及接插件。嵌入式系统的硬件配置千
差万别, 并非统一标准, 实际设计中, 嵌入式设备的硬
嵌入式软件中有一个很时髦的词:中间件 Article
(middleware)。中间件是基础软件的一大类, 属于可复 用软件的范畴。顾名思义, 中间件处于操作系统软件 与用户的应用软件的中间。中间件在操作系统、网络 和数据库之上, 应用软件的下层, 总的作用是为处于自 己上层的应用软件提供运行与开发的环境, 帮助用户 灵活、高效地开发和集成复杂的应用软件。
“Middleware 是卖给开发者的半成品软件”。
3.2 嵌入式操作系统的基本组成
嵌入式操作系统种类繁多, 有资源开销很少的IC 卡操作系统, 也有功能较强的网络计算机操作系统。 这些嵌入式操作系统从功能到性能各具特色, 为种硬 件环境及应用提供了相应的支持和服务。
目前市场上共有几十种操作系统, 有深嵌入式系 统, 也有浅嵌入式系统; 有多任务系统, 也有单任务系 统; 有实时系统, 也有分时系统。总之, 不同厂商推出 的操作系统或多或少都有差异, 但许多嵌入式操作系 统一般具有如下一些内容和功能:系统核心、窗口图形 系统、文件系统、设备驱动程序和网络协议等。 当前许多嵌入式操作系统都有一个多任务核心, 以满足多种嵌入式系统的需要。对于系统核心的功 能, 各种嵌入式系统差别较大, 但即使是微内核系统, 系统核心也负责完成如下一些基本任务:进程间通信、 线程调度、中断和内存管理等。
在一些嵌入式系统中, 随着嵌入式操作系统的广
泛应用, 嵌入式系统性能的提高, 窗口系统越来越成为 许多嵌入式操作系统的重要内容。
许多嵌入式操作系统都有文件系统, 一般支持
ROM 、RAM 、FLASH 和外接卡文件系统, 提供文件的创 建、打开、读写和检索等功能。
设备驱动是大多嵌入式系统的重要内容, 驱动内
容包括RS232接口、网络设备、LCD 、笔、鼠标、触摸屏 等。
嵌入式设备正逐渐成为主要的互联网接入设备, 与之对应, 嵌入式操作系统也必须支持相关的网络协 议, 目前许多嵌入式操作系统都支持TCP IP。
3.3 嵌入式操作系统发展
20世纪80年代, 商业化的嵌入式操作系统开始 得到蓬勃发展。目前国内外已有几十种商业操作系统 可供选择, 如VxWorks 、pSOS 、PalmOS 、Neculeus 、 WindowsCE 和女娲Hopen 等。
在中国, 嵌入式操作系统可分为两大类型:一类是 自主版权的操作系统, 另一类是基于Linux 的操作系 统。
自主版权的操作系统方面, 国内有女娲Hopen 操
作系统、桑夏2000操作系统和DeltaOS 操作系统等。 女娲Hopen 是凯思集团推出的产品, 目前已进入产业 化阶段, 女娲Hopen 目前已能支持所有主流的嵌入式
芯片, 凯思与联想、TCL 、Motorola 、Winbond 、上海贝尔等 国内外知名厂商合作开发出了多种产品:联想天玑
810、天玑e 卡通、天玑911、TCL 集团家庭信息显示器 HiD 、天亿股票机顶盒、VOD 视频点播机顶盒等。 桑夏2000操作系统是深圳桑夏公司推出的产品, 是一个面向嵌入式应用的实时操作系统, 具备文件系 统和嵌入式数据库引擎, 提供了基本的图形用户接口, 支持层次化、模块化的软件模型, 可运行在龙珠等三种 系列的CPU 上, 支持包括TCP IP协议在内的网络通信 协议。
DeltaOS 是北京科银京成公司开发的嵌入式实时 操作系统, 它主要包括:内核DeltaCORE 、嵌入式TCP IPDeltaNET 、嵌入式文件系统DeltaFILE 以及嵌入式图 形接口DeltaGUI 。DeltaOS 支持ARM7、StrongARM 、 PPC8XX 、PPC4XX 、X86、MIPS 等多种嵌入式微处理器, 可应用于消费电子产品、通信产品、工业控制及军用电 子产品中。
在中国, 以Linux 为基础的嵌入式操作系统比较
活跃, 其中中软Linux 、红旗Linux 、东方Linux 是业界的 代表。中软Linux3.0:中软总公司以数控平台为背景, 推出了中软Linux3.0。中软嵌入式Linux 是实时系统, 这套基于Linux 的嵌入式系统不仅满足了数控机床的 需求, 同时可以应用于其它工业控制领域。红旗Linux 把工控和信息家电作为主要的发展领域。红旗Linux 为用户提供了Windows 风格的控件集、图形中文环境 和嵌入式数据库的开发工具。东方Linux 是凯思集团 推出的产品。凯思通过与中芯合作, 已经推出了网络 计算机(NC)。采用东方Linux 的NC 系列产品除具有 传统终端的功能之外, 还具有本地计算能力, 用户可以 通过NC 使用安装在服务器上的应用程序, 并可以使 用多种本地软件。该产品工作方式基于集中与开放网 络服务的运算模式, 兼容多种网络协议标准, 用户可以 在任意地点通过网络连接设备, 实时访问服务器端的 应用程序。
嵌入式操作系统会与嵌入应用软件协同发展。嵌 入式系统中的重要角色包括嵌入式应用软件, 嵌入式 系统应用领域千差万别, 只有充分重视应用软件的发 展, 才能满足丰富多彩的应用要求。嵌入式操作系统 是在多种硬件平台上发展起来的, 随着嵌入式系统的 广泛应用, 信息交换、资源共享机会增多, 由此相关的 标准问题也将日渐突出, 如何建立相关标准成为业界
关注的问题。
(下转第71页)
61 第4期欧青立, 等:嵌入式系统的架构与发展
感强度信号B ′(t),两条曲线是一致的。
(a)期望得到的B(t)信号
(b)逆向求出的H(t)信号
(c)B(t)与B ′(t)信号的结果比较
图6 正弦波信号仿真结果
图7所示的是期望得到的按三角波规律输出磁感
强度信号B(t)的仿真算例。同样方法, 对期望按三角
波规律变化的磁感强度信号B(t),进行了H-B 逆向
神经网络模型仿真计算。
5 结论与应用前景
在动态电磁场中, 当B-H 磁滞关系确定后, 可根
据磁感强度B(t)逆向求出磁场强度H(t)。采用神经
网络建模方法, 建立H-B 的逆向模型, 以期望的磁感
强度信号B ′(t)为输入, 便能得到对应的磁场强度信
号H(t)。仿真结果说明了方法的可行性。
动态电磁力在科学实验和工业等方面有着不可替
代的作用。动态电磁力的特性除与电磁系统硬件结构
有关外, 关键取决于动态电磁场的磁感强度B(t)。本
文所述采用建立H-B 逆向神经网络模型, 来逆向求出
(a)逆向求出的H(t)信号
(b)期望得到的B(t)信号
(c)B(t)与B ′(t)信号的结果比较
图7 三角波信号仿真结果
磁场强度H(t)信号用以控制动态电磁场磁感强度
B(t),为控制和利用动态电磁力提供了一种方法。
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(上接第61页)
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71 第4期王志选, 等:控制动态电磁感应强度的神经网络逆向建模方法
嵌入式系统的架构与发展
欧青立, 曾照福, 徐光远, 沈洪远
(湖南科技大学信息与电气工程学院, 湖南湘潭411201) 配置非常灵活, 除CPU 外, 其余部分都可根据需要
进行剪裁。嵌入式系统的软件结构可以分为四个层
次:设备驱动、操作系统、应用中间件和应用系统。软
件系统的构建也是要根据实际需求配置和剪裁, 以达
到嵌入式系统最优化。
1.3 嵌入式系统之特点
嵌入式系统与通用计算机系统相比有五个明显的
特征:专用性、可封装性、多样性、实时性、可靠性。专
用性是指嵌入式计算机系统用于特定设备完成特定任
务, 它强调其非通用性。可封装性指嵌入式计算机系
统隐藏于目标系统内部而不被操作者察觉。实质上是
面向对象封装以达到信息隐蔽思想的体现。多样性体
现为嵌入式系统应用广泛, 且软硬件配置约束明显, 使
得嵌入式系统品种繁多, 形式多样。实时性指与实际
事件的发生频率相比, 嵌入式系统能够在可预知的极
短时间内对事件或用户的干预做出响应, 满足技术过
程的时限要求。可靠性是指嵌入式计算机隐藏在系统
或设备中, 用户很难直接接触控制, 且使用环境不定,
往往条件恶劣, 因此其健壮性和可靠性是嵌入式系统
的必备条件。
1.4 嵌入式系统的发展简史
(1)现代计算机技术的两大分支
计算机发展到今天, 由于应用环境的不同要求, 现
代计算机技术形成了两大不同的技术分支, 即通用计
算机系统与嵌入式系统。这两个分支沿着不同技术路
线快速发展。通用计算机系统的技术要求是高速、海
量的数值计算, 其技术发展方向是追求速度的无限提
升、存储容量的无限扩大。而嵌入式系统的技术要求
是对环境对象的智能化控制能力, 其技术发展方向是
追求与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控
制的可靠性。
(2)嵌入式系统的独立发展道路
嵌入式系统起源于上世纪70年代的微型计算机
时代, 但微型计算机的体积、价位、可靠性都无法满足
广大对象系统的嵌入式应用要求。单片机开创了嵌入
式系统独立发展道路, 即芯片化道路:将计算机做在一
个芯片上, 从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机
时代。
单片机诞生于20世纪70年代末, 经历了SCM
(Single Chip Microcomputer单片机) 、MCU(Micro
Controller Unit微控制器) 、SOC(System On One-Chip)三
大阶段。单片机时代的主角是Intel 。SCM 的设计目标
是寻求最佳单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。
MCU 不断扩展满足嵌入式应用对象系统要求的各种
外围电路与接口电路, 突显对象的智能化控制能力。
随着EDI 的推广和VLSI 设计的普及化, 以及半导
体工艺的迅速发展, 可以在一块硅片上实现一个更为
复杂的系统, 这就产生了SOC 技术。SOC 技术方兴未
艾。
(3)嵌入式系统的几个发展阶段
嵌入式系统的出现至今已经有30多年的历史, 近
几年来, 计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明
显, 嵌入式技术已成为一个研究热点。纵观嵌入式技
术的发展过程, 大致经历四个阶段。
第一阶段:以单芯片为核心的可编程控制器形式
的系统, 具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。
它应用于一些专业性强的工控系统中, 一般没有操作
系统的支持, 通过汇编语言编程对系统进行直接控制。
主要特点:系统结构和功能单一, 处理效率较低, 存储
容量较小, 几乎没有用户接口。以前在国内工业领域
应用较为普遍。
第二阶段:以嵌入式CPU 为基础、以简单操作系
统为核心的嵌入式系统。其主要特点是:CPU种类繁
多, 通用性比较弱; 系统开销小, 效率高; 操作系统达到
一定的兼容性和扩展性; 应用软件较专业化, 用户界面
不够友好。
第三阶段:以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系
统。其主要特点是:嵌入式操作系统能运行于各种不
同类型的微处理器上, 兼容性好; 操作系统内核小、效
率高, 并且具有高度的模块化和扩展性; 具备文件和目
录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等
功能; 具有大量的应用程序接口API, 开发应用程序较
简单; 嵌入式应用软件丰富。
第四阶段:以Internet 为标志的嵌入式系统。这是
一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还
孤立于Inter-net 之外, 但随着Internet 的发展以及
Internet 技术与信息家电、工业控制技术结合日益密
切, 嵌入式设备与Internet 的结合将代表嵌入式系统的
未来。
2 嵌入式处理器
2.1 概述
嵌入式处理器是嵌入式系统的核心。嵌入式处理
器的发展趋势有三:(1)经济性, 追求成本最小化;(2)
微型化, 追求封装微型化、同时降低功耗;(3)智能化,
追求功能自动化。
嵌入式处理器可以分为五类:微控制器(MCU)、微
处理器(MPU)、数字信号处理器(DSP)、混合处理器和
片上系统(SOC)、可编程片上系统(SOPC)。
2.2 嵌入式微控制器
嵌入式微控制器(MCU)又称单片机, 就是将整个
计算机系统集成到一块芯片中。芯片内部集成内部总
线、总线逻辑、定时计数器、Watch Dog、I O、串行口、
PWM 、A D、D A、Flash 、RAM 、EEPROM 等各种必要功能
58 实 验 室 研 究 与 探 索第26卷
品、机电控制类产品、实时语音压解系统、虚拟现实
显示等等。这类智能化算法一般都是运算量较大, 而
这正是DSP 处理器的长处所在。
嵌入式DSP 处理器比较有代表性的产品是TI 的
TMS320系列和AD 的Ad-dsp 系列以及Motorola 的
DSP56000系列。
2.5 嵌入式片上系统SOC
随着EDI 的推广、VLSI 设计的普及化以及半导体
工艺的迅速发展, 在一个硅片上实现一个更为复杂的
系统的时代已来临, 这就是SystemOn Chip(SOC)。
SOC 其实就是“单片机Single-chip Computer”概念
的进化发展。
SOC 可以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、以及象Echelon 和Motorola 联合研制的Neuron 芯
片等等。专用SOC 一般用于某个或某类系统中, 不为
一般用户所知, 其中有代表性的产品是Philips 的
SmartXA, 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c 语言的专用的SOC 。
各种通用处理器内核将作为SOC 设计公司的标
准库, 和许多其它嵌入式系统外设一样, 成为VLSI 设
计中一种标准的器件, 用标准的VHDL 、Verlog 等硬件
语言描述, 存储在器件库中, 用户只需定义出其整个应
用系统, 仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂
制作样品。这样除个别无法集成的器件以外, 整个嵌
入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去, 应
用系统电路板将变得很简洁, 对于减小体积和功耗、提
高可靠性非常有利。
在日本, 由Aspla 和日本半导体技术研究中心发
起的一项旨在为系统级芯片(SOC)设计建立一个标准
平台的项目已经进入商业化阶段, 涉及标准设计方法、
制造工艺和晶圆厂网络的采用。根据计划, 日本芯片
制造商将利用标准平台开发他们自己的、具有不同技
术的SoC 。该方法允许他们共同承担开发成本, 同时
提高生产效率。
2.6 国产处理器(通用&嵌入式)
(1)龙芯:龙芯是中国第一款高性能通用CPU 。
龙芯1号与英特尔的奔腾Ⅱ芯片性能大致相当。中科
院计算所将研发出实际性能与奔腾4水平相当的龙芯
2号通用CPU, 比龙芯1号性能提高10～15倍。
(2)威盛C3:由我国宝岛台湾威盛公司研发、生产
的C3 CPU是全球第一颗以0.13微米制程工艺制造的
CPU, 拥有X86CPU 核心面积, 精简了成本结构, 运行时
耗电量低, 发热量小, 甚至无须搭配散热风扇。目前
VIAC3 CPU主频已达1G 以上, 内建高速的128KB 一
级缓存与64KB 的二级缓存, 同时支持3D NOW和
MMX 多媒体指令集。
(3)青鸟嵌入式芯片:青鸟已开发出8位CISC
核、16位RISC 核, 目前正开发32位RISC 核。8位微
处理器采用二级指令流水线; 对指令执行周期进行了
优化, 提高了指令执行速度。16位微处理器设计了三
级五级混合流水, 采用低功耗策略, 采用双总线结构。
(4)中芯方舟嵌入式芯片:它集成了32位RISC
处理器内核。中芯“方舟-1”采用自行设计的体系结
构, 具有自主知识产权, 是国内第一个0.25微米、32
位的CPU 产品, 在嵌入式RISC CPU领域达到国内领
先、国际先进水平。
(5)汉芯:汉芯2号采用0.18微米工艺, 具有每秒
1.5亿次指令的运算速度; 而汉芯3号每秒可处理指
令则超过6亿次, 可以广泛应用于数据通信、雷达系
统、数码产品、指纹识别系统、图像识别以及网络等诸
多领域。
(6)星光系列数字多媒体芯片:中关村中星微电
子公司研发。“星光”成为第一颗大规模打入国际市场
的中国芯。星光五号是集大成于一身的终极图像芯
片, 它不仅能在各种操作系统上支持新一代PC 多媒
体输入标准, 同时完美地实现了与手机、移动存储和数
码相机等领域的有机结合。
国产处理器的研发方兴未艾, 任重而道远, 特别是
完全具有知识产权的IP 内核研发迫在眉睫。
3 嵌入式操作系统
3.1 嵌入式软件的定义及发展历程
嵌入式软件, 从广义上讲是计算机软件的一种, 它
也是由程序及其文档组成, 也可分成系统软件、支撑软
件、应用软件三类。但嵌入式软件是与嵌入式系统密
不可分的。嵌入式软件是一种特定于具体嵌入式系统
的专用程序。
伴随嵌入式系统的发展, 嵌入式软件也大致历经
了3个阶段:①无操作系统的直接程序控制时期。这
时软件几乎是用汇编语言或宏语言来写。②简单操作
系统时期。这时的操作系统通常是专用而简单的, 当
时许多是用汇编语言写的, 仅能用于特定的微处理器。
当新的处理器出现, 它们必须为之重新写一遍。稳定
性和可移植性差。③嵌入式操作系统时期。嵌入式操
作系统能运行于各种不同类型的微处理器上, 兼容性
好。此后, 嵌入式商业操作系统开始得到蓬勃发展。
④基于Internet 的嵌入式软件时期。近年来, 互联网得
到了飞速发展, 这大大扩展了嵌入式系统的应用服务
领域。相应地, 嵌入式软件涉及的面也愈发扩大。它
不仅包括嵌入式操作系统等系统软件, 还包括一系列
支撑软件, 如数据库、调试软件、网络通信协议、用户界
面系统等, 当然也包括各种应用软件。
60 实 验 室 研 究 与 探 索第26卷
外设。为适应不同的应用需求, 一般一个系列的单
片机具有多种衍生产品. 微控制器的最大特点是单片
化, 体积大大减小, 从而使功耗和成本下降、可靠性提
高。微控制器的片上的外设资源一般比较丰富, 适合
于控制, 因此称微控制器。微控制器是目前嵌入式控
制系统的主流。
嵌入式微控制器目前的品种和数量最多, 比较有
代表性的通用系列包括8051、P51XA 、MCS-251、MCS-
96 196 296、C166 167、MC68HC05 ll 12 16、68300等。目
前MCU 占嵌入式系统约70%的市场份额。但是, 由于
单片机的代码、数据空间有限,MIPS 值低, 因此目前单
片机系列也在向高速多接口的方向发展, 如TI 的
MSP430系列、UPSD51CORE 系列、CYGNAL 的C8051F
系列,MOTOROLA MC68HC908系列都可以达到数十
MIPS, 还有支持USB 接口的MCU8XC-930 931、C540、
C541系列, 支持单口或多口CAN-Bus 的FUJITSU
FLASHMCUMB90系列、Philip 的P8XC59X 系列等等。
2.3 嵌入式微处理器
嵌入式微处理器(EMPU)的基础是通用计算机中
的CPU 。在应用中, 将微处理器装配在专门设计的电
路板上, 只保留和嵌入式应用有关的母板功能, 这样可
以大幅度减小系统体积、功耗和成本。为了满足嵌入
式应用的特殊要求, 嵌入式微处理器虽然在功能上和
标准微处理器基本是一样的, 但和通用控制计算机相
比, 嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠
性高的优点。
目前主要有以下几种结构类型的EMPU:
(1)X86结构:在16和32位嵌入式处理器领域,
X86结构有较大影响, 这一结构CPU 性能价格比较好,
软件资源丰富, 软件兼容性好, 有大量工控104板可使
用, 方便一次开发, 开发平台简单。X86结构的嵌入式
处理器系列厂商主要有Intel 、AMD 、NS 。
(2)RISC结构:主要厂商是Motorola 公司,Motorola
公司是世界著名的处理器制造商, 其CPU 抗干扰能力
强、可靠性好、稳定性高, 适合工业控制和军方应用。
Motorola 公司推出了低成本、高性能的68K 的32位替
代产品Coldfire 系列, 在工业和电力系统无线监控、工
业控制、数据采集以及图像处理等方面开始大量应用。
(3)MIPS结构:在众多类型的RISCCPU 体系中,
MIPS(MicroprocessorwithoutInterlocked Pipeline Stages)是
相当成功的一种。自从1983年John Hennessy在斯坦
福大学成功地完成了第一个采用RISC 理念的MIPS 微
处理器以来, 基于MIPS 构架的CPU 在网络、通信、多
媒体娱乐等领域得到了广泛应用。但很少在工业控制
领域应用。
(4)ARM结构:ARM结构出现较晚, 但是发展十
分迅速,ARM 公司作为32位处理器内核的提供者, 拥
有100多家半导体合作伙伴,ARM core是目前消费类
电子市场中市场占有量第一的CPU 体系。ARM 是一
个CPU 内核,ARM 公司采用技术授权模式, 通过出售
芯片技术授权, 收取授权费与技术转让费, 当前世界上
有影响的半导体公司都在生产ARM 内核的嵌入式处
理器, 其中主流ARM 内核包括ARM7TDMI 、ARM9 9E、
ARM10和StrongARM Xscale。其中,ARM7TDMI 处理器
在消费类电子、无线通信方面应用较广;ARM9 9E、
ARM10处理器在通信、存储、汽车、工控等方面得到了
较多应用;StrongARM Xscale处理器主要面向高端应
用, 如高性能PDA 等。由于产品种类众多, 性价比高,
开发工具和软件丰富,ARM 系列处理器成为当前主流
应用的嵌入式处理器。
ARM 体系的发展来源于RISC 技术。RISC 和CISC
的区别在于不同的CPU 设计理念和方法。早期的
CPU 全部是CISC 架构, 它的设计目的是要用最少的机
器语言指令来完成所需的计算任务。RISC 架构要求
软件来指定各个操作步骤。CISC 指令多, 功能强,CPU
设计复杂、CPU 效率低。RISC 指令少,CPU 效率高, 指
令执行简单快速。
由于CISC 指令集庞大, 指令长度不固定, 指令执
行周期有长有短, 使指令译码和流水线的实现在硬件
上非常复杂, 给芯片的设计开发和成本的降低带来了
极大困难。针对CISC 体系的弱点, 美国加州大学伯克
利分校设计和实现了“伯克利RISC1”处理器, 之后又
发展了SHARC 系列RISC 处理器, 。与此同时, 斯坦福
大学开发并产业化了MIPS 系列RISC 处理器。被这两
种RISC 处理器所取得的巨大成功所鼓舞, 英国的
Acorn 计算机公司在1983到1985年之间也开发出了
第一代ARM RISC处理器, 当时ARM 还只是Acorn
RISC Machine的缩写。之后于1990年, 公司又把名字
改为简单的ARM limited,并且是Advance RISC Machine
(先进RISC 机器) 的缩写。经过这么多年的发展,ARM
已经形成了一个大家族。在嵌入式领域日显其影响。
2.4 嵌入式DSP 处理器
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。在检测、控制、数字滤波、FFT 、谱分析等方面
DSP 算法正在大量进入嵌入式领域,DSP 应用正从在
通用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
上外设成为嵌入式DSP 处理器, 如TI 的TMS320C2000
C5000等等; 二是在通用单片机或SOC 中增加DSP 协
处理器, 如Intel 的MCS-296和Siemens 的TriCore 等等。
推动嵌入式DSP 处理器发展的另一个因素是嵌
入式系统的智能化, 例如各种带有智能逻辑的消费类
59 第4期欧青立, 等:嵌入式系统的架构与发展
摘 要:嵌入式系统是嵌埋在应用系统或设备之中, 不为用户所见的专用计算机系统。系统地讨论了嵌
入式系统的概念和架构, 并着重阐述了嵌入式系统的两个基本构件:处理器和操作系统的发展与应用特
点。
关键词:嵌入式系统; 嵌入式处理器; 嵌入式操作系统; 计算机
中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号:1006-7167(2007)04-0057-06
Architectures and Development of Embedded System
OU Qing-li, ZENG Zhao-fu, XU Guang-yuan, SHENHong-yuan
(College of Info rmation and Electric Eng.,Hunan Univ.of Science and Technology,Xiangtan 411201,China)
Abstract:Embedded system is a special computer system which is embedded in an application system or equipment.The
concept and architecture of the embedded system was discussed.The development and characteristic of the two basic
component-processor and operation systemwere elaborated.
Key words:embedded system;embedded processor;embedded operation system;computer
CLC number:TP273 Document code:A ID:1006-7167(2007)04-0057-06
收稿日期:2006-08-18
基金项目:湖南省自然科学基金项目(04JJ40041)及湖南省教育厅 科研项目(04C198)
作者简介:欧青立(1962-),男, 教授, 硕导。主要研究领域:计算机 控制、嵌入式系统及应用。E-mail:qinghncn@163.com
1 嵌入式系统架构
1.1 嵌入式系统的概念
嵌入式系统, 又称嵌入式计算机系统, 它无处不
在, 汽车、飞机、武器装备、信息家电、医疗器械等装置 中无不包含有嵌入式计算机系统。但要给嵌入式系统
下一个严格的定义, 时机尚不成熟, 嵌入式系统发展方
兴未艾。嵌入式系统一般定义为:以应用为中心, 以计
算机技术为基础, 软件硬件可裁剪, 适合应用系统对功
能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系 统。简言之, 可用“一言”定义:嵌埋在应用系统或设备 之中, 不为用户所见的专用计算机系统。
上述定义包含了嵌入式系统概念的三要素:嵌入
性、专用性、计算机系统。嵌入性是指嵌入到对象系
统, 满足对象系统的环境要求, 包括物理、电气、成本三 个方面特殊要求, 嵌入性强调的是非独立性; 专用性指
的是软件、硬件的裁剪性, 系统软硬件满足对象要求的 最小软、硬件配置, 以达到整个系统的最优化; 显然, 嵌
入式系统就是一个计算机系统, 而且是专用的, 其对外
部的控制和处理能力大大强于通用计算机系统, 因此
满足对象系统控制要求的接口电路很重要。
嵌入式系统从硬件范畴按表现形式分类, 通常分
为三个层次:芯片级嵌入(含程序或算法的处理器) 、模
块级嵌入(系统中的某个核心模块) 、系统级嵌入。从
软件范畴按实时性要求分类, 通常分为三种系统:非实
时系统(PDA)、软实时系统(消费类产品) 、硬实时系统
(导引头等工业和军工系统) 。
1.2 嵌入式系统的基本架构
与普通计算机系统一样, 嵌入式系统也由硬件和
软件两大部分构成, 但嵌入式系统对其软硬件会有一
些特殊要求。硬件是整个系统的物理基础, 它提供软
件运行平台和通信接口。软件控制系统的运行。
嵌入式硬件系统的核心是嵌入式处理器, 所以有
时直接将嵌入式硬件系统称作嵌入式处理器系统, 它
包括嵌入式处理器、各种类型存储器、模拟电路及电
源、接口控制器及接插件。嵌入式系统的硬件配置千
差万别, 并非统一标准, 实际设计中, 嵌入式设备的硬
嵌入式软件中有一个很时髦的词:中间件 Article
(middleware)。中间件是基础软件的一大类, 属于可复 用软件的范畴。顾名思义, 中间件处于操作系统软件 与用户的应用软件的中间。中间件在操作系统、网络 和数据库之上, 应用软件的下层, 总的作用是为处于自 己上层的应用软件提供运行与开发的环境, 帮助用户 灵活、高效地开发和集成复杂的应用软件。
“Middleware 是卖给开发者的半成品软件”。
3.2 嵌入式操作系统的基本组成
嵌入式操作系统种类繁多, 有资源开销很少的IC 卡操作系统, 也有功能较强的网络计算机操作系统。 这些嵌入式操作系统从功能到性能各具特色, 为种硬 件环境及应用提供了相应的支持和服务。
目前市场上共有几十种操作系统, 有深嵌入式系 统, 也有浅嵌入式系统; 有多任务系统, 也有单任务系 统; 有实时系统, 也有分时系统。总之, 不同厂商推出 的操作系统或多或少都有差异, 但许多嵌入式操作系 统一般具有如下一些内容和功能:系统核心、窗口图形 系统、文件系统、设备驱动程序和网络协议等。 当前许多嵌入式操作系统都有一个多任务核心, 以满足多种嵌入式系统的需要。对于系统核心的功 能, 各种嵌入式系统差别较大, 但即使是微内核系统, 系统核心也负责完成如下一些基本任务:进程间通信、 线程调度、中断和内存管理等。
在一些嵌入式系统中, 随着嵌入式操作系统的广
泛应用, 嵌入式系统性能的提高, 窗口系统越来越成为 许多嵌入式操作系统的重要内容。
许多嵌入式操作系统都有文件系统, 一般支持
ROM 、RAM 、FLASH 和外接卡文件系统, 提供文件的创 建、打开、读写和检索等功能。
设备驱动是大多嵌入式系统的重要内容, 驱动内
容包括RS232接口、网络设备、LCD 、笔、鼠标、触摸屏 等。
嵌入式设备正逐渐成为主要的互联网接入设备, 与之对应, 嵌入式操作系统也必须支持相关的网络协 议, 目前许多嵌入式操作系统都支持TCP IP。
3.3 嵌入式操作系统发展
20世纪80年代, 商业化的嵌入式操作系统开始 得到蓬勃发展。目前国内外已有几十种商业操作系统 可供选择, 如VxWorks 、pSOS 、PalmOS 、Neculeus 、 WindowsCE 和女娲Hopen 等。
在中国, 嵌入式操作系统可分为两大类型:一类是 自主版权的操作系统, 另一类是基于Linux 的操作系 统。
自主版权的操作系统方面, 国内有女娲Hopen 操
作系统、桑夏2000操作系统和DeltaOS 操作系统等。 女娲Hopen 是凯思集团推出的产品, 目前已进入产业 化阶段, 女娲Hopen 目前已能支持所有主流的嵌入式
芯片, 凯思与联想、TCL 、Motorola 、Winbond 、上海贝尔等 国内外知名厂商合作开发出了多种产品:联想天玑
810、天玑e 卡通、天玑911、TCL 集团家庭信息显示器 HiD 、天亿股票机顶盒、VOD 视频点播机顶盒等。 桑夏2000操作系统是深圳桑夏公司推出的产品, 是一个面向嵌入式应用的实时操作系统, 具备文件系 统和嵌入式数据库引擎, 提供了基本的图形用户接口, 支持层次化、模块化的软件模型, 可运行在龙珠等三种 系列的CPU 上, 支持包括TCP IP协议在内的网络通信 协议。
DeltaOS 是北京科银京成公司开发的嵌入式实时 操作系统, 它主要包括:内核DeltaCORE 、嵌入式TCP IPDeltaNET 、嵌入式文件系统DeltaFILE 以及嵌入式图 形接口DeltaGUI 。DeltaOS 支持ARM7、StrongARM 、 PPC8XX 、PPC4XX 、X86、MIPS 等多种嵌入式微处理器, 可应用于消费电子产品、通信产品、工业控制及军用电 子产品中。
在中国, 以Linux 为基础的嵌入式操作系统比较
活跃, 其中中软Linux 、红旗Linux 、东方Linux 是业界的 代表。中软Linux3.0:中软总公司以数控平台为背景, 推出了中软Linux3.0。中软嵌入式Linux 是实时系统, 这套基于Linux 的嵌入式系统不仅满足了数控机床的 需求, 同时可以应用于其它工业控制领域。红旗Linux 把工控和信息家电作为主要的发展领域。红旗Linux 为用户提供了Windows 风格的控件集、图形中文环境 和嵌入式数据库的开发工具。东方Linux 是凯思集团 推出的产品。凯思通过与中芯合作, 已经推出了网络 计算机(NC)。采用东方Linux 的NC 系列产品除具有 传统终端的功能之外, 还具有本地计算能力, 用户可以 通过NC 使用安装在服务器上的应用程序, 并可以使 用多种本地软件。该产品工作方式基于集中与开放网 络服务的运算模式, 兼容多种网络协议标准, 用户可以 在任意地点通过网络连接设备, 实时访问服务器端的 应用程序。
嵌入式操作系统会与嵌入应用软件协同发展。嵌 入式系统中的重要角色包括嵌入式应用软件, 嵌入式 系统应用领域千差万别, 只有充分重视应用软件的发 展, 才能满足丰富多彩的应用要求。嵌入式操作系统 是在多种硬件平台上发展起来的, 随着嵌入式系统的 广泛应用, 信息交换、资源共享机会增多, 由此相关的 标准问题也将日渐突出, 如何建立相关标准成为业界
关注的问题。
(下转第71页)
61 第4期欧青立, 等:嵌入式系统的架构与发展
感强度信号B ′(t),两条曲线是一致的。
(a)期望得到的B(t)信号
(b)逆向求出的H(t)信号
(c)B(t)与B ′(t)信号的结果比较
图6 正弦波信号仿真结果
图7所示的是期望得到的按三角波规律输出磁感
强度信号B(t)的仿真算例。同样方法, 对期望按三角
波规律变化的磁感强度信号B(t),进行了H-B 逆向
神经网络模型仿真计算。
5 结论与应用前景
在动态电磁场中, 当B-H 磁滞关系确定后, 可根
据磁感强度B(t)逆向求出磁场强度H(t)。采用神经
网络建模方法, 建立H-B 的逆向模型, 以期望的磁感
强度信号B ′(t)为输入, 便能得到对应的磁场强度信
号H(t)。仿真结果说明了方法的可行性。
动态电磁力在科学实验和工业等方面有着不可替
代的作用。动态电磁力的特性除与电磁系统硬件结构
有关外, 关键取决于动态电磁场的磁感强度B(t)。本
文所述采用建立H-B 逆向神经网络模型, 来逆向求出
(a)逆向求出的H(t)信号
(b)期望得到的B(t)信号
(c)B(t)与B ′(t)信号的结果比较
图7 三角波信号仿真结果
磁场强度H(t)信号用以控制动态电磁场磁感强度
B(t),为控制和利用动态电磁力提供了一种方法。
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