嵌入式操作系统(什么是嵌入式计算机)

如今，物联网、AI、5G等发展离不开嵌入式系统，就像一个乐高拼图。只要会“玩”，就会发生意想不到的表现。那么嵌入式系统到底是什么呢？我们来看看科普。

要了解它的构成，我们必须先知道它是如何生长的。

第一台微处理器诞生于20世纪70年代初。是三年前成立的英特尔推出的4004CPU、4位微处理器、10微米技术。如今，嵌入式系统的发展已经有50年的历史，经历了四个阶段:

首先，没有操作系统阶段

基于第一台单片机，大部分以可编程控制器的形式出现。在此期间，一般没有操作系统的相关支持，只有系统由汇编语言直接控制。当然，相关操作后，内存被清除。

主要特点是:系统结构和功能比较简单，处理效率低，存储容量小，几乎没有用户界面。由于上述特点，在工业领域得到了广泛的认可。

二、简单操作系统阶段

高可靠性、低功耗的嵌入式CPU。

特点:嵌入式操作系统相对简单，但具有一定的兼容性和扩展性，对控制系统负载和监控应用程序运行起到一定的作用。

第三，实时操作系统阶段

在数字通信和信息家电巨大需求的驱动下，随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也在不断扩大，操作系统的实现在这一时期得到了很大的提升。

特点:在不同类型的微处理器上可以实现高度模块化的和可扩展的操作，使得应用软件的开发更加容易。

第四，互联网导向阶段

嵌入式设备与互联网的完美结合是嵌入式技术的真正未来。在这个信息时代和数字时代，给嵌入式系统的发展带来了巨大的机遇，也对嵌入式系统提供商提出了新的挑战。

嵌入式系统组成:麻雀虽小，五脏俱全。

按照书本定义，嵌入式是指软件直接刻录在硬件中，而不是安装在外部存储介质上。IEEE(美国电气与电子工程师协会)对嵌入式系统的定义是:“嵌入式系统是以应用为导向，以计算机技术为基础，对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。”

面向应用的嵌入式系统有明确的实际用途。基于计算机技术，说明它其实是一种特殊的计算机。软硬件都可以裁剪，说明它有很强的灵活性和定制能力。

专用计算机系统的“专用”是什么意思？首先，“通用”是指我们常用的个人电脑、笔记本电脑和数据中心服务器可以有多种用途，即“通用计算机系统”。那么嵌入式系统具体适用于哪些“特殊”方向呢？

贴近生活的嵌入式产品，如智能手机、智能冰箱、电梯、车载导航等。再比如一些高大上的产品，比如谷歌眼镜、数字电视、智能医疗、智能手表。当然，还有很多。

嵌入式系统是以中央处理器为核心，总线为连接的多模块系统；

一个嵌入式系统大致可以分为:

硬件系统

夹层

软件系统

应用层

此图涵盖了嵌入式系统的基本结构:

在硬件层，主要分为:嵌入式处理器、存储器、模拟电路、电源、接口控制器、连接器等。

其核心是嵌入式微处理器。

嵌入式微处理器和通用CPU最大的区别在于，大多数嵌入式微处理器工作在专门为特定用户群体设计的系统中。它将通用CPU的许多任务由板卡完成集成在芯片中，有利于嵌入式系统在设计上的小型化，同时还具有较高的效率和可靠性。

嵌入式微处理器的架构可以采用冯·诺依曼架构或哈佛架构。系统可以选择精简指令系统(RISC)和复杂指令系统(CISC)。RISC是目前最火的一款。这种架构只包含最有用的指令，保证了数据通道能够快速执行每一条指令，从而提高了执行效率，使得CPU的硬件结构设计更加简单。嵌入式微处理器具有不同的体系结构，即使在同一体系结构中，它们也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度，或者集成不同的外设和接口。目前全球嵌入式微处理器种类超过1000种，体系结构有30多个系列，其中主流的体系结构有arm、MIPS、PowerPC、X86和SH等。

在嵌入式系统领域，arm架构的处理器占据了半壁江山，但它并不生产任何处理器，只提供IP。

嵌入式微处理器具有以下特点:

1)对实时多任务有很强的支持，可以完成多任务，中断响应时间短，从而最大限度减少内部代码和实时内核的执行时间。

2)具有非常强大的存储区域保护功能。这是因为嵌入式系统的软件结构已经模块化，为了避免软件模块之间的错误交互，需要设计强大的内存保护功能，这也有利于软件诊断。

3)可扩展的处理器结构，从而最快速地开发出满足应用最高性能的嵌入式微处理器。

4)嵌入式微处理器必须具有低功耗，尤其是用于便携式无线和移动计算和通信设备的电池供电嵌入式系统。功耗只有兆瓦级甚至瓦级。

你把单片机和嵌入式处理器混为一谈了吗？

还有一个嵌入式微控制器MCU，集成了ROM/RAM、总线逻辑、定时器/计数器、看门狗、I/O、串口、A/D、D/A、FLASH等。典型代表有8051、8096、C8051F等。

其实MCU就是所谓的MCU。单片机集成了中央处理器、存储器、定时器计数器、输入输出接口电路等。在一个芯片上，因其体积小、功耗低而被称为单片机。单片机由于体积小，可以植入任何微小的器件和仪器中，被广泛用作这些微小器件和仪器的控制器，因此单片机也可以称为嵌入式微控制器。

典型产品:51单片机、STM32

嵌入式系统是一个大的范畴，单片机是其中一个重要的子类。嵌入式系统就像一台完整的计算机，而单片机更像一台没有外设的计算机。现在各种硬件功能都可以内置到单片机中。因此，嵌入式系统和单片机的硬件差异越来越小，分界线越来越模糊。

单片机和嵌入式处理器最大的区别

单片机的内存空室与嵌入式处理器不在一个级别。单片机的内存通常只有几K大小，受外设的限制，不大可能大范围增加外设嵌入式多媒体控制器emmc。然而，嵌入式处理器通常有数百兆的内存。如此巨大的差异使得单片机几乎不可能像嵌入式处理器一样运行操作系统。连TCP/IP协议栈和USB协议栈都无法运行。一些高端的单片机比如ST的STM32系列可能可以运行一些轻量级的系统os和嵌入式的网络协议栈比如IwIP协议栈。

此外，嵌入式处理器丰富强大的性能决定了它可以完成更多单片机无法完成的应用，如网络通信功能、视频传输和处理功能等。当外围存储增加时，嵌入式处理器可以轻松运行各种Linux系统和图形GUI界面。

其他部分

内存:嵌入式系统需要内存来存储和执行代码。包括高速缓存、主存储器(只读存储器和随机存取存储器)和辅助存储器。

嵌入式外围硬件设备:串口、以太网接口、USB、音频接口、液晶屏、摄像头等。

此外，还有专门用于信号处理的嵌入式数字信号处理器(DSP)和嵌入式片上系统(SoC)。

下图是嵌入式系统的物理示例:

中间左上角是CPU，中间是RAM，然后是ROM、网卡、串口、电源等。可见嵌入式系统麻雀虽小，五脏俱全。

软件层

软件层很好理解。它是一种用途广泛的系统软件。它由实时多任务操作系统(RTOS)、文件系统、图形用户界面、网络系统和通用组件模块组成。RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。主要有:嵌入式实时操作系统C/OS-II、嵌入式Linux、Windows、VxWorks等。，以及安卓、iOS等。，用于智能手机和平板电脑。

嵌入式中间层

所谓中间层是软件层和硬件层之间的接口层，也称为硬件抽象层(HAL)或板卡支持包(BSP)。它将系统的上层软件和下层硬件分开，使系统的下层驱动与硬件无关。上层软件开发者可以根据BSP层提供的接口进行开发，无需关注下层硬件的具体情况。