1.1 嵌入式系统的概念与组成

本节首先介绍嵌入式系统的定义与“三要素”，其次介绍嵌入式系统的应用过程和发展趋势，最后介绍嵌入式系统的组成。

1.1.1 嵌入式系统的定义

嵌入式系统的定义有许多，但它们的真正含义基本相同，以下是具体的定义内容。

根据电气与电子工程师学会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”。

目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

也可以这样定义：嵌入式系统是一种专用的单片计算机系统，作为装置或设备的主控或监测器件，焊接在它们的印制电路板（PCB）中，完成它应具有的功能。

嵌入式系统一般由嵌入式微处理器芯片、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序4个部分组成。

嵌入式系统的3个基本要素是指“嵌入性”“专用性”“计算机系统”。嵌入性指它是以芯片的形式嵌入（潜伏）在PCB中；专用性指它是为特定的设备量身定做的软硬件系统；计算机系统是说，它虽然以芯片的形式显现，但是它具有一台计算机的软硬件功能。

目前嵌入式系统的应用无处不在，8位单片机嵌入式系统，例如MCS-51系列，在低端产品中是主流，它占整个嵌入式系统的市场份额约为70%。在中、高端产品中ARM使用占70%的份额，在移动电话、数码照相机、数字电视的机顶盒、微波炉、汽车内部的防抱死制动系统等装置或设备中都使用了ARM嵌入式系统。

1.1.2 嵌入式系统的应用过程和发展趋势

1.嵌入式系统应用过程的4个阶段

第1阶段：无操作系统阶段

MCS-51系列单片机是最早应用的嵌入式系统之一，单片机作为各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中的微控制器，用来执行一些单线程的程序，完成监测、伺服和设备指示等多种功能，一般没有操作系统的支持，程序设计采用汇编语言或C51语言。

采用汇编语言编写的程序具有效率高、占用内存少、实时性强且控制时间精准等优点。缺点是对技术人员的要求高，开发周期相对长一些。

现在使用意法半导体（ST）公司基于ARM9的ARM Cortex-M3内核产品——STM32微处理器芯片开发的实时控制设备，大部分都是在无操作系统的情况下使用C语言开发的，它比在有操作系统下开发具有更高的运行效率。目前开发要求具有强实时性的装备也是在“裸机”（无操作系统）情况下开发的。

第2阶段：简单操作系统阶段

20世纪80年代，出现了大量具有高可靠性、低功耗的嵌入式CPU。芯片上集成有CPU、I/O接口、串行接口及RAM、ROM等部件，是面向I/O设计的微控制器在嵌入式系统设计中的应用。一些简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展，程序设计人员也开始基于一些简单的“操作系统”开发嵌入式应用软件，如较为常用的μC/OS嵌入式操作系统。此时的嵌入式操作系统虽然还比较简单，但已经初步具有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高，大幅缩短了开发周期，提高了开发效率。

第3阶段：实时操作系统阶段

20世纪90年代，面对分布式控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大的市场需求，嵌入式系统飞速发展。随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩大，如实时操作系统（Real-Time Operating System，RTOS），从而使应用软件的开发变得更加简单。

第4阶段：面向Internet阶段

进入21世纪，Internet技术与信息家电、工业控制技术等的结合日益紧密，嵌入式技术与Internet技术的结合正在推动着嵌入式系统的飞速发展。由于Linux是UNIX的PC版本，具有强大的网络功能，且为开源软件，因此嵌入式Linux操作系统得到了广泛的应用。微软公司也看到了嵌入式市场的广阔前景，推出Windows CE嵌入式操作系统，对于熟悉Windows环境的开发人员来讲，也可进行基于Windows平台的嵌入式系统开发。

2.嵌入式系统的发展趋势

面对嵌入式技术与Internet技术的结合，嵌入式系统的研究和应用呈现出以下发展趋势。

1）新的微处理器层出不穷，大都朝着精简系统内核、优化关键算法、降低功耗和软硬件成本、提供更加友好的多媒体人机交互界面的方向发展。

2）Linux、Windows CE、Palm OS等嵌入式操作系统迅速发展。嵌入式操作系统自身结构的设计体现出更加便于移植的特性，具有源代码开放、系统内核小、执行效率高、网络结构完整等特点，能够在短时间内支持更多的微处理器。

3）嵌入式系统的开发成为一项系统工程，开发厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还要提供强大的硬件开发工具和软件支持包。

1.1.3 嵌入式系统的组成

嵌入式系统的组成包括嵌入式系统硬件组成和软件组成两部分。

嵌入式系统的硬件组成主要包含嵌入式处理器、外围设备接口和执行装置（被控对象）等。

嵌入式系统的软件组成，对于裸机开发来讲主要有以下内容：嵌入式处理器芯片内部三总线频率的设置、配置存储器芯片的设置；7种异常模式堆栈指针的设置；中断指针的传递程序；为C语言的运行创建环境；I/O端口的配置与控制程序、应用程序等。以上5个部分也是引导启动程序（Bootloader）的主要内容。

对于基于操作系统的嵌入式软件开发，主要包括Bootloader的移植、操作系统内核的移植、文件系统的移植、I/O设备驱动程序的编写以及加载、图形用户接口程序设计、应用程序的设计等。

嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，可以分为硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层。执行装置接收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。

嵌入式系统从整体上来讲也可以分为硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层。