嵌入式系統介紹

何謂嵌入式系統？廣義來說，任何一種可程式化的電腦裝置，但卻不是用在 一般用途，就可以算是嵌入式電腦系統。狹義來說，則是以應用為中心，以計算 機為基礎，並且軟硬體可修改，適用於應用系統對功能、可靠性、成本、體積、

功耗有嚴格要求的專用計算機系統。

根據英國電機工程師協會所做的定義，【嵌入式系統為控制、監視或輔助設 備、機器或甚至工廠運作的裝置】，它具備了下列四項特性：

1. 用來執行特定功能

2. 以微電腦與周邊構成核心 3. 需要嚴格的時序與穩定度 4. 全自動操作循環

由上述可知，嵌入式系統是電腦軟體與硬體的綜合體，亦可涵蓋機械或其他 的附屬裝置。整個綜合體的設計目的是在於滿足某種特定功能，並用在各類實驗 儀器、辦公設備、交通運輸設備、電信設備、製造設備、建築設備、醫療設備、

航太設備及個人電腦等設備之上。

更進一步舉例來說，到目前為止，嵌入式的應用幾乎已經深入到各個領域：

工業控制領域，無線通信領域，網路應用，消費性電子產品等。MP3 播放器、PDA、

智慧型手機、DVD 播放器、STB、ATM 提款機、車載 GPS、數位式家庭，甚至是 探測火星的機器人都是屬於嵌入式產品，可見嵌入式系統覆蓋範圍之廣，與人類 生活結合之深。

2.1.1 嵌入式系統需求

有別於一般的桌上型電腦系統，在此列出幾項嵌入式系統共同的需求特徵。

(1) 記憶體(Memory)大小：

一 般 用 於 嵌 入 式 系 統 的 記 憶 體 為 ROM 、 RAM 或 快 閃 記 憶 體 (Flash

Memory)。記憶體主要是用來存放作業系統、資料、應用程式，所以要依照需求來 精簡記憶體的使用。

(2) 運算速度的限制：

嵌入式系統只需滿足其單一且特定狀況的應用需求，所以其處理速度不需要 多快的運算速度。

(3) 硬體設計成本:

在設計嵌入式產品的過程之中，必然會有軟體與硬體的花費。如果能夠有效 的控管成本，對產品在市場上的競爭是極為有利。

(4) 電源管理：

在嵌入式系統中，電源管理扮演很重要的角色，因為目前開發越來越多的手 持嵌入式裝置，電源管理的效能好壞會直接影響系統的執行時間和系統消耗的功 率。

(5) 可靠度：

在嵌入式系統產品中，不論是生活中的消費性產品、以及工廠裡的工業電腦 控制，使用者都希望能減少系統執行產生的錯誤率，唯有穩定的系統產品才能廣 為被接受。

2.1.2 嵌入式系統架構

嵌入式系統是不同於常見電腦的一種電腦系統，不以獨立設備的型態出現。

嵌入式系統的元件根據主體設備以及應用的需要，嵌入在主體設備內部，發揮著 運算、處理、儲存以及控制等等作用。從體系結構看，嵌入式系統主要由嵌入式 處理器、周邊硬體和嵌入式軟體組成。其中嵌入式處裡器通常是單晶片或微控制 器，一般是8位元或16位元，目前32位元正在佔據主流地位。週邊硬體主要包括儲 存元件，如ROM、RAM、快閃記憶體(Flash Memory)等，通信元件，如USB介面、

網路介面等，顯示元件，如VGA顯示卡、液晶顯示元件等，I/O介面，如RS232介 面、鍵盤等。不少嵌入式系統的周邊硬體中還提供類比信號與數位信號之間的轉 換元件。嵌入式軟體包括支援硬體的驅動軟體、作業系統、支援軟體以及應用中 介軟體，如通訊協定、圖形介面、資料庫系統和瀏覽器等。我們可以由表2.1和表 2.2來了解比對出嵌入式系統與常見電腦系統的差異。

表2.1、嵌入式系統與PC硬體平台比較

設備名稱 嵌入式系統 PC

CPU 嵌入式處理器(ARM、MIPS) CPU(INTEL、AMD)

記憶體 SDRAM SDRAM或DDR

儲存設備 FLASH 硬碟

輸入設備 按鍵、觸控螢幕 滑鼠、鍵盤

輸出設備 LCD 顯示器

聲音設備 音效晶片 音效卡

串列介面 RS232 主機板提供

其他設備 USB 主機板提供或外接卡

表2.2、嵌入式系統與PC軟體平台比較

嵌入式系統 PC

開機程式 Bootloader引導，對不同硬體平台

進行移植 主機板BIOS引導，無須修改

作業系統 WinCE、VxWork、Linux…，需移

植 Windows、Linux等，不需要移植

驅動程式

每個設備驅動都必須針對硬體平 台進行重新開發或移植，一般不能

直接下載使用

作業系統含有大多數驅動程式，或 從網路上下載直接使用

開發環境 藉由PC進行交叉編譯 在本機就可以開發測試

模擬器 需要 不需要

2.1.3 嵌入式作業系統

市面上的嵌入式作業系統大約可分為兩種，即時作業系統與非即時作業系 統。對於時間要求非常嚴格的系統，可稱之為即時作業系統，而即時作業系統又 可再分為硬即時與軟即時。

‹ 硬即時：

系統有一個強制的、不可改變的時間限制。他不允許任何超出實現的錯 誤，逾時錯誤會帶來損害甚至導致系統失敗，或者導致系統不能實現預 期的目標。

‹ 軟即時：

系統的時間限制是有靈活性的。它可以容忍偶然的逾時錯誤，失敗造成 的後果並不嚴重，通常是輕微的降低了系統的流量。本次所採用的 Windows CE 即是屬於此系統。