扬州大学硕士学位论文
嵌入式系统是融合了工程学理论、微电子学、电子工程、系统软件和应用软件等等信息学科的交叉性学科和领域，具有很高的理论和实用价值。作为一门极具价值的实用型领域和后PC时代的主要经济增长点，各大半导体厂商和软件厂商都积极的加入到嵌入式系统硬件和软件的研发和市场竞争中来。以下是主要几个大厂商的发展战略。
Wintel：在PC领域取得霸主地位的Intel正在积极进军嵌入式系统领域，Intel购买ARM公司的Liscense，结合自己的技术优势，研发出Strong ARM体系结构，用于Strong ARM-110、Strong ARM-1110、PXA210、PXA250等等用于嵌入式、无线、多媒体的超强微控制器。Microsoft配合Intel的微控制器，推出Win CE和Win CE.net，打造嵌入式领域的Wintel联盟。
Motolora：在手机市场表现不俗的龙头老大，一直专注于嵌入式系统芯片的开发。从低端68K的成功，到16 MHz 68EZ328 DragonBall在Palm上的流行，Motolora在嵌入式系统中从没有落后过。从Digital DNA到采用ARM core的DragonBall MX，Motolora仍然要保持它的领先地位。
Samsung：韩国的半导体产业取得的成就是令人瞩目的。虽然，全球半导体产业增长放缓，Hynix公司陷入困境，Samsung却有可能成为全球最大半导体厂商。通过购买ARM公司的liscense，Samsung开发出近百种ARM core微控制器，用于从PDA到通信的很多领域。最近消息表明，Samsung开发的ASIC是成功的，并且获利巨大。Samsung的s3c4510和s3c44b0在中国和世界的流行，足可以证明这一点。
TI：TI是最大的DSP提供商。DSP正在融合到嵌入式系统中。TI的OMAP将ARM CORE和DSP结合到一片ASIC上，使微控制器和DSP优势互补。
其他：3COM、Agere、Altera、ADI、Cirrus Logic、Atmel、EPSON、Hynix 、Infineon、LSI、Motorola、NS、NEC、Oki、Philips、Sharp、Triscend、TSMC、UMC等半导体厂商都正在或准备发展基于ARM核的微控制器，作为抢占嵌入式系统市场的手段。
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第二章 嵌入式系统硬件
嵌入式系统的硬件与通用的桌面计算机相比，种类要多得多。一个嵌入式系统，一般由微处理器/微控制器、MROM/EPROM/EEPROM/Flash、SRAM/DRAM/FRAM、键盘、LED/LCD/CRT显示器、触摸屏、传感器、A/D、D/A、UART、网络控制器、无线数据传输模块等构件根据应用的要求进行组合构成。
开发嵌入式系统的硬件需要熟悉硬件设计。同一种类构件可以选择不同厂商提供的产品。这就需要对某一厂商提供的产品很了解。以微控制器为例，很多厂商提供嵌入式处理器。一些大的厂商会开发出系列产品，供不同应用领域选用。即使同一个体系结构的微处理器/微控制器，也会有不同的厂商购买许可证结合自身特点进行生产，例如，MCS-51即有Atmel公司的带有Flash的89C系列、Philips公司的加有I2C总线的8XC51系列、TI公司的高速TSP 系列以及Cygnal公司的高速SOC芯片C8051F系列等。同样是高端ARM体系结构，就有Samsung和Atmel基于ARM7的不同微控制器以及Motolora的龙珠（Drangonball）芯片等。
选定了微控制器以后，就可进一步确定系统的硬件结构、软件开发工具和调试方式。
2.1 嵌入式系统处理器的发展 2.1.1 嵌入式系统的核心器件类型
1. 嵌入式微处理器
嵌入式系统的核心硬件是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点：
① 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低。
② 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。
③ 具有可扩展的处理器结构，以适应能迅速开发出符合应用性能要求的嵌入式系统需求。
④ 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW级。
2. 数字信号处理器（DSP）
数字信号处理器是一种专门用于数字信号处理的处理器，它用在有高速数字信号处理的场合。在图像处理、MPEG、通信等领域DSP有着广泛的应用。DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式系统领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。
嵌入式DSP处理器有两个发展来源，一是DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器，TI的TMS320C2000/C5000等就属于此范畴；二是在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器，例如Intel的MCS-296和Infineon(Siemens)的TriCore。
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3. 片上系统（SoC）
片上系统（SoC）全称System On a Chip。SoC不是一种处理器，而是一种开发方式。SoC的精髓是针对某一种应用，开发出集成了所需要的一切资源的单芯片系统。这些SoC是高度集成的，并且没有冗余，真正做到量体裁衣！ SoC这种开发方式的出现，得益于EDA软件的进步和可编程逻辑器件（CPLD、FPGA）的发展。使用硬件描述语言（Verilog/VHDL/SystemC），可以像编写软件一样设计硬件，综合和底层的实现都可交给高级EDA软件完成。
2.1.2 嵌入式系统的核心器件体系结构
1. CISC
复杂系统指令集计算机(CISC-Complex Instruction System Computer)的指令集复杂，但指令功能强大。Intel x86处理器属于CISC，并且不断有新的指令添加进来，如多媒体功能的MMX指令集。这类处理器功能强大，实现复杂，软件开发难度也大。 2. RISC
精简系统指令集计算机(RISC-Reduced Instruction System Computer)的指令集简单，对于复杂的功能，需要使用多条指令完成。ARM、MIPS、DLX、PIC、68K、SH8都是典型的RISC指令集。
目前流行的RISC有两类：桌面和服务器RISC和嵌入式RISC。
典型的桌面和服务器RISC有Digital Alpha、Hewlett Packard PA-RISC、IBM and Motorola PowerPC、Silicon Graphics MIPS、Sun Microsystems SPARC等。
典型的嵌入式RISC有Advanced RISC Machines ARM、Hitachi SuperH、Mitsubishi M32R、Silicon Graphics MIPS16、Microchip PIC、Motorola 68K等。
虽然，x86占据了PC的天下，而由于RISC的先进性，RISC几乎占领了整个嵌入式领域。
使用RISC的好处是，RISC指令集简单并且相似，不同的RISC之间的指令集差不多，学会了一种，掌握其它的指令集就不困难了。
2.1.3 典型的嵌入式微处理器ARM体系结构
ARM(Advanced RISC Machines)公司从1991年推出第一种嵌入式RISC内核ARM6开始至今，经过十年多坚持不懈的打造，ARM已成为世界领先的嵌入式RISC处理器知识产权（IP）提供商。
ARM处理器是一种低功耗高性能的16/32位RISC处理器。ARM允许将其他处理器通过协处理器接口进行紧耦合。它还包括几种内存管理单元的变种，包括简单的内存保护到复杂的页面层次。低功耗、精简指令系统（RISC）满足了嵌入式系统对CPU的要求，因此，在嵌入式设备如移动电话和PDA中广泛使用，正在成为开发嵌入式系统的首选。
ARM的高性能表现为其体系结构是基于RISC流水线架构， 它的指令系统和相关译码机制比那些采用微程序的复杂指令系统的计算机（CISC）简单得多。这个简化带来三个优点：
① 指令的高吞吐率
② 极其有效的实时中断响应
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③ 小的高性价比的处理器宏单元
流水线结构可以使所有的处理部件和存储器系统连续操作，典型情况是当一条指令正在被执行时，后一条指令正在被译码，第三条指令同时被从存储器中取指。
ARM结构的关键优点是能兼顾到高性能、低功耗、低价格几个方面而做得都比较好，另外具有Thumb、DSP、jazeller功能扩展[5]。
ARM 公司作为32位处理器内核的提供者，拥有100多家半导体合作伙伴，ARM core是目前消费类电子市场中市场占有量第一的CPU体系。ARM公司自己并不生产或销售芯片，它采用技术授权模式，通过出售芯片技术授权，收取授权费与技术转让费。
随着ARM/MIPS/ARC等成熟内核的推出，很多过去没有32位CPU研发能力的半导体公司进入了这一行列。
它借助于拥有的强大技术优势，在世界范围内与许多业界领先的半导体厂商和芯片设计中心、实时操作系统软件开发商、应用软件公司、电子设计自动化（EDA）工具供应商和系统公司建立合作关系，其中包括世界顶级的厂商Intel、NS、TI、Apple、Motorola、Philips、Lucent、Samsung、Hyundai、Sony和Alcatel等56 家公司。 由此可见ARM技术一定具有不可抗拒的魅力，1999年采用ARM IP核的芯片出货量就达1.8亿片，占RISC市场份额57.8%；2000年采用ARM IP核的芯片出货量更是增长到4亿片，RISC市场份额上升到74.3%，同期MIPS芯片占11.3%，Power PC芯片占3.4%。
基于相同的ARM指令集，ARM公司开发出了不同体系结构的一系列处理器，从ARM2一直到最新的ARM11。目前，主流ARM内核：ARM7、ARM7TDMI、ARM720T（MMU）、ARM9、ARM10、StrongARM/Xscale。
2.2 存储器
嵌入式系统一般需要扩展存储器，包括RAM和ROM。 通常，微处理器的存储器接口支持动态的SDRAM、EDORAM和静态的SRAM。SRAM价格昂贵，SDRAM具有最高的性能价格比。SDRAM是PC标准配件，兼容PC133标准[6]，嵌入式系统中的SDRAM和PC机内存条上使用的内存颗粒相同，由于产量大，这种内存颗粒的价格就很低，而且容易购买到。
微处理器还需要扩展ROM存储器，可以考虑的配置是ROM、PROM、EPROM、EEPROM和Flash。ROM价格低，大量的时候便宜。Flash是可以擦写的存储器，可以当固态电子硬盘使用，我们使用的优盘，就是使用的Flash存储器。
2.3 外部设备（输入设备/输出设备/存储设备/网络通信设备）
外部设备包括输入设备、输出设备、存储设备和网络通信设备。 嵌入式系统根据应用的需要，可以配置多种输入/输出设备。
典型的输入设备有：键盘、触摸屏、鼠标、条码阅读器、麦克风、视频摄像头等。 典型的输出设备有：LED、CRT、LCD显示器、打印机、扬声器、各种控制伺服机构等。
2.4 外围接口（USB/并行接口/串行接口/无线接口）
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外围接口是计算机与外部世界交互的界面。一般来说，微控制器的core与外部的交互是通过ABUS、DBUS和读/写等CBUS三总线进行，其余的外部接口（并行口、串行口、USB、IEEE 1394、Ethernet??）都是在三总线基础上扩展的外围器件，用于连接外部设备。
有些处理器（如8051），为了开发者的方便和成本的原因，还提供了并行口、串行口（UART）。更复杂的嵌入式处理器（S3C4510b），除了提供串、并行接口外，还提供了Ethernet Controller、HDLC Controller等接口。有的微处理器，还提供集成的USB接口[7]，还有的提供Bluetooth Baseband接口??。
通过集成各种不同的接口，使微处理器具有更强大的功能，同时产品的尺寸减小、可靠性提高，成本降低，这就是SoC的特点所在。
2.5 网 络
“网络就是计算机”，没有联上网络的嵌入式系统，其巨大的能力就被束缚了。所以，嵌入式系统的网络化，同样是一场革命。
网络可以分为有线和无线两种。因特网就是以有线网作为主体的网络。嵌入式系统往往是体积小巧、便携式的设备。这种设备不太适合有线连接，使用无线连接更合适。 1. 有线网络
现场总线技术：CAN[99]、LonWorks[98]、RS485。 以太网技术：IEEE802.3。 2. 无线网络:
现有的个人无线接入方式中，最热门的是蓝牙（Bluetooth）[8]。 以下是几种典型无线协议的比较表。
频率 技术 带宽 Bluetooth 2.4GHz FHSS 721Kbps Zigbee 2.4GHz DSSS 28kbps/ 250kbps 范围 功耗 <10m 很低 29/50m 极低 50m 中等 100m 中等 ? 中等 ? 中等/高 ? 中等/高 HomeRF 2.4GHz FHSS 1.6Mbps 802.11b 2.4GHz DSSS 11Mbps HyperLAN 2.4GHz GMSK 23Mbps 802.11a 5GHz OFDM ~50Mbps HyperLAN 2 5GHz OFDM ~50Mbps
不同的协议适合不同的带宽、距离、成本需求。从HomeRF向上是高带宽（1.6 Mbps以上）的传输协议，是用于无限局域网（WLAN）的应用。Bluetooth和Zigbee适合于低速率、低成本的设备连接场合。
蓝牙是一种低带宽、低功耗、近距离的传输协议。适合在一个房间的空间内使用。现有个人电脑的外设、便携式数字产品，都可以使用蓝牙技术来替代传统的连线。目前，蓝牙的价格还比较高，未来可能会有更低的价格。
另一个选择是Zigbee[8]。Zigbee的目标是功耗更低（2节AA电池使用6个月至2年），价格只有Bluetooth的一半。Zigbee组织已经完成规范的制定。预计很快会有低价格的Zigbee芯片。
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