嵌入式系统的构建

近些年来，随着以电脑技术，通讯技术为主的信息技术的快速发展和Internet 的广泛
应用,传统的控制学科正在发生变革，出现了许多新的生长点。伴随而来的一个现象是控制
专业的相当多的学生在毕业后进入了电脑，通讯行业，以致有人说学控制没有用，自动
化专业能够取消了。这些情况的出现使我们控制教育工作者反复思考，传统的控制应如何
拓宽他的领域？控制专业应该教什么才使学生感到有用？
近些年我们在嵌入式系统及其应用的科研工作中采用了信息产业中的最新技术，打破
了学科之间的界限，感到控制的出路原来很多，尽管处处是挑战。过去我们熟悉的“控制”
有很大的局限性.：一是不考虑硬件的限制, 二是不考虑控制器的复杂性及计算能力， 三是
不注重实用性和效益。在微处理器，微传感器和微型执行元件不断推出新产品的形势下,
控制的思路和手段正经历着巨大的变化。在经过一番艰苦的实践摸索之后，我们对控制学
科的研究和教学有了一些新的认识。本教材就是在我们这些年科研工作的基础上总结出来
的，他还比较粗糙，还需要今后花大力气把他完善和提高。现在拿出来作为试用教材供大
家参考，希望能为控制学科教学内容的更新作出我们的一点贡献。
嵌入式系统的定义
嵌入式系统是指用于执行单独功能的专用电脑系统。他由包括微处理器、定时器、
微控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片和器件，和嵌入在存储器中的微型操作系
统、控制应用软件组成，一起实现诸如实时控制、监控、管理、移动计算、数据处理等各
种自动化处理任务。嵌入式系统以应用为中央，以微电子技术、控制技术、电脑技术和
通讯技术为基础，强调硬件软件的协同性和整合性，软件和硬件可剪裁，以满足系统对功
能、成本、体积和功耗等需要。
最简单的嵌入式系统仅有执行单一功能的控制能力，在唯一的ROM 中仅有实现单一功
能的控制程式，无微型操作系统。复杂的嵌入式系统，例如个人数字助理（PDA）、手持电
脑（HPC）等，具备和PC 几乎相同的功能。实质上和PC 的区别仅仅是将微型操作系统和应
用软件嵌入在ROM、RAM 和/或FLASH 存储器中，而不是存贮于磁盘等载体中。很多复杂的
嵌入式系统又是由若干个小型嵌入式系统组成的。
嵌入式系统的硬件/软件特征
嵌入式系统的硬件必须根据具体的应用任务，以功耗,成本,体积, 可靠性,处理能力等
为指标来选择。嵌入式系统的核心是系统软件和应用软件，由于存储空间有限，因而需要
软件代码紧凑，可靠，大多对实时性有严格需要。
早期的嵌入式系统设计方法，通常是采用“硬件优先”原则。即在只粗略估计软件任
务需求的情况下，首先进行硬件设计和实现。然后，在此硬件平台之上，再进行软件设计。
因而很难达到充分利用硬件软件资源，取得最好性能的效果。同时，一旦在测试时发现问
题，需要对设计进行修改时，整个设计流程将重新进行，对成本和设计周期的影响很大。
这种传统的设计方法只能改善硬件/软件各自的性能，在有限的设计空间不可能对系统做出
较好的性能综合优化，在很大程度上依赖于设计者的经验和反复实验。
90 年代以来随着电子系统功能的日益强大和微型化，系统设计所涉及的问题越来越
多，难度也越来越大。同时硬件和软件也不再是截然分开的两个概念，而是紧密结合、相
互影响的。因而出现了软件和硬件协同（codesign）设计方法，即使用统一的方法和工具对软
，协同设计软件和硬件体系结构，以最大限度地挖掘系统软件和硬件能力，避免由
于单独设计软件和硬件体系结构而带来的种种弊病，得到高性能低代价的优化设计方案。
嵌入式操作系统
现在流行的嵌入式操作系统能够分为两类：一类是从运行在个人电脑上的操作系统向
下移植到嵌入式系统中，形成的嵌入式操作系统，如微软公司的Windows CE 及其新版本，
SUN 公司的Java 操作系统，朗讯科技公司的Inferno，嵌入式Linux 等。这类系统经过个
人电脑或高性能电脑等产品的长期运行考验，技术日趋成熟，其相关的标准和软件研发
方式已被用户普遍接受，同时积累了丰富的研发工具和应用软件资源。
另一类是实时操作系统，如WindRiver 公司的VxWorks，ISI 的pSOS，QNX 系统软件
公司的QNX，ATI 的Nucleus，中国科学院凯思集团的Hopen 嵌入式操作系统等，这类产
品在操作系统的结构和实现上都针对所面向的应用领域，对实时性高可靠性等进行了精巧
的设计，而且提供了单独而完备的系统研发和测试工具，较多地应用在军用产品和工业控
制等领域中。
Linux 是90 年代以来逐渐成熟的一个开放源代码的操作系统。 PC 机上的Linux 版本
在全球数以百万计爱好者的合力研发下，得到了很迅速的发展。90 年代末uClinux，
RTLinux 等相继推出，在嵌入式领域得到了广泛的关注，他拥有大批的程式员和现成的应
用程式，是我们研究研发工作的宝贵资源。
学习嵌入式系统的意义
从控制意义上说，嵌入式系统涉及系统最底层的，芯片级的信息处理和控制。在某种
意义上，对这些“微观”世界的了解和驾驭正是控制的真正目的。嵌入式系统和通常意义
上的控制系统在设计思路和总体架构方面有许多不同之处，而这些不同之处恰恰是传统控
制学科教学中较少教给学生的。在当今信息化社会中，嵌入式系统在人们的日常工作和生
活中所占的份额，可能已超过传统意义的控制系统，这就是为什么我们的学生感到学的没
有用，而有用的又没有学的原因。在嵌入式系统及研发环境方面，现在仍有许多问题尚在
研究发展之中，如，嵌入式系统的硬件软件协同设计方法；面向多目标，多任务的微内核
嵌入式操作系统；分布嵌入式系统的实时性问题，分布式计算，分布式信息交互和综合处
理；连同嵌入式系统的多目标交叉编译和交叉调试工具的研究等。我们希望通过这本教材
再配合我们的实验研发平台，学习嵌入式系统的一些基本理论和硬件软件综合设计的方法
和技能，亲自动手，实现一个嵌入式系统的解决方案，为今后的深入研究打下一个初步基
础。
“嵌入式系统”作为自动化学科一门理论和实际密切结合的，知识和技术含量较高的综
合性专业课程，必将随着信息产业的发展而逐渐趋于成熟。