1.4 嵌入式系统
1.4.1 嵌入式系统及其结构
嵌入式系统有不同的表述，国内一般定义为“以应用为中心，计算机技术为基础，软件硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积及功耗有严格要求的专用计算机系统。”嵌入式系统具有三个基本要素，即嵌入性、专用性与计算机系统。
嵌入式系统分为四个部分：嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件。其结构如图1-2所示。
图1-2 嵌入式系统结构
嵌入式处理器是嵌入式系统硬件的核心，一般根据嵌入对象的要求不同，可以有以下选择：嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，MCU，又称单片机）、嵌入式数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、嵌入式微处理器（Embedded MicroProcessor Unit，EMPU）、嵌入式片上系统（System on Chip，SoC）。
（1）嵌入式数字信号处理器（DSP）
DSP适用于高速实现各种数字信号处理运算（如数字滤波、FFT及频谱分析等）的嵌入式处理器。由于对DSP硬件采用多总线的哈佛（Harvard）结构，程序存储器和数据存储器分开使用，独立编址，独立访问，支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行，具有硬件乘法器，并对指令进行了特殊设计，从而使其能高速地完成各种数字信号处理算法，使数据的处理能力大大提高。
1982年，美国TI（Texas Instruments）公司成功推出了其第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17等，之后相继推出了第二代DSP芯片TMS32020、MS320C25/C26/C28，第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32，第四代DSP芯片TMS320C40/C44，第五代DSP芯片TMS320C5X/C54X，第二代DSP芯片的改进型TMS320C2XX，集多片DSP芯片于一体的高性能DSP芯片TMS320C8X以及目前速度较快的第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等。
20世纪90年代，无线通信、各种网络通信及多媒体技术的普及和应用，以及高清晰度数字电视研究，都极大程度推动了DSP的推广应用。DSP主要厂商有美国TI、ADI、Motorola及Zilog等公司。TI公司产品占约60%的全球DSP市场份额，代表性产品是TMS320系列，包括用于控制领域的TMSC2000系列，移动通信的TMSC5000系列，以及用在通信和数字图像处理的TMSC6000系列等。
根据DSP芯片工作的数据格式，一般把DSP芯片分为定点DSP芯片（数据以定点格式运算）和浮点DSP芯片（数据以浮点格式运算）。如TI公司的TMS320C1X/C2X、TMS320C2XX/C5X及TMS320C54X/C62XX系列，AD公司的ADSP21XX系列，AT&T公司的DSP16/16A，Motolora公司的MC56000等为定点DSP；TI公司的TMS320C3X/C4X/C8X，AD公司的ADSP21XXX系列，AT&T公司的DSP32/32C，Motolora公司的MC96002等为浮点DSP。
与单片机相比，DSP高速运算的硬件结构与指令系统，以及多总线结构，尤其是处理数字信号算法的复杂度以及数据处理的大流量，DSP的优势明显，而DSP芯片的其他通用功能相对较弱。通常，如以数字信号处理及数字运算为主，则选用DSP；以事务处理及I/O控制为主，则选用MCU。
（2）嵌入式微处理器
EMPU由通用计算机中的CPU演变而来的。它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求，具有体积小、重量轻、成本低及可靠性高的优点。全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，有30多个系列，其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。
嵌入式微处理器的代表性产品为ARM系列，主要包括5个产品系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore。
以ARM7为例，其地址线32条，能扩展的存储器空间要比单片机存储器空间大得多，可配置实时多任务操作系统（RTOS），而RTOS则是嵌入式应用软件的基础和开发平台。常用的RTOS为Linux（数百KB）和VxWorks（数MB）以及μC-OSⅡ。
嵌入式实时多任务操作系统具有高度灵活性，较容易对它进行定制或开发，即“裁剪”“移植”“编写”，从而设计出用户所需的应用程序。
（3）嵌入式片上系统（SoC）
SoC称为系统级芯片，也有称片上系统，是一个超大规模集成电路（VLSI），采用超深亚微米工艺制作，它既像MCU那样有内置RAM、ROM，同时又像EMPU那样强大，不仅存放简单的代码，还可以存放系统级的代码，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件功能划分，并完成设计的整个过程。SoC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块，可以在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言，实现一个可编程的硬件系统设计。用户通过硬件描述语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，通过仿真之后交付定制或下载固件完成设计。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。