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哈工大 计算机导论作业 嵌入式系统

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嵌入式系统
姓名：冀文欣 学号：1120310729 班号：1203107
关键词：嵌入式系统简介与应用实例
引言
随着现代社会信息化的步伐日益加快，人们对于计算机的期望也越来越高，无疑嵌入式系统是一种高效便捷的实现客户需求更好的拓展计算机功能的最佳途径。本文中将对嵌入式系统简要介绍其组成、特点及其应用。
Foreword introduction
With the swifter pace of the informatization of modern society, people’s expectation of computer becomes higher. There is no doubt that embedded system is an efficient and convenient approach to meeting the need of client and expanding the function of computer. The following is the brief introduction in composition、feature and application of embedded system.

嵌入式系统简介
嵌入式系统（Embedded system）是一种以应用为中心以计算机技术为基础能够满足各方面要求的专用计算机系统【1】, 通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。它是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”，根据英国电器工程师协会（U.K. Institution of Electrical Engineer）的定义，嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。简单地按我自己的理解来说，嵌入于某种设备中，高效准确地完成既定功能的系统就是嵌入式系统。
嵌入式系统特点
1.针对性强。
嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。所以它的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合。
2.系统精简，占用内核小。【2】
嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，只针对一项特殊的任务，不要求其功能设计及实现上过于复杂，由于嵌入式系统通常进行大量生产，这样一来既控制了系统成本，也利于实现系统安全。此外嵌入式系统内核较之传统的操作系统要小得多，比如ENEA公司开发的OSE分布式系统，内核仅有5KB，比我们平常熟悉的操作系统如Windows，Unix都要小得多。
3.多任务的操作系统与高实时性（执行速度快）。
嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行，能够合理地调度多任务、充分利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。而且系统一般为固态存储，以提高速度，且拥有很高的质量和较好的可靠性。
4.强稳定性，弱交互性。
嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预。嵌入式操作系统的用户接口一般不提供操作命令。
嵌入式系统的组成
一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，又由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型的电机，当手机处于震动接收状态时打开。也可以很复杂，如索尼智能机器狗，上面集成了多个微小型控制电机和多种传感器，从而可以执行各种复杂动作和感受各种状态信息。
　　下面对嵌入式计算机系统的组成进行具体介绍。（附示意图两张）
图一

图二
1.硬件层
　　硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用设备接口和I/O接口。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。

2.中间层
　　硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer）或板级支持包（Board Support Package），它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据中间层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。
3.系统软件层
系统软件层由实时多任务操作系统（Real-time Operation System）、文件系统、图形用户接口（Graphic User Interface）、网络系统及通用组件模块组成。实时多任务操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台。
4.应用软件层
应用软件是针对特定实际需求领域，由开发者自己编写完成用户预期目标的软件。
嵌入式系统的应用及其产品
应用一：（19世纪60年代）
第一个被大家认可的现代嵌入式系统是麻省理工学院仪器研究室的查尔斯•斯塔克•德雷珀开发的阿波罗导航计算机。在两次月球飞行中他们在太空驾驶舱和月球登陆舱都是用了这种惯性导航系统。

以下是近五年的发展：
应用二：（2008年6月）国产新型ATM自动柜员机

PZ720工作原理图与实际外观图
2008年6月14日，长城信息产业及其子公司湖南长城信息金融设备有限责任公司研制完成了GWI PZ650/720两款自动柜员机。PZ650/720实现了多级密钥管理、交易确认控制、安全防范、全程视频监控等安全功能。其软件采用分层次模块化整体设计，实现了设备层软件的可卸载插件，保证了对不同设备部件的快速支持。该产品通过免拆式在线版本升级、一键关机控制、机内外设备状态实时指示、传感器实时状态检测等方法，提高了自动柜员机易用性和可维护性。
特色分析（个人观点）：我们可以看到，它的关键技术还是在于它的软件系统，实际上它采用的就是较为先进的嵌入式系统，这种为银行业务服务的嵌入式系统的针对性很强，而且可实现远程对其源代码的控制，所以可以实现免拆在线升级，也为客户节省了一大笔维护费用同时它的可靠性也是非常好的，这很好的满足了银行业这种有极高安全需求的行业。而且与同时期国内产品相比节省了大量人工手动维护费用，使用时间大大延长，执行速度更快且能够更新。
应用三：(2008年12月) Linux 2.6.28的正式发布
Linux 2.6内核配置界面
Linux2.6用户操作界面
嵌入式Linux与其他嵌入式操作系统的比较如下：
1.更加成熟与稳定
2.精简的内核，最小的安装只需要2MB。与其同年代的Windows vista为14GB左右，Unix约为690MB。而目前Windows7也为2.4GB[32位]。
3.适用于不同的CPU，兼容性好，支持多种体系结构，如X86、ARM、MIPS、ALPHA，SPARC等。 而与其同年份的windows vista即使用奔腾D 915处理器和AM2双核3600+处理器在内的众多在当时中等偏下水平双核处理器运行仍不太流畅。
4.提供嵌入式浏览器、邮件程序、MP3 播放器、MPEG播放器等应用程序。
5．嵌入式应用有用户定制的特点,硬件设计都针对特定应用开发，可提供图形化的定制和配置工具。这一点windows不具备
6．支持大量的周边硬件设备，驱动丰富。
7．针对嵌入人式的存储方案，提供最新产品版本和完善的嵌入式解决方案。
8．开放源码，丰富的软件资源，广泛的软件开发者的支持，价格低廉，结构灵活，适用面广。而windows源代码不开放，为黑箱状态，且同一年的正版windows vista官方最低价也要2060元。
9.此外，此版本拥有可抢占内核功能，极大地增强系统的用户交互性。
应用四：（2009年）基于嵌入式系统的AFC车站终端设备

车站售票嵌入式系统（在地铁内的）工作原理图
售票机实物图
该种轨道交通自动售检票系统车站终端设备主要部分是基于国产实时嵌入式操作系统ReWorks的自动售票机软件，针对自动售票机应用需求。轨道交通自动售检票(Automatic Fare Collection,AFC)系统主要由中央计算机系统、车站计算机系统、车站终端设备和车票组成该系统也被运用在铁路线上的部分无人售票站，解决了某些条件恶劣站点缺少工作人员的尴尬同时也代替了高昂的人工成本。
个人特色分析：该系统的关键技术仍然是其内含有的嵌入式系统，该种嵌入式系统针对交通售票需求，具有易于维护，效率高，多任务操作，人机交互性好的特点。那么我个人认为它的特色还是在于它的高效性，这是针对轨道交通或者说公共交通非常关键的，我们知道在中国每年春运时售票大厅通常是人满为患，排很久的队买不到票。网上购票对于很多农民工是不太现实的，而且网络系统经常会因登陆人数过多繁忙甚至崩溃，比如铁路的12306系统，如果采用此种自动售票系统再张贴适当操作说明就能够大大减少排队时间，节省公共服务成本。
应用五：（2010年）XBrust芯片
XBurst是北京君正针对移动多媒体便携产品推出的一种创新的32位嵌入式CPU技术，它重新定义了32位嵌入式微处理器核心的性能、多媒体能力、功耗和尺寸标准。XBurst各种性能指标远远领先于当时工业界32位CPU内核，在同样工艺下，XBurst运算性能提高80％以上，多媒体能力提高100%以上，功耗节省70%，尺寸节省50%。
　XBurst与同时期产品相比具有以下四个方面突出优点：
1. 高性能：XBurst 在0.18微米工艺下可以提供360MHz以上的稳定工作频率，其他工业界内核往往在200MHz以内。另外它的主频可达1GHz，是A9的1.2倍，而65nm下Contex-A9的时钟主频是800MHz左右，在今天看来Xbrust也不算很落后。　
2.多媒体性能：SIMD指令对视频解码效率提高100%，编码效率则提高150%以上。
3. 超低功耗：XBurst 的功耗是工业界同类产品的25-30%,XBurst CPU内核的功耗是同时期Cortex- A9 内核的20%。
4.超小尺寸：XBurst 的的硅片面积较小,也意味着它成本更低。在CPU面积方面，即成本上，君正XBurst的是Cortex-A9的40%。
而北京君正也凭借它的Xbrust于2011年与深圳艾诺合作推出世界上第一台Android 4.0平板电脑，这款新机型采用了主频为1GHz的XBurst处理器，搭载了7寸触摸屏，而售价居然只有99美元。该机支持WiFi，提供有USB2.0和HDMI 1.3接口，还有microSD卡插槽，内置了3D加速芯片Vivante GC860 GPU，可以播放1080p全高清动画。如此优越的性能却有如此低的价格，与它的嵌入式系统Xbrust优越的品质有巨大关系。
其实我个人感觉这款产品特色最主要还是在于嵌入式系统的高效性和良好的实时性，再有我们都知道运算（处理）能力越高功耗也就越大，但是它如此强大的运算能力却做到只有很低的功耗。

应用六：因特尔（INTEL）嵌入式系列芯片
①2008年7月，英特尔推出最新嵌入式芯片组。英特尔公司推出新嵌入式芯片组 SOC(system-on-chip) EP8579集成处理器，它具有
1.功耗较低，比同时期AMD的Barcelona（功耗约为68-95W）功耗更低。
2.具备自定义功能，能有效的支持嵌入式语音，在存储和安全等领域能得到广泛应用。而AMD的Barcelona则不具备这些功能。而也要指出的是Barcelona的先进之处在于其是一款主频可达1.9-2.0GHz的真正意义上的四核处理器。
②2012年7月，Intel正式发布了两款嵌入式Ivy Bridge处理器Core i3-3120ME与i3-3217UE。
对于嵌入式版本的第三代Core i系列处理器，Intel先后推出了“标准版四核心Core i7、低压版双核心Core i7、标准版四核心Core i5”如今迎来了Core i3系列，至此基本完成了新一代的布局。而INTEL也凭借着新款嵌入式处理器与新款四核处理器牢牢霸占近70%的市场份额，第二大份额是AMD基本占据剩余份额。
Core i3-3120ME 和Core i3-3217UE都为为双核四线程型号。具有以下显著特点：
1.主频与三级缓存性能优良。前者主频2.4GHz，后者主频为1.6GHz，三级缓存为3MB，比AMD的三级缓存高出1MB。
2.能耗低。前者删除了PCI-E 3.0、Intel InsiderWiDi、Anti-Theft、My Wi-Fi、4G WiMAX、VT-i等多项技术，后者多了一项My Wi-Fi，但又去掉了Clear Video for MID。因此前者热设计功耗为35W，后者仅为17W。都远低于AMD现在的皓龙四核处理器（50W）。
4.体积小，可靠性好，效率高，成本更低。且比同时期嵌入式处理器（主要指竞争对手AMD）性能提高60%以上。
5. 适用领域广，包括数字电子看板、数字保全与监视、工业、医学、以及零售市场等。

以上就是我个人搜集整理的近五年嵌入式系统的发展情况与最新应用。谢谢您的耐心阅读。

参考文献：
【1】李林功，李华玲，嵌入式系统的构成与特点，《电测与仪表》第449期，2003.5
【2】西安电子科技大学长安学院科协，嵌入式系统的特点和分类，2008.8
（以下参考文献未直接出现原文但化用整合了其中部分[含图片]内容）
【3】陈沨 毛洋林 潘志浩，基于嵌入式Linux的图形界面显示系统的设计，2004
【4】陈丹桂，嵌入式系统综述，《科技经济市场》，2007
【5】徐端全，嵌入式系统原理与设计，2005
【6】康宇峰，嵌入式系统开发面临的问题与集成开发环境的应用
【7】宁辉 杜涛 李平，嵌入式逻辑分析仪在FPGA测试中的应用，《今日电子》2008.5
【8】胡威，嵌入式逻辑分析仪在FPGA测试中的应用，2008.3
【9】THOMAS A. HENZINGER，Two challenges in embedded systems design:
predictability and robustness，2008