7个简单易操作使用技巧大幅提升你的嵌入式系统可靠性（附嵌入式系统知识讲义）.docx

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1、一个正式的嵌入式开发工程师是一个艰辛的过程。从规范完善的开发周期到严格执行和系统检查，开发高可靠性嵌入式系统的技术有许多种。本文介绍7个易操作且可以长久使用的技巧，它们对于确保系统更加可靠地运行并捕获异常行为大有帮助。技巧1：用已知值填充ROM软件开发人员往往都是非常乐观的一群人，只要让他们的代码忠实地长时间地运行就可以了，仅此而已。微控制器跳出应用程序空间并在非预想的代码空间中执行这种情况似乎是相当少有的。然而，这种情况发生的机会并不比缓存溢出或错误指针失去引用少。它确实会发生！发生这种情况后的系统行为将是不确定的，因为默认情况下内存空间都是OxFF,或者由于内存区通常没有写过，其中的值可能

2、只有上帝才知道。不过有相当完备的Iinker或IDE技巧可以用来帮助识别这样的事件并从中恢复系统。技巧就是使用FlLL命令对未用RoM填充已知的位模式。要填充未使用的内存，有很多不同的可能组合可以使用，但如果是想建立更加可靠的系统，最明显的选择是在这些位置放置ISRfaUlthandlero如果系统出了某些差错，处理器开始执行程序空间以外的代码，就会触发ISR,并在决定校正行动之前提供储存处理器、寄存器和系统状态的机会。技巧2：检查应用程序的CRC对嵌入式工程师来说一个很大的好处是，我们的IDE和工具链可以自动产生应用程序或内存空间校验和（Checksum）,从而根据这个校验和验证应用程序是否

3、完好。有趣的是，在许多这些案例中，只有在将程序代码加载到设备时，才会用到校验和。然而，如果CRC或校验和保持在内存中，那么验证应用程序在启动时（或甚至对长时间运行的系统定期验证），是否仍然完好是确保意外之事不会发生的极好途径。现在一个编程过的应用程序发生改变的概率是很小的，但考虑每年交付的数十亿个微控制器以及可能恶劣的工作环境，应用程序崩溃的机会并不是零。更有可能的是，系统中的一个缺陷可能导致某一扇区发生闪存写入或闪存擦除，从而破坏应用程序的完整性。技巧3：在启动时执行RAM检查为了建立一个更加可靠和扎实的系统，确保系统硬件正常工作非常重要。毕竟硬件会发生故障（幸运的是软件永远不会发生故障，软

4、件只会做代码要它做的事，不管是正确的还是错误的）。在启动时验证RAM的内部或外部没有问题，是确保硬件可以如预期般运作的一个好方法。有许多不同的方法可用于执行RAM检查，但常用的方法是写入一个已知的模式，然后等上一小段时间再回读。结果应该是所读就是所写。真相是，在大多数情况下RAM检查是通过的，这也是我们想要的结果。但也有极小的可能性检查不通过，这时就为系统标示出硬件问题提供了极好的机会。技巧4：使用堆栈监视器对许多的嵌入式开发者而言，堆栈似乎是一股相当神秘的力量。当奇怪的事情开始发生，工程师终于被难倒了，他们开始思考，也许堆栈中发生了什么事。结果是盲目地调整堆栈的大小和位置等等。但该错误往往是

5、与堆栈无关的，但怎能如此确定？毕竟，有多少工程师真的实际执行过最坏情况下的堆栈大小分析？堆栈大小是在编译时就静态分配好的，但堆栈是以动态的方式使用的。随着代码的执行,应用程序需要的变量、返回的地址和其它信息被不断存储在堆栈中。这种机制导致堆栈在其分配的内存中不断增长。然而，这种增长有时会超出编译时确定的容量极限，导致堆栈破坏相邻内存区域的数据。绝对确保堆栈正常工作的一种方法是实现堆栈监视器,将它作为系统“保健”代码的一部分（有多少工程师会这样做？）o堆栈监视器会在堆栈和“其它”内存区域之间创建一个缓冲区域，并填充已知的位模式。然后监视器会不断的监视图案是否有任何变化。如果该位模式发生了改变，那

6、就意味着堆栈增长得太大了，即将要把系统推向黑暗地狱！此时监视器可以记录事件的发生、系统状态以及任何其它有用的数据，供日后用于问题的诊断。大多数实时操作系统（RTOS）或实现了内存保护单元（MPU）的微控制器系统中都提供有堆栈监视器。可怕的是，这些功能默认都是关闭状态，或者经常被开发人员有意关闭。在网络上快速搜寻一下可以发现，很多人建议关闭实时操作系统中的堆栈监视器以节省56字节的闪存空间。等等，这可是得不偿失的做法！技巧5：使用MPU在过去，是很难在一个小而廉价的微控制器中找到内存保护单元（MPU）的，但这种情况已经开始改变。现在从高端到低端的微控制器都已经有MPU,而这些MPU为嵌入式软件开

7、发人员提供了一个可以大幅提高其固件（firmware）鲁棒性（robustness）的机会。MPU已逐渐与操作系统耦合，以便建立内存空间，其中的处理都分开，或任务可执行其代码，而不用担心被StomPedon。倘若真有事情发生，不受控制的处理会被取消，也会执行其他的保护措施。请留意带有这种组件的微控制器，如果有，请多加利用它的这种特性。技巧6：建立一个强大的看门狗系统你经常会发现的一种总是最受喜爱的看门狗（WatChdOg）实现是，在看门狗被启用之处（这是一个很好的开始），但也是可以用周期性定时器将该看门狗清零之处；定时器的启用是完全与程序中出现的任何情况隔离的。使用看门狗的目的是协助确保如果出

8、现错误，看门狗不会被清零，即当工作暂停，系统会被迫去执行硬件重设定（hardwarereset）,以便恢复。使用与系统活动独立的定时器可以让看门狗保持清零，即使系统已失效。对应用任务如何整合到看门狗系统中，嵌入式开发人员需要仔细考虑和设计。例如，有种技术可能可以让每个在一定时期内运行的任务标示它们可以成功地完成其任务。在此事件中，看门狗不被清零，强制被复位。还有一些比较先进的技术，像是使用外部看门狗处理器，它可用来监视主处理器如何表现，反之亦然。对一个可靠的系统而言，建立一个强大的看门狗系统是很重要的。由于有太多的技术，难以在这几个段落中完全涵盖，但针对此一议题，笔者未来还会发表相关的文章。技

9、巧7：避免易失存储器分配不习惯在资源有限环境下工作的工程师，可能会试图使用其编程语言的特性，这种语言让他们可以使用易失存储器分配。毕竟，这是一种常在计算器系统中使用的技术，在计算器系统中，只有在有必要时，内存才会被分配。例如，以C开发时，工程师可能倾向于使用maoc来分配在堆（heap）上的空间。有一个操作会执行，一旦完成，可以使用free将被分配的内存返回，以便堆的使用。在资源受限的系统，这可能是一场灾难！使用易失存储器分配的其中一个问题是,错误或不当的技术可能会导致内存泄漏或内存碎片，如果出现这些问题时，大多数的嵌入式系统并没有资源或知识来监视堆或妥善地处理它。而当它们发生时，如果应用程序

10、提出对空间的要求，但却没有所请求的空间可以使用，会发生什么事呢？使用易失存储器分配所产生的问题是很复杂的，要妥善处理这些问题，可以说是一个噩梦！一种替代的方法是，直接以静态的方式，简化内存的分配。例如，只要在程序中简单地建立一个大小为256字节长的缓冲区，而不是经由malloc请求这样大小的内存缓冲区。此一分配的内存可在整个应用程序的生命周期期间保持，且不会有堆或内存碎片问题方面的顾虑。结论所有这些技术都是让设计者可以开发出可靠性更高的嵌入式系统的秘诀。入式系统(Embeddedsystem),是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”，根据英国电气工程师协会(U.K.I

11、nstitutionofElectricalEngineer)的定义，嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。与个人计算机这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务，设计人员能够对它进行优化，减小尺寸降低成本。嵌入式系统通常进行大量生产，所以单个的成本节约，能够随着产量进行成百上千的放大。1嵌入式系统的核心是由一个或几个预先编程好以用来执行少数几项任务的微处理器或者单片机组成。与通用计算机能够运行用户选择的软件不同，嵌入式系统上的软件通常是暂时不变的；所以经常称为“固件工国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以

12、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。引嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。因此可以这样理解上述三个面向的含义，即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。例如Palm之所以在PDA领域占有70%

13、以上的市场，就是因为其立足于个人电子消费品，着重发展图形界面和多任务管理；而风河的Vxworks之所以在火星车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几K到几十K微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减，但是由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利的进行。实际上，嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，

14、而且有时很难以给它下一个准确的定义。现在人们讲嵌入式系统时，某种程度上指近些年比较热的具有操作系统的嵌入式系统，本文在进行分析和展望时，也沿用这一观点。一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输出(I/O)和软件(由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合的，在这里我们对其不加区分，这也是嵌入式系统和一般的PC操作系统的最大区别)。嵌入式系统(Embeddedsystem),是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”，根据英国电气工程师协会(U.K.InstitutionofElectricalEngineer)的定义，嵌入式系统为控制、监

15、视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。与个人计算机这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务，设计人员能够对它进行优化，减小尺寸降低成本。嵌入式系统通常进行大量生产，所以单个的成本节约，能够随着产量进行成百上千的放大。嵌入式系统是用来控制或者监视机器、装置、工厂等大规模设备的系统。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。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设

16、备，如手表、微波炉、录像机、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由单个程序实现整个控制逻辑。嵌入式系统的核心是由一个或几个预先编程好以用来执行少数几项任务的微处理器或者单片机组成。与通用计算机能够运行用户选择的软件不同，嵌入式系统上的软件通常是暂时不变的；所以经常称为“固件工历史发展从20世纪七十年代单片机的出现到各式各样的嵌入式微处理器，微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近30年的发展历史。嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。70年代单片机的出现，使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能：更容

17、易使用、更快、更便宜。这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只是使用8位的芯片，执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的概念。最早的单片机是Intel公司的8048,它出现在1976年。Motorola同时推出了68HC05,ZilOg公司推出了Z80系列，这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4K的RoM、4个8位并口、1个全双工串行口、两个16位定时器。之后在80年代初，Intel又进一步完善了8048,在它的基础上研制成功了8051,这在单片机的历史上是值得纪念的一页，迄今为止，51系列的单片机仍然是最为成功的单片机芯片，在各种产品中有着非常广泛的应用。从80年代早期

18、开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写嵌入式应用软件，这使得可以获取更短的开发周期，更低的开发资金和更高的开发效率，“嵌入式系统”真正出现了。确切点说，这个时候的操作系统是一个实时核，这个实时核包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。其中比较著名的有ReadySystem公司的VRTX、IntegratedSystemIncorporation(ISl)的PSoS和IMG的VXWorks、QNX公司的QNX等。这些嵌入式操作系统都具有嵌入式的典型特点：它们均采用占先式的调度，响应的时间很短，任务执行的时间可以确定；系统内

19、核很小，具有可裁剪，可扩充和可移植性，可以移植到各种处理器上；较强的实时和可靠性，适合嵌入式应用。这些嵌入式实时多任务操作系统的出现，使得应用开发人员得以从小范围的开发解放出来，同时也促使嵌入式有了更为广阔的应用空间。90年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时核逐渐发展为实时多任务操作系统(RTOS),并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。这时候更多的公司看到了嵌入式系统的广阔发展前景，开始大力发展自己的嵌入式操作系统。除了上面的几家老牌公司以外，还出现了PalmOS,WinCE,嵌入式LinUX,Lynx,Nucleux,以及国内的HOPen,DeItae)S

20、等嵌入式操作系统。随着嵌入式技术的发展前景日益广阔，相信会有更多的嵌入式操作系统软件出现。特点嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。因此可以这样理解上述三个面向的含义，即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。例如PaIm之所以在PDA领域占有70%以上的市场，就是因为其立足

21、于个人电子消费品，着重发展图形界面和多任务管理；而风河的Vxworks之所以在火星车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几K到几十K微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减，但是由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利的进行。实际上，嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，而且有时很难以给它下一个准

22、确的定义。现在人们讲嵌入式系统时，某种程度上指近些年比较热的具有操作系统的嵌入式系统，本文在进行分析和展望时，也沿用这一观点。一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输出(VO)和软件(由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合的，在这里我们对其不加区分，这也是嵌入式系统和一般的PC操作系统的最大区别)。这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因主要有几个方面：一是芯片技术的发展，使得单个芯片具有更强的处理能力，而且使集成多种接口已经成为可能，众多芯片生产厂商已经将注意力集中在这方面。另一方面的原因就是应用的需要，由于对产品可靠性、成本、更新换代要求的提高，使得嵌入

23、式系统逐渐从纯硬件实现和使用通用计算机实现的应用中脱颖而出，成为近年来令人关注的焦点。从上面的定义，我们可以看出嵌入式系统的几个重要特征：1 .系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如Enea公司的OSE分布式系统，内核只有5K,而WindOWS的内核？简直没有可比性。2 .专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合

24、，这种修改和通用软件的“升级”是完全两个概念。3 .系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。4 .高实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储，以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。5 .嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS(Real-TimeOperatingSystem)开发平台，这样才能保

25、证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。6 .嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。7 .嵌入式系统与具体应用有机结合在一起，升级换代也是同步进行。因此，嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。8 .为了提高运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

26、器芯片中。系统组成简介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。硬件层硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器(SDRAM、ROM、FIaSh等)、通用设备接口和I/O接口(A/D、D/A、I/O等)。在一片嵌入

27、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。1、嵌入式微处理器嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器与通用CPU最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将通用CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯诺依曼体系或哈佛体系结构；指令系统可以选用精简指令系统(ReducedInstructionSetComputer,RISC)和复杂指令系统CISC（ComplexI

28、nstructionSetComputer,ClSOoRlSC计算机在通道中只包含最有用的指令，确保数据通道快速执行每一条指令，从而提高了执行效率并使CPU硬件结构设计变得更为简单。嵌入式微处理器有各种不同的体系，即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度，或集成了不同的外设和接口。据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理器已经超过IOoo多种，体系结构有30多个系列，其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但与全球PC市场不同的是，没有一种嵌入式微处理器可以主导市场，仅以32位的产品而言，就有100种以上的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用

29、而决定的。2、存储器嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码。嵌入式系统的存储器包含Cache,主存和辅助存储器。1CacheCache是一种容量小、速度快的存储器阵列它位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。在需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能的从CaChe中读取数据，而不是从主存中读取,这样就大大改善了系统的性能,提高了微处理器和主存之间的数据传输速率。Caehe的主要目标就是：减小存储器（如主存和辅助存储器）给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快，实时性更强。在嵌入式系统中Cache全部集成在嵌入式微处理器内，可分为数据Cach

30、e指令CaChe或混合CaChe,CaChe的大小依不同处理器而定。一般中高档的嵌入式微处理器才会把Cache集成进去。2主存主存是嵌入式微处理器能直接访问的寄存器，用来存放系统和用户的程序及数据。它可以位于微处理器的内部或外部，其容量为256KB1GB,根据具体的应用而定，一般片内存储器容量小，速度快，片外存储器容量大。常用作主存的存储器有：ROM类NORFlash、EPROM和PROM等。RAM类SRAM、DRAM和SDRAM等。其中NORHash凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。3辅助存储器辅助存储器用来存放大数据量的程序代码或信息

31、，它的容量大、但读取速度与主存相比就慢的很多，用来长期保存用户的信息。嵌入式系统中常用的外存有：硬盘、NANDFlash、CF卡、MMC和SD卡等。3、通用设备接口和I/O接口嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口，如A/D、D/A、I/O等，外设通过和片外其他设备的或传感器的连接来实现微处理器的输入/输出功能。每个外设通常都只有单一的功能，它可以在芯片外也可以内置芯片中。外设的种类很多，可从一个简单的串行通信设备到非常复杂的802.11无线设备。目前嵌入式系统中常用的通用设备接口有A/D（模/数转换接口）、D/A（数/模转换接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口）、Eth

32、emet（以太网接口）、USB（通用串行总线接口）、音频接口、VGA视频输出接口、I2C（现场总线）、SPl(串行外围设备接口)和IrDA(红外线接口)等。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。BSP具有以下两个特点。硬件相关性：因为嵌入式实时系

33、统的硬件环境具有应用相关性，而作为上层软件与硬件平台之间的接口，BSP需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。操作系统相关性：不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此，不同的操作系统具有特定的硬件接口形式。实际上，BSP是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：嵌入式系统的硬件初始化以及BSP功能，设计硬件相关的设备驱动。1、嵌入式系统硬件初始化系统初始化过程可以分为3个主要环节，按照自底向上、从硬件到软件的次序依次为：片级初始化、板级初始化和系统级初始化。片级初始化完成嵌入式微处理器的初始化，包括设置

34、嵌入式微处理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微处理器核心工作模式和嵌入式微处理器的局部总线模式等。片级初始化把嵌入式微处理器从上电时的默认状态逐步设置成系统所要求的工作状态。这是一个纯硬件的初始化过程。板级初始化完成嵌入式微处理器以外的其他硬件设备的初始化。另外，还需设置某些软件的数据结构和参数，为随后的系统级初始化和应用程序的运行建立硬件和软件环境。这是一个同时包含软硬件两部分在内的初始化过程。系统初始化该初始化过程以软件初始化为主，主要进行操作系统的初始化。BSP将对嵌入式微处理器的控制权转交给嵌入式操作系统，由操作系统完成余下的初始化操作，包含加载和初始化与硬件无关的设备驱动程序，建立

35、系统内存区，加载并初始化其他系统软件模块，如网络系统、文件系统等。最后，操作系统创建应用程序环境，并将控制权交给应用程序的入口。2、硬件相关的设备驱动程序BSP的另一个主要功能是硬件相关的设备驱动。硬件相关的设备驱动程序的初始化通常是一个从高到低的过程。尽管BSP中包含硬件相关的设备驱动程序，但是这些设备驱动程序通常不直接由BSP使用，而是在系统初始化过程中由BSP将他们与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来，并在随后的应用中由通用的设备驱动程序调用，实现对硬件设备的操作。与硬件相关的驱动程序是BSP设计与开发中另一个非常关键的环节。系统软件层系统软件层由实时多任务操作系统(RealTimeO

36、perationSystem,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。嵌入式操作系统嵌入式操作系统(EmbeddedOperationSystem,EOS)是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用与工业控制和国防系统领域。EOS负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。目前，已推出一些应用比较成功的EOS产品系列。随着Internet技术的发展、信息家电的普及应用及EOS的微型化和专

37、业化，EOS开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。EOS是相对于一般操作系统而言的，它除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等外，还有以下特点：(1)可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。(2)强实时性。EOS实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。(3)统一的接口。提供各种设备驱动接口。(4)操作方便、简单、提供友好的图形GUI,图形界面，追求易学易用。提供强大的网络功能，支持TCP/IP协议及其它协议，提供TCP/UDP/IP/PPP协议支持及统一

38、的MAC访问层接口，为各种移动计算设备预留接口o(6)强稳定性，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EOS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，它通过系统调用命令向用户程序提供服务。(7)固化代码。在嵌入系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系统计算机的ROM中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此，嵌入式操作系统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸，而用各种内存文件系统。(8)更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。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：工业控制基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获

39、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。就传统的工业控制产品而言，低端型采用的往往是8位单片机。但是随着技术的发展，32位、64位的处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来几年内必将获得长足的发展。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

40、找到你的位置。信息家电这将称为嵌入式系统最大的应用领域，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。家庭智能管理水、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。POS网络公共交通无接触智能卡（ContaCtIeSSSmartcard,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

41、。环境工程水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。在很多环境恶劣，地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。国防与航天嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化，高智能方面优势更加明显，同时会大幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。这些应用中，可以着重于在控制方面的应用。就远程家电控制而言，除了开发出支持TCP/IP的嵌入式系统之外，家电产品控制协议也需要制订和统一，这需要家电生产厂家来做。同样的道理，所有基于网络的远程控制器件都需要与嵌入式系统之间实现接口,然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实现控制。所以，开发和探

42、讨嵌入式系统有着十分重要的意义。发展现状随着信息化，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，45年后嵌入式智能（电脑）工具将是Pe和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系统专家沈绪榜院士98年11月在武汉全国第11次微机学术交流会上发表的计算机的发展与技术一文中，对未来10年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述和展望。1999年世界电子产品产值已超过12000亿美元，2000年达到13000亿美元，预计2005年，销售额将达18000亿美元。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

43、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界面，GUl屏幕为中心的多媒体界面给人很大的亲和力。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、

44、图像已取得初步成效。一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，日用范围也将口益广阔。对于企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移动信息采集等，这种小型手持嵌入式系统将发挥巨大的作用。自动控制领域，不仅可以用于ATM机，自动售货机，工业控制等专用设备，和移动通讯设备结合、GPS娱乐相结合，嵌入式系统同样可以发挥巨大的作用。近期长虹推出的ADSL产品，结合网络，控制，信息，这种智能化，网络化将是家电发展的新趋势。硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开发包。目前低层系统和硬件平台经过若干年的研究，已经相对比较成熟，实现各种功能的芯片应有尽有。而且巨

45、大的市场需求给我们提供了学习研发的资金和技术力量。从软件方面讲，也有相当部分的成熟软件系统。国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的有WindRiver、MicrosoftQNX和NUClear等产品。我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科银(CoreTek)公司的嵌入式软件开发平台DeItaSyStem,中科院推出的HOPen嵌入式操作系统(虽然还不够完善同时由于是研究热点，所以我们可以在网上找到各种各样的免费资源，从各大厂商的开发文档，到各种驱动，程序源代码，甚至很多厂商还提供微处理器的样片。这对于我们从事这方面的研发，无疑是个资源宝库。对于软件设计来说，不管是上手还是进一步开发，都

46、相对来说比较容易。这就使得很多生手能够比较快的进入研究状态，利于发挥大家的积极创造性。今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元，1997年来自美国嵌入式系统大会(EmbeddedSystemCOnferenCe)的报告指出，未来5年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年1500亿美元的新市场。美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的，计算能力，已超过了IBM”,由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。1998年11月在美国加州举行的嵌入式系统大会上，基于RTOS的EmbeddedInternet成为一个技术新热点。在国内，“维纳斯计划”和“女锅计划

47、”一度闹得沸沸扬扬，机顶盒、信息j家电这两年更成了IT热点，而实际上这些都是嵌入式系统在特定环境下的一个特定应用。据调查，目前国际上已有两百多种嵌入式操作系统，而各种各样的开发工具、应用于嵌入式开发的仪器设备更是不可胜数。在国内，虽然嵌入式应用、开发很广，但该领域却几乎还是空白，只有三两家公司和极少数人员在从事这方面工作。由此可见，嵌入式系统技术发展的空间真是无比广大。发展趋势信息时代，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：1 .嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂

48、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。目前很多厂商已经充分考虑到这一点，在主推系统的同时，将开发环境也作为重点推广。比如三星在推广Ann7,Arm9芯片的同时还提供开发板和板级支持包(BSP),而WindowCE在主推系统时也提供EmbeddedVC+作为开发工具,还有VXWOrkS的Tonado开发环境，Deltac)S的Limda编译环境等等都是这一趋势的典型体现。当然，这也是市场竞争的结果。2 .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。这就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能，为了满足应用功能的升级,设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如32位、64位RISe芯片或信号处理器DSP增强处理能力，同时增加功能接口，如USB,扩展总线类型，如CANBUS,加强对多媒体、图形等的处理，逐步实施片上系统(SOC)的概念。软件方面采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。如HP3 .网络互联成为必然趋势。未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网络通信接口。传统的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口，除了支持TC