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嵌入式系統(tǒng)實(shí)例

嵌入式系統(tǒng)通常應(yīng)用于消費(fèi)類、烹飪、工業(yè)、自動(dòng)化、醫(yī)療、商業(yè)及軍事領(lǐng)域。

電信系統(tǒng)

從網(wǎng)絡(luò)級(jí)的電話交換機(jī)到手機(jī)終端都部署了大量嵌入式系統(tǒng)。

消費(fèi)類電子

包括PDA、MP3播放器、移動(dòng)電話、游戲機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、DVD播放器、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收器和打印機(jī)。

家居應(yīng)用

微波爐、洗衣機(jī)和洗碗機(jī)中采用了嵌入式系統(tǒng)，帶來靈活性、效率和功能；高級(jí)暖通空調(diào)系統(tǒng)采用聯(lián)網(wǎng)的恒溫器更精確、高效地按天或季度控制溫度；智能家居使用嵌入式設(shè)備進(jìn)行感知、控制，通過有線和無線網(wǎng)絡(luò)控制燈光、溫濕度、安全、音視頻、監(jiān)控等。

交通系統(tǒng)

安全要求相當(dāng)高的飛機(jī)中采用了先進(jìn)的航空電子設(shè)備，如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、全球衛(wèi)星定位接收器； 各種電機(jī)——直流無刷電機(jī)、異步電機(jī)和直流電機(jī)中使用了電氣/電子電機(jī)控制器； 汽車、電動(dòng)車、混合動(dòng)力汽車越來越多地采用嵌入式系統(tǒng)來節(jié)能減排； 其他汽車安全系統(tǒng)，包括防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)、牽引力控制系統(tǒng)、自動(dòng)四驅(qū)系統(tǒng)。

醫(yī)療設(shè)備

使用嵌入式設(shè)備進(jìn)行生命體征監(jiān)測(cè)，電子聽診器放大聲音，各種醫(yī)療成像系統(tǒng)（正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)化斷層顯像、計(jì)算機(jī)斷層掃描、核磁共振成像）進(jìn)行非入侵式內(nèi)部檢查； 醫(yī)療設(shè)備內(nèi)的嵌入式系統(tǒng)通常采用工業(yè)計(jì)算機(jī)。

嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用在交通、消防、安防、醫(yī)療和生命攸關(guān)系統(tǒng)中，由于這些系統(tǒng)能夠與黑客等隔離，因而更可靠。在消防安全中，經(jīng)過設(shè)計(jì)，系統(tǒng)能在高溫環(huán)境下持續(xù)工作。出于安全需要，嵌入式系統(tǒng)可以自給自足，能夠處理切斷了電氣和通信系統(tǒng)的情況。

WSN領(lǐng)域的發(fā)展，促使一種新型的微型無線設(shè)備微塵迅速普及。人們可以通過信息監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)感知并作用于物理世界的無數(shù)事物。微塵采用微制造技術(shù)，通過先進(jìn)的IC設(shè)計(jì)技術(shù)，將無線子系統(tǒng)與尖端的傳感器結(jié)合；從而讓人們可以通過信息監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)感知并作用于物理世界的無數(shù)事物。這些微塵是完全自給自足的，在需要更換電池或充電前通?？梢怨ぷ鲾?shù)年。

利用嵌入式Wi-Fi模塊，原先利用串口進(jìn)行通信的設(shè)備可以輕松啟用無線通信功能。

歷史

MIT儀器研究室的查爾斯·斯塔克·德雷珀開發(fā)的阿波羅制導(dǎo)計(jì)算機(jī)是現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的雛形之一。在項(xiàng)目初期，它被看成風(fēng)險(xiǎn)最高的部分，原因是為了減小尺寸和重量，它采用了當(dāng)時(shí)最新研發(fā)的單片集成電路。

第一款大批量生產(chǎn)的嵌入式系統(tǒng)是1961年發(fā)布的民兵I導(dǎo)彈內(nèi)的D-17自動(dòng)制導(dǎo)計(jì)算機(jī)。當(dāng)民兵II導(dǎo)彈在1966年開始生產(chǎn)的時(shí)候，D-17升級(jí)成一種新型計(jì)算機(jī)，其中首次大量使用了集成電路。僅這個(gè)項(xiàng)目就將與非門模塊的單價(jià)從1000美元降低至3美元，低到可用于商業(yè)產(chǎn)品。

由于二十世紀(jì)六十年代的這些早期應(yīng)用，不僅嵌入式系統(tǒng)的價(jià)格降低了，同時(shí)處理能力和功能也獲得了巨大的提高。以第一款單片機(jī)英特爾4004為例，它是為計(jì)算器和其他小型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，但仍然需要外部存儲(chǔ)器和外圍芯片。1978年，國家工程制造商協(xié)會(huì)發(fā)布了可編程單片機(jī)的“標(biāo)準(zhǔn)”，涵蓋了幾乎所有以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的控制器，如單板機(jī)、數(shù)控設(shè)備，以及基于事件的控制器。

隨著微控制器和微處理器的價(jià)格下降，消費(fèi)品也可以更換掉基于按鈕的模擬器件，如分壓計(jì)和可變電容，采用微處理器讀取開關(guān)或按鈕信號(hào)。

到了二十世紀(jì)八十年代早期，存儲(chǔ)器、輸入輸出部件集成到處理器內(nèi)，產(chǎn)生了單片機(jī)。在采用通用計(jì)算機(jī)占用的成本太高昂的應(yīng)用中，單片機(jī)取而代之。

較低成本的單片機(jī)編程后可取代很多獨(dú)立部件，這種嵌入式系統(tǒng)通常比傳統(tǒng)解決方案更復(fù)雜，但這些復(fù)雜性多數(shù)體現(xiàn)在單片機(jī)自身。嵌入式系統(tǒng)需要的外圍組件很少，多數(shù)設(shè)計(jì)工作集中在軟件，而軟件原型的創(chuàng)建及測(cè)試與設(shè)計(jì)、創(chuàng)建新的不使用嵌入式處理器的電路相比速度更快。

特性

區(qū)別于可以執(zhí)行多重任務(wù)的通用型計(jì)算機(jī)，嵌入式系統(tǒng)是為某些特定任務(wù)而設(shè)計(jì)的。有些系統(tǒng)則必須滿足實(shí)時(shí)性要求，以確保安全性和可用性；另一些系統(tǒng)則對(duì)性能要求很低甚至不要求性能，以簡化硬件、降低成本。

嵌入式系統(tǒng)并不總是獨(dú)立的設(shè)備。許多嵌入式系統(tǒng)由嵌入較大設(shè)備的小計(jì)算部件組成，提供較通用的功能。例如吉他機(jī)器人采用嵌入式系統(tǒng)來調(diào)弦，但總的來說它的設(shè)計(jì)目的絕不是調(diào)弦而是演奏音樂；車載電腦作為汽車的一個(gè)子系統(tǒng)存在，提供導(dǎo)航、控制、車況反饋等功能。

為嵌入式系統(tǒng)編寫的程序稱為固件，存儲(chǔ)在只讀存儲(chǔ)器或閃存芯片內(nèi)，運(yùn)行在有限的硬件資源上：小容量內(nèi)存，小鍵盤或屏幕甚至沒有。

用戶界面

嵌入式系統(tǒng)用戶界面包括了從沒有用戶界面而只專注于單一任務(wù)、到類似于現(xiàn)代桌面操作系統(tǒng)的復(fù)雜圖形用戶界面的各類界面。

簡單的嵌入式設(shè)備使用按鈕、LED、圖形或數(shù)字LCD和簡單的菜單系統(tǒng)。

較高端的嵌入式系統(tǒng)使用圖形顯示屏，配合觸摸感應(yīng)或屏邊按鈕使用，可使占用空間最小并提供靈活性：按鈕的含義隨屏幕顯示的內(nèi)容而改變，而且指向想要的選項(xiàng)進(jìn)行操作就能實(shí)現(xiàn)選擇。手持系統(tǒng)通常采用顯示屏加操縱桿按鈕作為觸控裝置。

有些系統(tǒng)通過串行通信接口（如RS-232、USB、I2C等）或網(wǎng)絡(luò)連接遠(yuǎn)程提供用戶界面。這種方式的優(yōu)勢(shì)在于：擴(kuò)展了系統(tǒng)的性能、削減了顯示屏的成本、簡化了BSP，可以在PC上構(gòu)建豐富的用戶界面。例如運(yùn)行在嵌入式設(shè)備平臺(tái)（如IP攝像機(jī)或路由器）上的嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，它無需安裝定制軟件，而是在連到設(shè)備的PC端的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器中顯示用戶界面。

嵌入式系統(tǒng)的處理器

嵌入式處理器大概可分為兩類。一類是普通微處理器：使用獨(dú)立的集成電路存儲(chǔ)器和外設(shè)。另一類是單片機(jī)：具有片上外設(shè)，降低了功耗、尺寸和成本。嵌入式系統(tǒng)的軟件是為某種應(yīng)用定制的，而不是像個(gè)人計(jì)算機(jī)那樣的由終端用戶安裝的商品，因此可以使用各種不同的基本CPU架構(gòu)：既有范紐曼型架構(gòu)也有不同程度的哈佛結(jié)構(gòu)；既有RISC也有非精簡指令集處理器；字長從4位到64位甚至更高，當(dāng)然最典型的仍然是8/16位。多數(shù)架構(gòu)由幾家不同的公司生產(chǎn)，使用了大量不同的變量和類型。

嵌入式系統(tǒng)也會(huì)使用通用型微處理器，但比單片機(jī)需要更多外圍電路。

嵌入式主板

PC/104和PC/104+是小型、小批量嵌入式強(qiáng)固系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)之一，大多基于x86架構(gòu)；通常比標(biāo)準(zhǔn)PC要小，而比多數(shù)簡單的8/16位嵌入式系統(tǒng)要大；使用MSDOS、Linux、NetBSD，或?qū)崟r(shí)嵌入式操作系統(tǒng)如MicroC/OS-II、QNX、VxWorks。有時(shí)這些主板也會(huì)使用非x86處理器。

在某些應(yīng)用中，小巧、高效并非主要關(guān)注點(diǎn)，因而可以使用與x86型PC主板兼容的部件。VIA EPIA系列板卡則可以彌補(bǔ)這個(gè)空缺，它兼容PC但是高度集成、體積較小，或提供其他對(duì)嵌入式工程師很有吸引力的特性。這種方法的好處是低成本商品也可以使用通用的軟件開發(fā)工具。用這種方法構(gòu)建的系統(tǒng)仍然是嵌入式系統(tǒng)，因?yàn)樗度朐谳^大的設(shè)備中、用于滿足單一用途。例如ATM和電子游戲機(jī)，它們都包含了針對(duì)各自應(yīng)用的代碼。

多數(shù)嵌入式主板都不是圍繞PC設(shè)計(jì)的，也不使用ISA或PCI總線。如果采用SoC處理器，用標(biāo)準(zhǔn)總線連接分立組件就不是上策，此外軟硬件開發(fā)環(huán)境都可能會(huì)很不一樣。

一種常用的設(shè)計(jì)模式是采用小型系統(tǒng)模塊——也許只有商務(wù)卡片大小，容納高密度的BGA芯片如ARM處理器和外設(shè)、用于存儲(chǔ)的外部閃存、作為內(nèi)存的DRAM。模塊廠商通常會(huì)提供引導(dǎo)軟件和操作系統(tǒng)選項(xiàng)，一般包括Linux和一些實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。這些模塊由熟悉專業(yè)測(cè)試方法的組織大批量生產(chǎn)，配合較小批量的、帶特殊應(yīng)用外設(shè)的定制主板使用。

ASIC和FPGA解決方案

SoC是一種常見的為超大批量嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可配置陣列。它在單個(gè)芯片內(nèi)包含了多處理器、乘法器、緩存和接口，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)；通過專用集成電路或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列來實(shí)現(xiàn)。

外圍設(shè)備

嵌入式系統(tǒng)通過外設(shè)與外部通信：

串行通信接口：RS-232、RS-422、RS-485等

同步串行通信接口：I2C、SPI、ESSI等

USB

多媒體卡：SD卡、CF卡等

網(wǎng)絡(luò)：以太網(wǎng)、LonWorks等

現(xiàn)場(chǎng)總線：CAN總線、LIN總線、PROFIBUS等

定時(shí)器：PLL、捕獲比較模塊和時(shí)間處理單元

分立IO：GPIO

模擬-數(shù)字/數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換(ADC/DAC)

調(diào)試接口：JTAG、ISP、ICSP、BDM端口、BITP、DP9端口等

工具

同典型的計(jì)算機(jī)程序員一樣，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也使用編譯器、連結(jié)器和調(diào)試器開發(fā)嵌入式系統(tǒng)軟件。然而，他們也使用一些大多數(shù)程序員不熟悉的工具。

軟件工具的來源有如下幾種：

專注于嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)的軟件公司

從GNU軟件開發(fā)工具移植（參見交叉平臺(tái)編譯）

有些情況下，如果嵌入式處理器與普通個(gè)人計(jì)算機(jī)處理器很近似的話也可以使用個(gè)人計(jì)算機(jī)開發(fā)工具

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也使用一些不為普通計(jì)算機(jī)程序員所熟悉的軟件工具：

一個(gè)常用工具是“電路內(nèi)部仿真器”（ICE，in-cirt emulator）或者是最新設(shè)計(jì)中的嵌入式調(diào)試器。這個(gè)調(diào)試工具是開發(fā)嵌入式程序的基本技巧。它代替微處理器或者嵌入微處理器內(nèi)部，提供了在系統(tǒng)中快速調(diào)用和調(diào)試試驗(yàn)代碼的便捷工具。一個(gè)焊點(diǎn)通常就是一個(gè)插入系統(tǒng)的特殊電路，通常使用一臺(tái)連結(jié)到這些焊點(diǎn)的個(gè)人計(jì)算機(jī)作為調(diào)試界面。

連結(jié)器通常是各種各樣。對(duì)于大多數(shù)商業(yè)編程來說，連接器幾乎是事后才考慮的部分，缺省設(shè)置也從來不變。與此相反，嵌入式連結(jié)器有完整、復(fù)雜的命令行語言是很普通的。經(jīng)常有不同類型的內(nèi)存，分別保存特殊的代碼和數(shù)據(jù)。單獨(dú)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠放在特殊的地址，這樣軟件能夠很方便地訪問映射到內(nèi)存的控制寄存器。嵌入式連結(jié)器經(jīng)常有用于減小代碼大小和運(yùn)行時(shí)間的外部優(yōu)化工具。例如，他們可能移動(dòng)子程序的位置以使用較小的調(diào)用和跳轉(zhuǎn)指令。它們經(jīng)常帶有管理 數(shù)據(jù)疊加 （ 英語 ： data overlays ） 和 band switch （ 英語 ： band switch ） 技術(shù)的特性，這些技術(shù)是在嵌入式軟件經(jīng)常使用的擴(kuò)展廉價(jià)CPU的方法。

另外一個(gè)常用的工具是一個(gè)在程序中添加代碼和或者CRC的工具程序（經(jīng)常是自己寫的），使用這個(gè)工具嵌入式系統(tǒng)能夠在執(zhí)行程序之前先進(jìn)行程序數(shù)據(jù)檢查。

為數(shù)字信號(hào)處理開發(fā)軟件的嵌入式程序員經(jīng)常使用MathCad或者M(jìn)athematica這樣的數(shù)學(xué)工具進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真。

一些較少使用的工具有將數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成代碼的工具，使用這種工具就可以在程序中包含任意類型的數(shù)據(jù)。

少數(shù)一些項(xiàng)目為了特殊的可靠性或者數(shù)字信號(hào)處理要求使用 同步編程語言 （ 英語 ： Synchronous programming language ） 。

一些編程語言為嵌入式系統(tǒng)編程提供了一些特殊支持。

對(duì)于C語言，ISO/IEC TR 18037:2005定義了

調(diào)試

調(diào)試通常使用內(nèi)部電路仿真器或者其他一些能夠在微控制器微碼（microcode）內(nèi)部產(chǎn)生中斷的調(diào)試器。微碼中斷讓調(diào)試器能夠在只有CPU工作的硬件中進(jìn)行操作，基于CPU的調(diào)試器能夠從CPU的角度來測(cè)試和調(diào)試計(jì)算機(jī)的電路。PDP-11開創(chuàng)了這種特性的先河。

開發(fā)人員能夠仍然使用斷點(diǎn)、單步執(zhí)行以及高級(jí)語言進(jìn)行調(diào)試，在許多的調(diào)試工具上都有這種能力。另外開發(fā)人員在調(diào)試實(shí)時(shí)事件順序的時(shí)候需要記錄、使用簡單的記錄工具。

首先遇到這種問題的個(gè)人電腦和大型機(jī)程序員經(jīng)常在設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)和可行方法的時(shí)候感到困惑。指導(dǎo)、代碼審查和非個(gè)人風(fēng)格（ egoless （ 英語 ： egoless ） ）的編程是值得推薦的。

隨著嵌入式系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，更高層次的工具和操作系統(tǒng)逐漸移植到可行的設(shè)備上。例如，蜂窩電話、個(gè)人數(shù)字助理和其他的消費(fèi)用計(jì)算機(jī)需要一些從個(gè)人或者這些電子設(shè)備制造商之外的公司購買或者提供的一些重要軟件。在這些系統(tǒng)中，需要如Linux、OSGi或者Java這樣的開放編程環(huán)境，這樣第三方軟件提供上才能夠在大規(guī)模的市場(chǎng)上銷售軟件。

大多數(shù)這樣的開發(fā)環(huán)境都有一個(gè)運(yùn)行在個(gè)人電腦上的參考設(shè)計(jì)，這種軟件的絕大部分都可以在傳統(tǒng)的個(gè)人電腦上開發(fā)。然而，從開放環(huán)境移植到專用的電子設(shè)備和電子設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)通常仍然是傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件工程師的工作。在有些情況下，the engineer works for the integrated cirt manufacturer, but there is still such a person somewhere.

操作系統(tǒng)

使用Windows XP的因特網(wǎng)收費(fèi)電話

嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常沒有操作系統(tǒng)、專用的嵌入式操作系統(tǒng)（經(jīng)常是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）或者指定程序員移植到這些新系統(tǒng)。

啟動(dòng)

嵌入式系統(tǒng)帶有啟動(dòng)代碼，通常它禁止中斷、設(shè)置電子設(shè)備參數(shù)、測(cè)試計(jì)算機(jī)（RAM、CPU和軟件），然后開始應(yīng)用程序運(yùn)行。許多嵌入式系統(tǒng)從短暫的掉電狀態(tài)恢復(fù)，經(jīng)常重起而不進(jìn)行最近的自檢。在十分之一秒內(nèi)重起是常見的現(xiàn)象。

許多設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)LED在指示錯(cuò)誤狀態(tài)上非常有用，它們可以幫助進(jìn)行故障處理。一個(gè)常用的機(jī)制是在復(fù)位的時(shí)候點(diǎn)亮電子設(shè)備所有的LED以表明供電和LED正常工作；然后在進(jìn)行加電自檢時(shí)由軟件改變LED的狀態(tài)；在此之后，軟件用這些LED指示操作過程中的正常或者故障狀態(tài)。這可以讓技術(shù)人員、工程師和用戶了解系統(tǒng)的狀態(tài)。一個(gè)有趣的例外是電度表（ electric power meters （ 英語 ： electric power meters ） ）和其他一些大街上的東西，閃爍的指示燈是為了吸引注意力或者表示損壞狀態(tài)。

內(nèi)部自檢

許多嵌入式系統(tǒng)都有一定程度或者一定數(shù)量的內(nèi)部加電自檢，自檢有幾種類型：

計(jì)算機(jī)檢查：檢查CPU、RAM和程序存儲(chǔ)器。通常一加電就開始這些檢查，在一些安全性非常重要的系統(tǒng)中，通常周期性地在安全時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行自檢，或者經(jīng)過一段時(shí)間就進(jìn)行自檢。

外圍設(shè)備檢查：仿真輸入和讀入數(shù)據(jù)或者測(cè)量輸出數(shù)據(jù)。有大量的通信、模擬和控制系統(tǒng)都有這些非常廉價(jià)的檢查。

電源檢查：通常測(cè)試每個(gè)供電電路，也可能檢查電池或者主電源輸入。通常供電部分的負(fù)載都很重，并且少有余量，所以這項(xiàng)檢查很有意義。

通信檢查：驗(yàn)證從相連單元接收到的簡單消息，例如在互聯(lián)網(wǎng)上使用ICMP消息“ping”。

電纜檢查：將線連結(jié)到待檢查的電纜上指示針進(jìn)行檢查。如電話這樣的同步通信系統(tǒng)經(jīng)常使用“同步”測(cè)試。電纜檢查成本很低，當(dāng)單元部分有插頭的時(shí)候這項(xiàng)檢查尤其重要。

裝備檢查：一個(gè)系統(tǒng)在安裝時(shí)經(jīng)常需要進(jìn)行調(diào)整，這項(xiàng)檢查就向安裝人員做出狀態(tài)指示。

消耗檢查：檢查系統(tǒng)所消耗的東西、在預(yù)量太低時(shí)發(fā)出警告。最常見的例子是汽車的油量表，最復(fù)雜的例子可能是維持化學(xué)反應(yīng)物詳細(xì)狀態(tài)的自動(dòng)醫(yī)學(xué)分析系統(tǒng)。

運(yùn)行檢查：檢查用戶關(guān)心的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。顯然，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)必須進(jìn)行這項(xiàng)檢查，這方面的檢查包括飛機(jī)上的導(dǎo)航儀器、汽車的速度表和磁盤的指示燈等。

安全檢查：在"安全時(shí)限"內(nèi)進(jìn)行檢查確保系統(tǒng)仍然可靠。安全時(shí)限通常小于能夠產(chǎn)生損害的最小時(shí)間。

可靠性體系

根據(jù)人們需求的不同，可靠性也有不同的定義，有意思的是，可靠性的類型卻相對(duì)較少，相似可靠性類型的系統(tǒng)，使用相似類型的內(nèi)在檢查和恢復(fù)方法：

系統(tǒng)非常不安全或者無法修理。這包括太空系統(tǒng)、水下電纜、導(dǎo)航燈塔、鉆孔系統(tǒng)，非常奇怪的是還包括汽車和大規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)品?？偟膩碚f，嵌入式系統(tǒng)檢測(cè)各個(gè)子系統(tǒng)、在線切換到冗余部分或者工作在“l(fā)imp模式”提供部分的功能。大規(guī)模生產(chǎn)的消費(fèi)產(chǎn)品如汽車、個(gè)人電腦或者打印機(jī)也屬于這個(gè)類別，這是因?yàn)榕c購買的費(fèi)用相比維修費(fèi)用高昂、維修人員又路途遙遠(yuǎn)。

系統(tǒng)不能安全地停止運(yùn)行。這包括飛機(jī)導(dǎo)航、反應(yīng)控制系統(tǒng)、重要的化學(xué)工廠安全控制、鐵路信號(hào)、單發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，如上所述，但是“l(fā)imp模式”較難容忍，通常需要操作員選擇備份系統(tǒng)。

系統(tǒng)停機(jī)時(shí)將會(huì)造成大量的金錢損失。這些包括電話交換機(jī)、工廠控制、橋梁和電梯控制、資金轉(zhuǎn)移、市場(chǎng)開發(fā)、自動(dòng)銷售和服務(wù)等，這些系統(tǒng)通常有一些運(yùn)轉(zhuǎn)/不運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試，它們通常帶有在線冗余或者使用替換系統(tǒng)和人工過程的limp模式。

系統(tǒng)不安全的時(shí)候不能操作。同上面的情況類似，系統(tǒng)的運(yùn)行將會(huì)造成大量的金錢損失。醫(yī)療設(shè)備、帶有發(fā)動(dòng)機(jī)這樣的熱備份的飛行器、化學(xué)工廠控制、自動(dòng)股票交易、游戲系統(tǒng)等。測(cè)試可能是五花八門，但是出錯(cuò)時(shí)能夠做的就是停止整個(gè)系統(tǒng)。

嵌入式軟件架構(gòu)的類型

常用的嵌入式軟件架構(gòu)有幾種不同的基本類型。

控制循環(huán)

在這種設(shè)計(jì)中，軟件有一個(gè)簡單的循環(huán)，這個(gè)循環(huán)調(diào)用各個(gè)子程序，每個(gè)子程序管理硬件或者軟件的某一部分。中斷通常用來設(shè)置標(biāo)記或者更新軟件其他部分能夠讀取的寄存器。

系統(tǒng)使用簡單的API來完成允許和禁止中斷設(shè)置。如果處理得當(dāng)?shù)脑挘軌蛟谇短鬃映绦蛑刑幚砬短渍{(diào)用，在最外面的中斷允許嵌套中恢復(fù)前面的中斷狀態(tài)。這種方法是實(shí)現(xiàn)Exokernel的一個(gè)最簡單的方法。

通常在循環(huán)中有一些子程序使用周期性的即時(shí)中斷控制一組軟件定時(shí)器，當(dāng)一個(gè)定時(shí)器時(shí)間到的時(shí)候就會(huì)運(yùn)行相應(yīng)的子程序或者設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志。

任何可能發(fā)生的硬件事件都應(yīng)該有軟件定時(shí)器的支持，硬件事件大概每萬億次出現(xiàn)一次錯(cuò)誤，對(duì)于現(xiàn)代的硬件來說大概是一年發(fā)生一次，對(duì)于以百萬計(jì)大規(guī)模生產(chǎn)的設(shè)備來說，遺漏一個(gè)軟件軟件定時(shí)器在商業(yè)上可能是災(zāi)難性的。

有時(shí)測(cè)試軟件運(yùn)行一組基于軟件的安全定時(shí)器，它們周期性地復(fù)位硬件中的軟件看門狗。如果軟件錯(cuò)過一個(gè)事件，安全定時(shí)器軟件將會(huì)捕捉到它。如果安全定時(shí)器出錯(cuò)，看門狗硬件將會(huì)復(fù)位系統(tǒng)。

可以使用指向每個(gè)狀態(tài)機(jī)函數(shù)的指針實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)，函數(shù)可以用C++、C或者匯編語言等實(shí)現(xiàn)。變化的狀態(tài)將不同的函數(shù)放到指針中，每次循環(huán)運(yùn)行時(shí)都會(huì)運(yùn)行函數(shù)指針。

許多設(shè)計(jì)人員建議每個(gè)循環(huán)讀一次輸入輸出設(shè)備、并且保存得到的結(jié)果，這樣可以保證邏輯過程的在一致的參數(shù)上運(yùn)行。

許多設(shè)計(jì)人員喜歡將狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)成每個(gè)狀態(tài)僅僅檢查一到兩項(xiàng)內(nèi)容，通常是檢查硬件事件和軟件定時(shí)器。

設(shè)計(jì)人員建議多級(jí)狀態(tài)機(jī)應(yīng)該讓低層狀態(tài)機(jī)早于高層狀態(tài)機(jī)運(yùn)行，這樣高層就能夠根據(jù)正確的信息運(yùn)行。

如內(nèi)部燃燒控制這樣的復(fù)雜功能通常根據(jù)多維表格進(jìn)行處理，代碼通常進(jìn)行查表處理而不進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，為了減小表格的大小以及成本軟件可以在條目之間進(jìn)行差值運(yùn)算。

在最小的微控制器中，尤其是只有128位組堆棧的8051中，控制環(huán)允許好的鏈接器使用靜態(tài)分配的數(shù)據(jù)覆蓋本地變量。在這種機(jī)制中，離子程序調(diào)用樹末端越近的變量得到的內(nèi)存地址越高。當(dāng)開始一個(gè)新的分支的時(shí)候，它的變量可以在以前分支遺棄的空間中進(jìn)行重新分配。

簡單控制循環(huán)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是它無法保證響應(yīng)特定硬件事件的時(shí)間。

細(xì)心的設(shè)計(jì)可以很容易地保證中斷不會(huì)被長時(shí)間禁止，這樣中斷代碼就可以在非常精確的時(shí)間運(yùn)行。

控制環(huán)的另外一個(gè)主要缺陷是增加新的特性的時(shí)候會(huì)變得復(fù)雜。需要花費(fèi)很長時(shí)間的算法必須小心地進(jìn)行分解以使得每次只有一小部分在主循環(huán)中運(yùn)行。

這種系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是它的簡單性，并且在很小的軟件上，循環(huán)運(yùn)行地很快幾乎沒有人關(guān)心它是不可預(yù)測(cè)的。

它的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是這種系統(tǒng)保證運(yùn)行軟件的質(zhì)量，無法將不好的運(yùn)行結(jié)果歸咎為其他的操作系統(tǒng)。

非搶先式任務(wù)

非搶先式任務(wù)系統(tǒng)非常類似于上面的系統(tǒng)，只是這個(gè)循環(huán)是隱藏在API中的。我們定義一系列的任務(wù)，每個(gè)任務(wù)獲得自己的子程序棧；然后，當(dāng)一個(gè)任務(wù)空閑的時(shí)候，它調(diào)用一個(gè)空閑子程序（通常調(diào)用“暫?！薄ⅰ暗群颉?、“交出（ yield （ 英語 ： yield ） ）”等等）。

帶有類似屬性的架構(gòu)都帶有一個(gè)事件隊(duì)列，有一個(gè)循環(huán)根據(jù)隊(duì)列列表中的一個(gè)域確定刪除時(shí)間和調(diào)用子程序。

這種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都非常類似于控制環(huán)，只是這種方法添加新的軟件更加簡單，只需要簡單地編寫新的任務(wù)或者將它添加到隊(duì)列解釋器中。

搶先式定時(shí)器

使用上面的任何一種系統(tǒng)，但是添加一個(gè)按照定時(shí)器中斷運(yùn)行子程序的定時(shí)器系統(tǒng)，這樣就給系統(tǒng)添加了嶄新的能力，這樣定時(shí)器子程序第一次能在一個(gè)有保證的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行。

另外，代碼第一次能夠在非預(yù)期的時(shí)間訪問自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。定時(shí)器子程序必須要象中斷子程序一樣進(jìn)行處理。

搶先式任務(wù)

使用上面的非搶先式任務(wù)系統(tǒng)，從一個(gè)搶先式定時(shí)器或者其他中斷運(yùn)行。

這樣系統(tǒng)就突然變得很不一樣了。任何一個(gè)任務(wù)的代碼都有可能損害其他任務(wù)的數(shù)據(jù)&emdash;所以它們必須進(jìn)行切缺的切分。對(duì)于共享數(shù)據(jù)的訪問必須使用一些同步策略進(jìn)行控制，如消息隊(duì)列、信號(hào)燈或者非阻塞同步機(jī)制。

經(jīng)常在這一步開發(fā)組織就會(huì)購買一套實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。如果一個(gè)組織缺少能夠編寫操作系統(tǒng)的人才或者操作系統(tǒng)將要在幾個(gè)產(chǎn)品之上，這可能是一個(gè)明智的選擇。這通常要將開發(fā)計(jì)劃增加六到八周，and forever after programmers can blame delays on it.

微內(nèi)核與外內(nèi)核

這種方法試圖將系統(tǒng)組織得比宏內(nèi)核更易于配置，而同時(shí)提供類似的特點(diǎn)。

微內(nèi)核是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的一個(gè)邏輯發(fā)展，通常的組織方式是操作系統(tǒng)內(nèi)核分配內(nèi)存并且將CPU在不同的線程之間進(jìn)行切換。用戶模式的進(jìn)程實(shí)現(xiàn)如文件系統(tǒng)、用戶接口等主要的功能。

微內(nèi)核在二十世紀(jì)五十年代開始首次嘗試，但是由于計(jì)算機(jī)在任務(wù)間切換以及在任務(wù)間交換數(shù)據(jù)速度非常緩慢，所以人們放棄了微內(nèi)核而鐘情于MULTICS和UNIX風(fēng)格的大內(nèi)核?？傮w上來說，微內(nèi)核在任務(wù)切換以及任務(wù)間通信速度快的時(shí)候是比較成功的，在速度慢的時(shí)候是失敗的。

外內(nèi)核通過使用普通的子程序調(diào)用獲得的通信效率很高，硬件以及系統(tǒng)中的軟件都是程序員能用也能擴(kuò)展的。資源內(nèi)核（可能是庫的一部分）分配CPU時(shí)間、內(nèi)存以及其他資源。如多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)以及文件系統(tǒng)這樣的大內(nèi)核特性通過代碼庫來提供。庫可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)的連接、擴(kuò)展或者共享。不同的應(yīng)用甚至可以使用的不同的庫，但是所有的資源都來自于資源內(nèi)核。

虛擬機(jī)

一些航空電子系統(tǒng)使用幾個(gè)商用計(jì)算機(jī)。這樣更進(jìn)一步，每個(gè)計(jì)算機(jī)都在模擬它們自身的幾個(gè)副本，重要的程序同時(shí)在幾個(gè)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行并且進(jìn)行投票控制（ vote ）。

模擬環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)就是即使一個(gè)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，軟件的不同例程能夠遷移到正常工作的軟件分區(qū)，表決的票數(shù)并不受影響。

通常虛擬軟件運(yùn)行在計(jì)算機(jī)的用戶模式下，它捕捉、模擬硬件訪問和不在用戶模式下運(yùn)行的指令。

檢查點(diǎn)計(jì)算

另外一種常用的機(jī)制是兩個(gè)計(jì)算機(jī)計(jì)算for a bit，然后將它們的計(jì)算結(jié)果報(bào)到那個(gè)點(diǎn)上。如果一個(gè)計(jì)算機(jī)的計(jì)算是nut，它就會(huì)被關(guān)閉。

辦公用（宏內(nèi)核）操作系統(tǒng)

這種系統(tǒng)通常在沒有系統(tǒng)經(jīng)費(fèi)的嵌入式項(xiàng)目中流行，但是從這篇文章的多個(gè)作者來看，這通常是不正確的，它們的邏輯是：

操作系統(tǒng)是經(jīng)過特殊封裝的重用代碼庫。如果這些代碼有用，設(shè)計(jì)人員就會(huì)節(jié)省時(shí)間和金錢，否則它們就是無用的。

商務(wù)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)沒有嵌入式硬件的接口。例如，如果要用Linux寫一個(gè)馬達(dá)控制器或者電話交換機(jī)，絕大部分的實(shí)際控制操作都是IOCTL調(diào)用，同時(shí)，正常的讀、寫和查詢界面都是無用的。所以操作系統(tǒng)對(duì)于實(shí)際的開發(fā)妨礙很大。

大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)不處理辦公事務(wù)，所以辦公操作系統(tǒng)的大部分代碼都被浪費(fèi)了。例如，絕大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)從來都不使用文件系統(tǒng)或者屏幕，所以文件系統(tǒng)和圖形用戶界面部分就是浪費(fèi)的，這些不用的代碼只會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性。

辦公用操作系統(tǒng)保護(hù)硬件不讓用戶程序操作，這就嚴(yán)重地妨礙了嵌入式開發(fā)工作。

操作系統(tǒng)必須移植到嵌入式系統(tǒng)上，也就是說，硬件驅(qū)動(dòng)程序無論如何都必須重寫，這也是操作系統(tǒng)最難的部分，所以使用這樣的操作系統(tǒng)幾乎沒有功效。

操作系統(tǒng)真正有用、可移植的特性是小段代碼。例如，一個(gè)基本的TCP/IP接口大約有3000行代碼，另外的一個(gè)例子是大約同樣大小的簡單文件系統(tǒng)。如果設(shè)計(jì)需要這些代碼，能夠使用少于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)10%的經(jīng)費(fèi)就能完成，不需要支付版權(quán)費(fèi)用，只需要簡單地重寫就可以了。如果系統(tǒng)這些代碼有足夠的通用性，嵌入式系統(tǒng)雜志封面的后面通常有公司銷售沒有版權(quán)費(fèi)的C語言實(shí)現(xiàn)代碼。

然而許多任務(wù)程師并不認(rèn)同這一點(diǎn)，嵌入式Linux越來越受到人們的歡迎，尤其是在無線路由器和全球定位系統(tǒng)這樣的功能強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)中。其中有下面一些原因：

有現(xiàn)成的移植到普通嵌入式芯片的實(shí)現(xiàn)代碼。

它們?cè)试S重用公開獲得的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)頁服務(wù)器、防火墻或者其他代碼。

開發(fā)系統(tǒng)能夠從許多特性組合開始，在發(fā)布的時(shí)候可以剔除不需要的功能，從而節(jié)約所消耗的內(nèi)存。

許多任務(wù)程師認(rèn)為在用戶模式運(yùn)行應(yīng)用程序更為可靠、更容易調(diào)試，所以開發(fā)過程更容易、代碼更易于移植。

許多嵌入式系統(tǒng)沒有控制系統(tǒng)那樣對(duì)于實(shí)時(shí)性的嚴(yán)格要求，對(duì)于許多應(yīng)用來說如嵌入式Linux這樣的系統(tǒng)的響應(yīng)速度就已經(jīng)足夠了。

要求更快的響應(yīng)速度，而不是可靠性的特性，通常放到了硬件上。

許多實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)都針對(duì)每件產(chǎn)品收取費(fèi)用，當(dāng)產(chǎn)品是消費(fèi)品時(shí)，這項(xiàng)費(fèi)用是巨大的。

Exotic custom操作系統(tǒng)

一些系統(tǒng)需要安全、及時(shí)、可靠或者高效的特性，上面的架構(gòu)卻無法達(dá)到，構(gòu)建這樣的系統(tǒng)有一些廣為人知的技巧：

雇傭一個(gè)真正的系統(tǒng)程序員。他們的花費(fèi)很小，但是能夠節(jié)約數(shù)年的調(diào)試以及相關(guān)的收入損失。

RMA（rate monotonic analysis），可以用來評(píng)估一組任務(wù)能否在特定的硬件系統(tǒng)下運(yùn)行，在最簡單的形式下，設(shè)計(jì)人員保證最快完成的任務(wù)有最高的優(yōu)先級(jí)，平均來說CPU至少有30%的空閑時(shí)間。

和諧的任務(wù)能夠高效地優(yōu)化CPU?；旧蟻碚f，設(shè)計(jì)人員保證每件工作都是從heartbeat timer開始工作的。在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上很難這樣做，因?yàn)樗鼈冊(cè)诘群蜉斎胼敵鲈O(shè)備的時(shí)候通常就會(huì)切換任務(wù)。

剛好有兩個(gè)優(yōu)先級(jí)（通常是 運(yùn)行 和 禁止中斷 ）的系統(tǒng)不能出現(xiàn)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)等候低優(yōu)先級(jí)任務(wù)釋放信號(hào)燈或者其他資源的優(yōu)先級(jí)倒置問題，

有監(jiān)視器（ monitor ）的系統(tǒng)不能出現(xiàn)死鎖。監(jiān)視器鎖住一段代碼禁止中斷和其他搶先任務(wù)。如果這個(gè)監(jiān)視器只用于一小段快速運(yùn)行的代碼，系統(tǒng)可能工作正常。如果能夠證明監(jiān)視器API在所有情況下都能夠完整運(yùn)行，例如僅僅禁止中斷，那么就不會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)掛起的情況。

這就意味著使用兩個(gè)優(yōu)先級(jí)和監(jiān)視器的系統(tǒng)是安全、可靠的，因?yàn)樗鼈儧]有死鎖和優(yōu)先級(jí)倒置的問題。如果監(jiān)視器能夠執(zhí)行到結(jié)束，那么就永遠(yuǎn)不會(huì)掛起。如果使用和諧的任務(wù)，可能還會(huì)相當(dāng)高效。然而，RMA無法描述這些系統(tǒng)，優(yōu)先級(jí)最好也不要到處都有，其中包括操作系統(tǒng)和硬件。

常見的嵌入式操作系統(tǒng)

參見嵌入式操作系統(tǒng)

Android

Firefox OS

iPhone OS

uC/OS II

FreeRTOS

uCLinux

VxWorks

pSOS

Nucleus

PalmOS

Windows CE

Windows XP Embedded

Windows Vista Embedded

嵌入式Linux

ECOS

QNX

Lynx

Symbian

Arm-Linux

RT-Thread

業(yè)界常見的開源嵌入式軟硬件系統(tǒng)

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