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学年论文
泉州师范学院
学年论文
题目嵌入式系统与应用
物理与信息工程学院通信工程专业07级
（2）班
学生姓名张静学号070307068
指导教师陈丹老师职称高级工程师
完成日期2010年08月25日
教务处制
嵌入式系统与应用
【摘 要】：
基于嵌入式系统的概念，首先，分析嵌入式系统的技术特点以及嵌入式系统的支撑学科与平台；再着重说明嵌入式操作系统的特点；接着，介绍目前嵌入式系统一些流行的应用。
【关键词】：
嵌入式系统；技术特点；开发技巧；嵌入式浏览器；学科体系
【abstract】:
Basedonembeddedsystem'sconcept,firstly,Analysisofthetechnicalcharacteristicsofembeddedsystemsandembeddedsystemplatformsupportingdisciplines.Secondlyemphasizestheembeddedoperatingsystem'scharacteristic.Finally,Describessomeofthepopularembeddedsystemapplications.
【keyword】:
embeddedsystem,technicalfeatures,Struts,Basedontheembeddedbrowser,accountingsciencesystem.
目录
第一章引言3
第二章嵌入式系统简介4
2.1嵌入式系统的定义4
2.2嵌入式系统的产生4
2.3嵌入式系统的组成5
2.3.1硬件层5
2.3.2中间层5
2.3.3系统软件层5
2.4嵌入式系统的特点5
2.5嵌入式操作系统的特点6
第三章嵌入式系统开发模式与流程7
3.1嵌入式系统开发模式7
3.2嵌入式系统开发流程7
第四章嵌入式系统应用及其应用实例（嵌入式浏览器）7
4.1嵌入式系统的应用领域7
4.2嵌入式浏览器8
4.2.1桌面浏览器简介及其与嵌入式浏览器的区别：
8
4.2.2常见嵌入式浏览器8
4.2.3嵌入式浏览器的应用领域9
第五章嵌入式系统的发展前景9
5.1嵌入式系统的应用前景9
5.2网络互联成为必然趋势10
5.2精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本11
5.3提供友好的多媒体人机界面11
第六章嵌入式系统学习11
6.1嵌入式系统的四个支柱学科11
6.1.1四个支柱学科的关系11
6.1.2领衔的微电子学科11
6.1.3为平台服务的计算机学科11
6.1.4广泛服务的电子技术学科12
6.1.5对象学科的最终出路12
6.2平台模式下的学科12
6.2.1平台的由来12
6.2.2嵌入式系统的平台模式12
6.2.3平台模式下的学科定位与分工12
参考文献13
第一章引言
据估计，全球目前嵌入式软件市场的规模超过1000亿美元，而且每年以超过30%的速度在增长。
在中国，嵌入式市场规模已超过500多亿元，预计未来三年中国嵌入式软件产业仍将有高达40%左右的年增长率，而到2010年中国嵌入式软件市场规模将达到1000亿元。
诱人的市场使得全球IT巨头纷纷进军嵌入式市场，国家政策也对嵌入式软件行业实行“增值税优惠”的政策倾斜。
嵌入式已经形成了一个充满商机的巨大产业，并且成为整个软件业的发展支柱！
技术以人为本，嵌入式行业正以其“应用领域广、人才需求大、就业薪资高、行业前景好”等众多优势，获得越来越多IT开发人员的关注，无数研发工程师开始转入嵌入式这一行业。
本论文正是以此为出发点，从了解嵌入式到应用嵌入式作详尽的介绍。
第二章嵌入式系统简介
2.1嵌入式系统的定义
IEEE（国际电气和电子工程师协会）对嵌入式系统的定义：
“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为：
DevicesUsedtoControl，MonitororAssisttheOperationofEquipment，MachineryorPlants）。
这主要是从应用对象上加以定义，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。
国内普遍认同的嵌入式系统定义为：
以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。
可以这样认为，嵌入式系统是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。
通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是是由单个程序实现整个控制逻辑。
总而言之：
嵌入式系统是一种“完全嵌入到受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”。
2.2嵌入式系统的产生
嵌入式系统诞生于微型机时代，经过微型计算机的嵌入式专用化的短暂探索后，便进入到嵌入式系统独立的微控制器发展时代。
直接在嵌入式处理器与外围集成电路技术基础上发展的带处理器内核的单片机，即微控制器的智能化电子系统。
即便有处理器内核，也是嵌入式处理器而非通用微处理器。
无论是工控机，还是单板机，都无法彻底地满足嵌入式系统的微小体积、极低价位、高可靠性的要求。
人们便直接将微型计算机体系结构进行简化，集成到一个半导体芯片中，做成单片微型计算机。
Motolora公司801系列就是由6800系列微型机简化后集成的单片微型计算机。
单片微型计算机彻底解决了嵌入式系统的极小体积、极低价位，但在高可靠性及对象可控性方面没有本质上的改进。
要摆脱“专用计算机”羁绊，就必须寻求新的技术的开发与应用。
嵌入式系统的微控制器（MCU）发展道路，是一条摆脱“专用计算机”羁绊，独立发展的道路。
这是一条由IntelMCS51单片机、iDCX51实时多任务操作系统开辟的单片机独立发展的道路。
MCS51是一个在微电子学、集成电路基础上，按照嵌入式应用要求，原创的嵌入式处理器。
MCS51原创的体系结构、控制型的指令系统与布尔空间、外部总线方式、特殊功能寄存器（SFR）的管理模式，奠定了嵌入式系统的硬件结构基础；iDCX51是专门与MCS51单片机配置，满足嵌入式应用要求原创的实时多任务操作系统。
2.3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，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SONY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的动作和感受各种状态信息。
图1.嵌入式系统组成
2.3.1硬件层
从上图可以看出硬件层主要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（A/D、D/A、I/O等）。
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。
2.3.2中间层
硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（HardwareAbstractLayer，HAL）或板级支持包（BoardSupportPackage，BSP），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BSP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。
2.3.3系统软件层
系统软件层由实时多任务操作系统（Real-timeOperationSystem，RTOS）、文件系统、图形用户接口（GraphicUserInterface，GUI）、网络系统及通用组件模块组成。
RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。
2.4嵌入式系统的特点
嵌入式系统可以称为后PC时代和后网络时代的新秀。
与传统的通用计算机，数字产品相比，利用嵌入式技术的产品有其自己的特点：
（1）．由于嵌入式系统采用的是微处理器，实现相对单一的功能，采用独立的操作系统，所以往往不需要大量的外围器件。
因而在体积上，功耗上有其自身的优势。
相比之下，一个使用WindowsCE的PDA，仅靠机内电源就可以使用几天，而任何一台笔记本仅仅能够支持3小时左右。
（2）．嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物，是一门综合技术学科。
由于空间和各种资源相对不足，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。
（3）．嵌入式系统是一个软硬件高度结合的产物。
为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。
片上系统，板上系统的实现，使得以pda等为代表的这类产品拥有更加熟悉的操作界面和操作方式，比着传统的商务通等功能更加完善，实用。
（4）．为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向21世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。
针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通信接口,相应需要TCP/IP协议簇软件支持；由于家用电器相互关联（如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息）及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。
为了支持应用软件的特定编程模式，如Web或无线Web编程模式，还需要相应的浏览器，如HTML、WML等。
（5）．因为嵌入式系统往往和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。
2.5嵌入式操作系统的特点
（1）可裁剪
入式操作系统可以根据产品的需求进行裁剪。
也就是说，某产品可以只使用很少的几个系统调用，而另一个产品则可能使用了几乎所有的系统调用。
这样可以减少操作系统内核所需的存储器空间（RAM和ROM）。
（2）强实时性
多数嵌入式操作系统都是硬实时的操作系统，抢占式的任务调度机制。
（3）统一的接口
对不同的CPU，如ARM、PowerPC、x86等，嵌入式操作系统都提供了统一接口。
而且很多的嵌入式操作系统还支持POSIX规范，如Nucleus、Vxworks、OSE、RTlinux等，这样在Linux或Unix上编写的应用程序可直接移植到目标板上。
（4）操作方便、简单、提供友好的图形用户界面GUI
数嵌入式操作系统操作方便、简单，并提供友好的图形用户界面GUI。
（5）提供强大的网络功能
一般商用的嵌入式操作系统都带有网络模块，可以支持TCP/IP协议及其他协议，如NucleusNet，而且这些网络模块都是可裁剪的，尺寸小、性能高。
（6）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，这就要负责系统管理的嵌入式操作系统具有较强的稳定性。
嵌入式操作系统的用户接口一般不提供操作命令，它通过系统的调用命令向用户程序提供服务。
（7）固化代码
在嵌入式系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系统的ROM中。
辅助存储器在嵌入式系统中很少使用。
（8）良好的移植性
嵌入式操作系统能移植到绝大多数8位、16位、32位以至64位微处理器、微控制器及数字信号处理器（DSP）上运行。
第三章嵌入式系统开发模式与流程
3.1嵌入式系统开发模式
嵌入式系统开发分为软件开发部分和硬件开发部分。
嵌入式系统在开发过程一般都采用如图5-3所示的“宿主机/目标板”开发模式，即利用宿主机（PC机）上丰富的软硬件资源及良好的开发环境和调试工具来开发目标板上的软件，然后通过交叉编译环境生成目标代码和可执行文件，通过串口/USB/以太网等方式下载到目标板上，利用交叉调试器在监控程序运行，实时分析，最后，将程序下载固化到目标机上，完成整个开发过程。
计上，结合ARM硬件环境及ADS软件开发环境所设计的嵌入式系统开发，整个开发过程基本包括以下几个步骤：
（1）源代码编写：
编写源C/C++及汇编程序；
（2）程序编译：
通过专用编译器编译程序；
（3）软件仿真调试：
在SDK中仿真软件运行情况；
（4）程序下载：
通过JTAG、USB、UART方式下载到目标板上；
（5）软硬件测试、调试：
通过JTAG等方式联合调试程序；
（6）下载固化：
程序无误，下载到产品上生产。
3.2嵌入式系统开发流程
当前，嵌入式开发已经逐步规范化，在遵循一般工程开发流程的基础上，嵌入式开发有其自身的一些特点。
主要包括系统需求分析（要求有严格规范的技术要求）、体系结构设计、软硬件及机械系统设计、系统集成、系统测试，最终得到最终产品。
（1）系统需求分析：
确定设计任务和设计目标，并提炼出设计规格说明书，作为正式设计指导和验收的标准。
系统的需求一般分功能性需求和非功能性需求两方面。
功能性需求是系统的基本功能，如输入输出信号、操作方式等；非功能需求包括系统性能、成本、功耗、体积、重量等因素。
（2）体系结构设计：
描述系统如何实现所述的功能和非功能需求，包括对硬件、软件和执行装置的功能划分，以及系统的软件、硬件选型等。
一个好的体系结构是设计成功与否的关键。
（3）硬件/软件协同设计：
基于体系结构，对系统的软件、硬件进行详细设计。
为了缩短产品开发周期，设计往往是并行的。
嵌入式系统设计的工作大部分都集中在软件设计上，采用面向对象技术、软件组件技术、模块化设计是现代软件工程经常采用的方法。
（4）系统集成：
把系统的软件、硬件和执行装置集成在一起，进行调试，发现并改进单元设计过程中的错误。
（5）系统测试：
对设计好的系统进行测试，看其是否满足规格说明书中给定的功能要求。
第四章嵌入式系统应用及其应用实例（嵌入式浏览器）
4.1嵌入式系统的应用领域
嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括：
（1）工业控制：
基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展，目前已经有大量的8、16、32位嵌入式微控制器在应用中，网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途径，如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。
（2）交通管理：
在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌GPS模块，GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。
目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元，就可以随时随地找到你的位置。
（3）信息家电：
冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。
即使你不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控制。
在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。
（4）家庭智能管理系统：
水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高，更准确和更安全的性能。
目前在服务领域，如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势。
（5）POS网络及电子商务：
公共交通无接触智能卡（ContactlessSmartcard,CSC）发行系统，公共电话卡发行系统，自动售货机，各种智能ATM终端将全面走入人们的生活，到时手持一卡就可以行遍天下。
以及环境工程与自然、嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化、嵌入式系统在机电产品方面的应用等等方面具有光明的发展前景。
4.2嵌入式浏览器
4.2.1桌面浏览器简介及其与嵌入式浏览器的区别：
常见的桌面浏览器有微软的InternetExplorer，网景的Netscape，开放源码的Mozilla，以及opera，mosaic，Hotjava，字符模式的lynx等。
其中IE，Opera已有嵌入式版本，以上的大多数浏览器均有跨多平台的版本。
这些桌面型浏览器功能参差不齐，但大多能实现基本的浏览功能。
其中IE与Netscape对HTML页面的显示效果均堪称完美（对于XML，WML等标准的网页浏览，本文不予讨论）。
与完美的浏览效果，功能丰富，支持多种媒体格式和视音频插件等优点形成对立的是，这些浏览器庞大的体积和对机器配置的高要求。
这也是桌面浏览器和嵌入式浏览器最大的区别。
另外，桌面型浏览器通常是基于通用的操作系统，用于桌面电脑如PC机、MAC机等。
而嵌入式浏览器通常基于专用系统。
需要指出的是，我们在网上常看到的一些所谓的优秀浏览器，如Netcaptor，魔装网神，腾讯，飓风，Fantasia，金山WPSoffice的浏览器等等，均为使用IE内核的浏览器，使用了多页面多线程的方式，降低了系统资源的耗费，方便了浏览，但软件本身没有多少技术可言，可以用Delphi，VB等工具轻易开发出来（如果不要求完善的功能，只需简单到拖一个IE控件过去就行了），这也体现了微软的COM+及ActiveX技术的强大。
4.2.2常见嵌入式浏览器
（1）InternetExplorerforWinCE，是IE的WindowsCE版，这也意味着用户为了使用它，必须选用基于WinCE平台的产品，随着微软势力在掌上终端领域的蔓延，WinCE版的IE必将大行其道。
（2）AccessNetfront，Access是日本的浏览器大厂，占据了大部份的日本浏览器市场，其产品广泛应用于手持设备、机顶盒、游戏机等产品。
经试用，发现Netfront浏览效果非常好，对中文的支持和表格的显示效果，甚至超过Netscape4.6forLinux。
而且支持键盘操作。
可以使用箭头键来选择网址进行跳转。
但显然为了简化设计，Netfront使用了一定的权宜手段。
比如它不支持使用标记来设置字体，也不支持样式表，所有字体的大小是固定的，但一般情况不易发现，不过由于Linux版本不是商业性版本，无法就此推断其他版本的特性。
NetfrontLinux版大小为1.9M，如再加以简化（比如去掉一些图片按钮）可以做的更小。
（3）Gzilla，现名Dillo，是基于Linux，使用GTK作为GUI平台开发的浏览器，其开发目的也包含嵌入式的应用。
是开放源码项目。
我们在设计NetbitBrowser时主要参考了该浏览器的界面设计。
该浏览器的缺点是不支持表格，布局过于简单，不支持中文，浏览效果比较差，优点是网络功能完善，支持cache缓冲，能够支持多种图片格式。
（4）Viewml，使用FLTK作为GUI平台开发的浏览器，主要面向嵌入式的应用。
是开放源码项目。
使用C++面向对象的设计。
因为使用FLTK，所以可以在嵌入式的MicroWindow平台运行，该浏览器支持简单的表格，界面还没有做（只有一个主窗口），不支持中文，由于FLTK的BUG比较多，我们在实际编译时经常出错，即使编译通过，也常常是还没运行就coredump了，但曾经由某人编译成功，基本可用。
（5）ZEN，一个并不知名的嵌入式浏览器，但却十分优秀，开放源码项目，不仅支持表格，支持多种图像格式，而且在设计上很有特色，将涉及到GUI平台的部分独立出来，用户可以指定不同的GUI平台运行，内置了对字符，SVGA和GTK的支持，开发这只需按照相应规范编写该软件的涉及GUI的部份，就可以将其移植到其它GUI平台，而无须对整个软件进行修改。
缺点是网络功能比较弱，不支持多线程，另外其必须等到所有图片下载完毕才开始布局，若某文件传输失败则会导致死锁，需用户中断。
4.2.3嵌入式浏览器的应用领域
嵌入式浏览器主要应用于手持终端和信息家电，例如掌上电脑、3G手机、网络机顶盒、具有网络功能的其它家电，如可上网的电冰箱等，另外，在军事等领域也有一定的应用需求。
第五章嵌入式系统的发展前景
信息时代，数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机，为嵌入式市场展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战，从中我们可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势：
嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。
网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高，使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂。
5.1嵌入式系统的应用前景
嵌入式控制器的应用几乎无处不在:
移动电话、家用电器、汽车……无不有它的踪影。
嵌入控制器因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点,其应用已深入到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域,对各行各业的技术改造、产品更新换代、加速自动化化进程、提高生产率等方面起到了极其重要的推动作用。
嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机,一台通用计算机的外部设备中就包含了5-10个嵌入式微处理器。
在制造工业、过程控制、网络、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。
嵌入式系统工业是专用计算机工业,其目的就是要把一切变得更简单、更方便、更普遍、更适用;通用计算机的发展变为功能电脑,普遍进入社会,嵌入式计算机发展的目标是专用电脑,实现“普遍化计算”,因此可以称嵌入式智能芯片是构成未来世界的“数字基因”。
正如我国资深嵌入式系统专家—沈绪榜院士的预言,“未来十年将会产生头大小、具有超过一亿次运算能力的嵌入式智能芯片”,将为我们提供无限的创造空间。
总之“嵌入式微控制器或者说单片机好象是一个黑洞,会把当今很多技术和成果吸引进来。
中国应当注意发展智力密集型产业”。
5.2网络互联成为必然趋势
市场研究公司IDC就预测，中国的嵌入式系统市场目前正在以年均30%的高速度增长。
嵌入式系统目前已经取代PC和笔记本电脑成为中国电子工业高速发展的主要推动力量。
数字家庭、移动通信和移动娱乐将是中国今年嵌入式系统应用市场的发展重点，其中手机和MP3播放机的增长潜力最大，数码相机市场可望有一个较大的飞跃，HDTV市场国家正在大力推动，DVD播放机和录像机将走向普及，新兴的便携式多媒体播放机将看到它的第一线曙光。
此外，汽车电子、医疗电子、军用电子和工业自动化领域也正在为嵌入式系统提供越来越多的发展商机。
未来的几年内，随着信息化，智能化，网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空间。
美国著名未来学家尼葛洛庞帝99年1月访华时预言，4～5年后嵌入式智能（电脑）工具将是PC和因特网之后最伟大的发明。
进入20世纪90年代，嵌入式技术全面展开，目前已成为通信和消费类产品的共同发展方向。
在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。
在广播电视领域，美国已开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的DVB（数字电视广播）技术已在全球大多数国家推广。
数字音频广播（DAB）也已进入商品化试播阶段。
而软件、集成电路和新型元器件在产业发展中的作用日益重要。
所有上述产品中，都离不开嵌入式系统技术。
象前途无可计量的维纳斯计划生产机顶盒，核心技术就是采用32位以上芯片级的嵌入式技术。
在个人领域中，嵌入式产品将主要是个人商用，作为个人移动的数据处理和通讯软件。
由于嵌入式设备具有自然的人机交互
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