嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)及分類

嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)及分類

1. 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)
(1) 系統(tǒng)內(nèi)核小
由于嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置，系統(tǒng)資源相對(duì)有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。比如ENEA公司的OSE分布式系統(tǒng)，內(nèi)核只有5KB而Windows的內(nèi)核則要大得多。
(2) 專用性強(qiáng)
嵌入式系統(tǒng)的個(gè)性化很強(qiáng)，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對(duì)硬件進(jìn)行系統(tǒng)的移植，即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進(jìn)行修改。同時(shí)，針對(duì)不同的任務(wù)，往往需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行較大更改；程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結(jié)合，這種修改和通用軟件的“升級(jí)”是完全不同的概念。
(3) 系統(tǒng)精簡(jiǎn)
嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的明顯區(qū)分，不要求其功能的 設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過于復(fù)雜，這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，同時(shí)也利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全。
(4) 高實(shí)時(shí)性
高實(shí)時(shí)性的操作系統(tǒng)軟件是嵌入式軟件的基本要求。而且軟件要求固化存儲(chǔ)，以提高速度。軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性。
(5)多任務(wù)的操作系統(tǒng)
嵌入式軟件開發(fā)要想走向標(biāo)準(zhǔn)化，就必須使用多任務(wù)的操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)而直接在芯片上運(yùn)行；但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)，利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTOS(Real Time Operating System)開發(fā)平臺(tái)，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，并減少開發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。
(6)專門的開發(fā)工具和環(huán)境
嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要專門的開發(fā)工具和環(huán)境。由于嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力，即使設(shè)計(jì)完成以后，用戶通常也不能對(duì)其中的程序功能進(jìn)行修改，因此必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計(jì)算機(jī)上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀、混合信號(hào)示波器等。開發(fā)時(shí)往往有主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的概念，主機(jī)用于程序的開發(fā)，目標(biāo)機(jī)作為最后的執(zhí)行機(jī)，開發(fā)時(shí)需要交替結(jié)合進(jìn)行。

2. 嵌入式系統(tǒng)的分類
由于嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成，所以其分類也可以從硬件和軟件進(jìn)行劃分。
(1) 嵌入式系統(tǒng)的硬件
從硬件方面來講，嵌入式系統(tǒng)的核心部件是嵌入式處理器。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式處理器的品種數(shù)量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30多個(gè)，其中8051體系占大多數(shù)。生產(chǎn)8051單片機(jī)的半導(dǎo)體廠家有20多個(gè)，共350多種衍生產(chǎn)品，僅Philips就有近100種。目前嵌入式處理器的尋址空間可以從64KB到256MB，處理速度從0.1MIPS到2000MIPS。
近年來嵌入式微處理器的主要發(fā)展方向是小體積、高性能、低功耗。專業(yè)分工也越來越明顯，出現(xiàn)了專業(yè)的IP(Intellectual Property Core，知識(shí)產(chǎn)權(quán)核)供應(yīng)商，如ARM、MIPS等，他們通過提供優(yōu)質(zhì)、高性能的嵌入式微處理器內(nèi)核，由各個(gè)半導(dǎo)體廠商生產(chǎn)面向各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的芯片。
如圖1-1所示，一般可以將嵌入式處理器分成4類，即嵌入式微處理器(Micro Processor? Unit，MPU)、嵌入式微控制器(Micro Controller Unit，MCU單片機(jī))、嵌入式DSP處理器(Digital? Signal Processor，DSP)和嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip，SOC)。
(2) 嵌入式系統(tǒng)的軟件
嵌入式系統(tǒng)的軟件一般由嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件組成。操作系統(tǒng)是連接計(jì)算機(jī)硬件與應(yīng)用程序的系統(tǒng)程序。
操作系統(tǒng)有兩個(gè)基本功能：使計(jì)算機(jī)硬件便于使用；高效組織和正確地使用計(jì)算機(jī)的資源。
操作系統(tǒng)有4個(gè)主要任務(wù)：進(jìn)程管理、進(jìn)程間通信與同步、內(nèi)存管理和I/O資源管理。
目前嵌入式系統(tǒng)的軟件主要有兩大類：實(shí)時(shí)系統(tǒng)和分時(shí)系統(tǒng)。如圖1-2所示。
實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是指具有實(shí)時(shí)性，能支持實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。
實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的首要任務(wù)是調(diào)度一切可利用的資源完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)；
其次才著眼于提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的使用效率，其重要特點(diǎn)是通過任務(wù)調(diào)度來滿足對(duì)于重要事件在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)做出正確的響應(yīng)。
實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與分時(shí)操作系統(tǒng)的區(qū)別:
對(duì)于分時(shí)操作系統(tǒng)，軟件的執(zhí)行在時(shí)間上的要求并不嚴(yán)格，時(shí)間上的延誤或者時(shí)序上的錯(cuò)誤，一般不會(huì)造成災(zāi)難性的后果。
而對(duì)于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，主要任務(wù)是對(duì)事件進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理，雖然事件可能在無法預(yù)知的時(shí)刻到達(dá)，但是軟件必須在事件隨機(jī)發(fā)生時(shí)，在嚴(yán)格的時(shí)限內(nèi)做出響應(yīng)(系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間)。即使是系統(tǒng)處在尖峰負(fù)荷下，也應(yīng)如此，系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的超時(shí)就意味著致命的失敗。
另外，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的重要特點(diǎn)是具有系統(tǒng)的可確定性，即系統(tǒng)能對(duì)運(yùn)行的最好和最壞情況做出精確的估計(jì)。
Stankovic給出了實(shí)時(shí)系統(tǒng)的定義:
“實(shí)時(shí)系統(tǒng)是這樣一種系統(tǒng)，即系統(tǒng)執(zhí)行的正確性不僅取決于計(jì)算的邏輯結(jié)果，而且還取決于結(jié)果的產(chǎn)生時(shí)間?！?
實(shí)時(shí)系統(tǒng)又可以分為“硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)”和“軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)”。硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)的區(qū)別就在于對(duì)外界的事件做出反應(yīng)的時(shí)間。
硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)必須是對(duì)事件做出及時(shí)的反應(yīng)，絕對(duì)不能錯(cuò)過事件處理的時(shí)限。在硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中如果出現(xiàn)了這樣的情況就意味著巨大的損失和災(zāi)難。比如說航天飛機(jī)的控制系統(tǒng)，如果出現(xiàn)故障，后果不堪想象。
軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指，如果在系統(tǒng)負(fù)荷較重的時(shí)候，允許發(fā)生錯(cuò)過時(shí)限的情況而且不會(huì)造成太大的危害。比如液晶屏刷新允許有短暫的延遲。
硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的區(qū)別主要是在選擇調(diào)度算法上。
對(duì)于軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)，選擇基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度的算法足以滿足軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)的需求，而且可以提供高速的響應(yīng)和大的系統(tǒng)吞吐量；
而對(duì)硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)來說，需要使用的算法就應(yīng)該是調(diào)度方式簡(jiǎn)單，反應(yīng)速度快的實(shí)時(shí)調(diào)度算法。