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嵌入式系統的全面解析

2021-01-22
來源:造始于智

嵌入式系統的應用十分廣泛,因此越來越多的人學習嵌入式系統。由此,在學習嵌入式系統之前,我們應當對嵌入式系統具備一些認識。所以在本文余下部分,小編將對嵌入式系統進行全面解析。

一、嵌入式系統不是“專用計算機系統”

“專用計算機系統”這個名詞應該和“通用計算機系統”這個名詞相對應。從字義上看,不管是“專用”或者是“通用”,它們都沒有脫離計算機系統這個范疇,應該說它們都歸屬計算機系統。既然是計算機系統,那它們的發(fā)展起源應該是計算機。它們的體系結構、功能特點,知識體系、技術要求應該有相同之處。但是,事實上嵌入式系統和計算機系統雖有聯系,可在以上提及的幾點上并沒有多少相同之處,又何談它是“專用計算機系統”。

1.1發(fā)展并行獨立

嵌入式系統獨立發(fā)展至今約30年了。它與計算機系統是兩個獨立的發(fā)展系統,從它們的起源看,二者都源于半導體集成電路,誕生于微型計算機時代,二者發(fā)展并行獨立。

嵌入式系統起源于半導體集成電路,該半導體集成電路分為晶體管和集成電路。20世紀70年代,集成電路產生了微處理器,微處理器是智能內核,它有兩個功能,其一是運算處理功能,即高速海量的解算能力,它促使了計算機獨立的飛速發(fā)展至今;其二是控制功能,嵌入式系統屬控制功能,控制功能產生了微控制器,俗稱單片機,它促使了嵌入式系統的獨立發(fā)展至今。

20世紀70年代,微處理器的控制功能引起了控制專業(yè)人士研究興趣,他們將微機嵌入到對象體系內,經過電氣、機械加固,并配置各種外圍接口,從而實現了對對象體系的智能化控制。這樣此微機便失去了原來的形態(tài)和微型計算機功能,嵌入式計算機系統(簡稱嵌入式系統)由此而得名。由于嵌入式系統要求嵌入到對象器件內,體積要特小,功能要可靠,成本還要低,而計算機無法承擔起對對象系統的智能化控制任務,所以嵌入式系統則走上了自己獨立發(fā)展的單芯片化的道路。

微控制器也就是傳統意義上的單片機。它的特點是體積小、結構簡單、便于開發(fā)以及價格經濟。它可以說是目前嵌入式系統的前身。單片機就是把對象所需要的主要功能集成到了一個芯片上,通常一個單片機芯片包含了運算處理單元、ARM、FLASH存儲器以及一些外部接口等。通過外部接口可以輸出或者輸入信號,控制相應的設備,用戶可以把編寫好的代碼燒寫到單片機芯片內部來控制外部設備。單片機常被用在智能儀器、工業(yè)測量、辦公自動化方面。如數字電表、公交IC刷卡系統、打印機等,內部都有單片機存在。

我們由嵌入式系統發(fā)展起源的歷史看,嵌入式系統起源于半導體集成電路,它不是起源于計算機,所以它不是“專用計算機系統”,它是專用的智能化的控制系統。將嵌入式系統定義為“專用計算機系統”,不符合歷史,混淆了二者的本質區(qū)別,因此不可取。

1.2技術發(fā)展方向不同

嵌入式系統顧名思義,是要嵌入到對象體系中,與對象系統有機地結合,實現的是對對象系統的智能化控制。它有著與計算機完全不同的技術要求、技術發(fā)展方向。

嵌入式系統從形式上,要求該系統智能化、超小型;從功能上,要求功能可靠、功耗低、經濟實惠;從應用的范圍上,要面向市場、面向用戶、面向對象、面向產品;從技術上,要求提高對對象的智能化控制能力、與對象密切相關的嵌入性能和控制的可靠性。

計算機系統從形式上,是要看得見、摸得著,不需要嵌入到別的器件內;從功能上,要求多處理功能;從技術上,要求的是高速海量的數值計算、總線速度的無限提升、存儲容量的不斷擴大。

所以我們說:嵌入式系統與計算機系統,技術要求、技術發(fā)展方向根本不同,不應定義為“專用計算機系統”。如果定義為“專用計算機系統”,就等于嵌入式系統的發(fā)展,要沿著計算機技術要求的發(fā)展道路走,這就等于束縛了嵌入式系統健康開放式的獨立發(fā)展之路。

1.3體系結構不同

嵌入式系統一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統、用戶應用程序4個部分組成,用于實現對其他設備的控制、監(jiān)視和管理等功能。

嵌入式系統的經典體系結構有3個層次的軟硬件,有4個通道接口,它的通道接口是為了嵌入到對象體系去,和對象體系產生4個界面。它的核心是嵌入式微處理器,這個處理器不是通用的計算機處理器。也就是說,二者采用的處理器是截然不同的。嵌入式外圍功能擴展之后,形成了微控制器,其對象接口技術擴展,產生4個接口,形成了SoC整個片上結構,4個中斷。其軟件分為:指令系統、驅動軟件、操作系統3部分。

我們從嵌入式系統體系結構看出:

①二者的處理器不同。計算機是通用的處理器,嵌入式系統是面向特定應用的微處理器,它具有低功耗、體積小、集成度高等特點,有利于整個系統設計趨于小型化。

②計算機是標準總線和外設,嵌入式總線和外部接口都集成在處理器內;計算機軟硬件相對獨立,嵌入式系統則是將軟硬件緊密集成在一起,結構更緊湊;計算機系統偏重多功能處理設置,嵌入式系統重在對對象的控制能力設置。

所以說,嵌入式體系結構與計算機的體系結構是不同的。嵌入式系統體系結構是控制性的體系結構,不是計算機系統的處理型體系結構。結構不同,則性質全非,所以,嵌入式系統不能定義為“專用計算機系統”。

1.4功能特點各異

①嵌入式系統具有嵌入性、控制性,軟硬件可根據對象需要來設置。計算機系統則不是這樣。

②嵌入式系統功能專一,即軟硬件專門為某一特定應用系統而設計;計算機系統則是多功能處理。

③嵌入式系統結構緊湊:嵌入式系統中的軟件一般不像計算機存儲于磁盤等載體中,而都固化在存儲器芯片或單片系統的存儲器之中,這樣使其結構特別緊湊,從而達到小體積、高效能、低成本、低功耗。計算機結構要求可大可小,大到臺式,小到筆記本、手提電腦等;計算機的CPU要求嚴格,相比嵌入式系統的微處理器,一般價格昂貴,達不到嵌入式系統那樣低成本、低功耗。嵌入式系統通常使用閃存(FLASHMemory)等作為存儲介質,以提高速度、減小體積、降低功耗。而計算機通常使用磁盤這類具有大容量但速度較慢的存儲介質。

④嵌入式系統智能靈活及實時性:就是要對不同的情況作出不同的反應,同時必須實時地給出計算的結果并進行實時控制,計算機在智能靈活性方面則比不上。

⑤嵌入式系統可靠性高,因為軟件是固化的。例如,它無*侵害。計算機則不然,常常受*的攻擊。所以嵌入式系統常常應用在人身設備安全、國家機密等重大事務上。

⑥計算機行業(yè)一般受技術壟斷,例如計算機操作系統方面微軟占居壟斷地位。但嵌入式系統領域,不會出現這種情況。因為它是一個分散的,充滿競爭、機遇與創(chuàng)新的領域,沒有誰的操作系統和處理器能夠壟斷市場。

總而言之,嵌入式系統與計算機系統功能特點各異,二者不能混為一談。

二、嵌入式系統不只以“計算機技術為基礎”

嵌入式系統知識體系具有廣泛性。它與微電子學科技術、計算機學科技術、電子學科技術與對象學科技術都密切相關。計算機技術在嵌入式系統中,承擔著應用平臺的構建任務,它包括嵌入式系統的集成開發(fā)環(huán)境、計算機工作方法、編程語言、程序設計方法等內容,它是構建嵌入式系統平臺的重要基礎之一,但并不是唯一。嵌入式系統還需要其他的技術支持。

微電子技術為嵌入式系統的應用提供了集成電路基礎。電子技術提供電路設計技術。它將微電子領域的集成電路設計,迅速從電路集成、功能集成、技術集成發(fā)展到知識集成,為計算機技術提供嵌入式系統的硬件設計技術支持;對象學科技術是嵌入式系統的最終用戶的技術學科。對象學科幾乎囊括了所有的科技領域,形成了嵌入式系統一個無限大的應用領域。對象學科要在嵌入式系統平臺上構建本領域的一個嵌入式應用系統。嵌入式應用系統的技術基礎是對象學科的基礎理論與應用環(huán)境、應用要求。同時,在應用中要不斷給微電子、集成電路設計、嵌入式系統提出技術要求,以便不斷提升嵌入式系統平臺的技術水平。在對象學科中,廣大的應用工程師在嵌入式軟硬件平臺上實現最廣泛的應用。

嵌入式系統是先進的計算機技術、半導體技術、微電子技術、電子技術以及各種具體應用相結合的產物,是技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的新型集成知識系統。它以微電子學科、計算機學科、電子技術學科為構建平臺基礎,以對象學科技術為平臺應用,并且各學科技術又相互聯系、相互支持。嵌入式系統包容各家技術之長,吸取各專業(yè)之精華,形成自己獨特的知識技術體系。

從以上分析可以看出,把嵌入式系統定義為“以計算機技術為基礎”,縮小了嵌入式系統的外延范圍,否定了各學科技術在嵌入式系統中的綜合應用作用,不全面,帶有一定的局限性,不利于嵌入式系統獨特的學科體系建立。


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