嵌入式系統(tǒng)的特點及分類

1. 嵌入式系統(tǒng)的特點
(1) 系統(tǒng)內(nèi)核小
由于嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置，系統(tǒng)資源相對有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。比如ENEA公司的OSE分布式系統(tǒng)，內(nèi)核只有5KB而Windows的內(nèi)核則要大得多。
(2) 專用性強(qiáng)
嵌入式系統(tǒng)的個性化很強(qiáng)，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對硬件進(jìn)行系統(tǒng)的移植，即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進(jìn)行修改。同時，針對不同的任務(wù)，往往需要對系統(tǒng)進(jìn)行較大更改；程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結(jié)合，這種修改和通用軟件的“升級”是完全不同的概念。
(3) 系統(tǒng)精簡
嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的明顯區(qū)分，不要求其功能的 設(shè)計及實現(xiàn)過于復(fù)雜，這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，同時也利于實現(xiàn)系統(tǒng)安全。
(4) 高實時性
高實時性的操作系統(tǒng)軟件是嵌入式軟件的基本要求。而且軟件要求固化存儲，以提高速度。軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性。
(5)多任務(wù)的操作系統(tǒng)
嵌入式軟件開發(fā)要想走向標(biāo)準(zhǔn)化，就必須使用多任務(wù)的操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)而直接在芯片上運行；但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)，利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTOS(Real Time Operating System)開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保障軟件質(zhì)量。
(6)專門的開發(fā)工具和環(huán)境
嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要專門的開發(fā)工具和環(huán)境。由于嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力，即使設(shè)計完成以后，用戶通常也不能對其中的程序功能進(jìn)行修改，因此必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計算機(jī)上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。開發(fā)時往往有主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的概念，主機(jī)用于程序的開發(fā)，目標(biāo)機(jī)作為最后的執(zhí)行機(jī)，開發(fā)時需要交替結(jié)合進(jìn)行。

2. 嵌入式系統(tǒng)的分類
由于嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成，所以其分類也可以從硬件和軟件進(jìn)行劃分。
(1) 嵌入式系統(tǒng)的硬件
從硬件方面來講，嵌入式系統(tǒng)的核心部件是嵌入式處理器。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界嵌入式處理器的品種數(shù)量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30多個，其中8051體系占大多數(shù)。生產(chǎn)8051單片機(jī)的半導(dǎo)體廠家有20多個，共350多種衍生產(chǎn)品，僅Philips就有近100種。目前嵌入式處理器的尋址空間可以從64KB到256MB，處理速度從0.1MIPS到2000MIPS。
近年來嵌入式微處理器的主要發(fā)展方向是小體積、高性能、低功耗。專業(yè)分工也越來越明顯，出現(xiàn)了專業(yè)的IP(Intellectual Property Core，知識產(chǎn)權(quán)核)供應(yīng)商，如ARM、MIPS等，他們通過提供優(yōu)質(zhì)、高性能的嵌入式微處理器內(nèi)核，由各個半導(dǎo)體廠商生產(chǎn)面向各個應(yīng)用領(lǐng)域的芯片。
如圖1-1所示，一般可以將嵌入式處理器分成4類，即嵌入式微處理器(Micro Processor? Unit，MPU)、嵌入式微控制器(Micro Controller Unit，MCU單片機(jī))、嵌入式DSP處理器(Digital? Signal Processor，DSP)和嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip，SOC)。
(2) 嵌入式系統(tǒng)的軟件
嵌入式系統(tǒng)的軟件一般由嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件組成。操作系統(tǒng)是連接計算機(jī)硬件與應(yīng)用程序的系統(tǒng)程序。
操作系統(tǒng)有兩個基本功能：使計算機(jī)硬件便于使用；高效組織和正確地使用計算機(jī)的資源。
操作系統(tǒng)有4個主要任務(wù)：進(jìn)程管理、進(jìn)程間通信與同步、內(nèi)存管理和I/O資源管理。
目前嵌入式系統(tǒng)的軟件主要有兩大類：實時系統(tǒng)和分時系統(tǒng)。如圖1-2所示。
實時操作系統(tǒng)是指具有實時性，能支持實時控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。
實時操作系統(tǒng)的首要任務(wù)是調(diào)度一切可利用的資源完成實時控制任務(wù)；
其次才著眼于提高計算機(jī)系統(tǒng)的使用效率，其重要特點是通過任務(wù)調(diào)度來滿足對于重要事件在規(guī)定的時間內(nèi)做出正確的響應(yīng)。
實時操作系統(tǒng)與分時操作系統(tǒng)的區(qū)別:
對于分時操作系統(tǒng)，軟件的執(zhí)行在時間上的要求并不嚴(yán)格，時間上的延誤或者時序上的錯誤，一般不會造成災(zāi)難性的后果。
而對于實時操作系統(tǒng)，主要任務(wù)是對事件進(jìn)行實時的處理，雖然事件可能在無法預(yù)知的時刻到達(dá)，但是軟件必須在事件隨機(jī)發(fā)生時，在嚴(yán)格的時限內(nèi)做出響應(yīng)(系統(tǒng)的響應(yīng)時間)。即使是系統(tǒng)處在尖峰負(fù)荷下，也應(yīng)如此，系統(tǒng)時間響應(yīng)的超時就意味著致命的失敗。
另外，實時操作系統(tǒng)的重要特點是具有系統(tǒng)的可確定性，即系統(tǒng)能對運行的最好和最壞情況做出精確的估計。
Stankovic給出了實時系統(tǒng)的定義:
“實時系統(tǒng)是這樣一種系統(tǒng)，即系統(tǒng)執(zhí)行的正確性不僅取決于計算的邏輯結(jié)果，而且還取決于結(jié)果的產(chǎn)生時間?！?
實時系統(tǒng)又可以分為“硬實時系統(tǒng)”和“軟實時系統(tǒng)”。硬實時和軟實時的區(qū)別就在于對外界的事件做出反應(yīng)的時間。
硬實時系統(tǒng)必須是對事件做出及時的反應(yīng)，絕對不能錯過事件處理的時限。在硬實時系統(tǒng)中如果出現(xiàn)了這樣的情況就意味著巨大的損失和災(zāi)難。比如說航天飛機(jī)的控制系統(tǒng)，如果出現(xiàn)故障，后果不堪想象。
軟實時系統(tǒng)是指，如果在系統(tǒng)負(fù)荷較重的時候，允許發(fā)生錯過時限的情況而且不會造成太大的危害。比如液晶屏刷新允許有短暫的延遲。
硬實時系統(tǒng)和軟實時系統(tǒng)實現(xiàn)的區(qū)別主要是在選擇調(diào)度算法上。
對于軟實時系統(tǒng)，選擇基于優(yōu)先級調(diào)度的算法足以滿足軟實時系統(tǒng)的需求，而且可以提供高速的響應(yīng)和大的系統(tǒng)吞吐量；
而對硬實時系統(tǒng)來說，需要使用的算法就應(yīng)該是調(diào)度方式簡單，反應(yīng)速度快的實時調(diào)度算法。