1.1 嵌入式系统

1.1.1 系统

系统是一种根据固定的计划、程序或者规则进行工作、组织或者执行一项或多项任务的方式。系统也是一种工作安排方法，其所有单元能够按照一定的计划或者程序装配在一起，共同完成工作任务。

1.1.2 嵌入式系统

许多书籍都给出过嵌入式系统的定义，但是对于何为嵌入式系统，什么样的技术又可以称之为嵌入式技术，仍在讨论之中。以下给出一些文献中对于嵌入式系统的定义：

《Computers as Components——Principles of Embedded Computing System Design》一书中指出：什么是嵌入式计算系统？如果不严格地定义，它是任何一个包含可编程计算机的设备，但是它本身却不是一个通用计算机。

《Embedded Microcontrollers》一书作者认为：嵌入式系统是一种电子系统，它包含微处理器或者微控制器，但是我们不认为它们是计算机——计算机隐藏或者嵌入在系统中。

英国电动机工程师协会定义：嵌入式系统是控制、监视或辅助某个设备、机器甚至工厂运行的设备。它具备4个特征：① 用来执行特定的功能；② 以微型计算机与外围设备构成核心；③ 具有严格的时序与稳定度；④ 全自动操作循环工作。

还可以用以下文字总结嵌入式系统的概念：嵌入式系统一般指非PC系统，有计算机功能但又不称为计算机的设备，它以应用为中心，软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件和硬件于一体，类似于PC中BIOS的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“机器”或“器件”。

嵌入式系统的基本架构如图1.1所示。

1.1.3 嵌入式系统的分类

按照嵌入式系统的规模，可以将嵌入式系统分为以下三种类型。

1）小型嵌入式系统

小型嵌入式系统采用一个8位或者16位的微控制器设计；硬件和软件复杂度小，需要进行板级设计。为这些系统开发嵌入式软件时，主要的编程工具是所使用的微控制器或者微处理器专用的编辑器、汇编器和交叉汇编器等，通常利用C语言开发这些系统的软件。

2）中型嵌入式系统

中型嵌入式系统采用一个16 位或者32 位的微控制器、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）或者精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）等设计，硬件和软件复杂度都比较大。对于复杂的软件设计，可以使用如下的编程工具：实时操作系统（Real-Time Operating System，RTOS）、源代码设计工具、模拟器、调试器和集成开发环境（Integrated Development Environment，IDE）等，软件工具往往还提供了硬件复杂性的解决和分析方法。

3）复杂嵌入式系统

复杂嵌入式系统的软件和硬件都非常复杂，需要可升级的处理器或者可配置的处理器和可编程逻辑阵列（如FPGA、CPLD等器件）。它们用于特殊应用，在这些应用中，需要硬件和软件协同设计，并且都集成到最终的系统中，然而它们又受到硬件单元所提供的处理速度、存储器等资源的限制。为了解决时间问题，提高系统运行速度，可以在硬件中实现一部分软件功能，例如加密和解密算法、TCP/IP协议栈和网络驱动程序等功能。当然，系统中某些硬件资源的功能模块同样也可以用软件来实现。这些系统的开发工具一般十分昂贵，有时还需要为这些系统开发编译器或者重定目标的编译器等。

由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，所以其分类也可以从硬件和软件进行划分。从硬件方面来讲，嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器，根据其现状，嵌入式处理器可以分成嵌入式微处理器（Micro Processor Unit，MPU）、嵌入式微控制器（Microcontroller Unit, MCU）、嵌入式DSP处理器（Embedded Digital Signal Processor, EDSP）和嵌入式片上系统（System On Chip，SOC）等。

从软件方面来讲，主要依据使用的操作系统类型来分类。目前嵌入式系统的软件主要有两大类：实时系统和分时系统，其中实时系统又分为硬实时系统和软实时系统两类。