1.1 嵌入式系统概述

嵌入式产品在生活中处处可见，上到太空的人造卫星，下到常见的机顶盒、空调、智能手表等。其实，所有带有数字接口的设备，几乎都可以划入嵌入式产品的范围。如果将嵌入式产品比作楼房，那么嵌入式系统就是里面的“钢筋”。

嵌入式系统因体积小、可靠性高、功能强、方便灵活等优点，对很多行业的技术改造、产品更新换代、自动化进程加速、生产效率提高等方面起到了极其重要的推动作用。嵌入式系统可以用在一些特定专用的设备上，通常这些设备的硬件资源（如处理器、存储器等）非常有限，并且对实现功能要求不一。另外，随着消费家电向智能化发展，嵌入式系统更显重要。按照行业细分，嵌入式产品主要分布在消费类电子、通信、医疗等行业。

嵌入式软件产业也发展迅猛，已成为软件体系中的重要组成部分，作为包含在硬件产品中的特殊软件形态，其产业增幅不断加大，而且在整个软件产业中的比重日趋提高。

1.嵌入式系统的定义

嵌入式系统的定义很多，以下是常用的3种定义。

（1）国内普遍认同的嵌入式系统定义：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪，且适应系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

（2）IEEE的定义：用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置。

（3）其他定义：以提高对象体系智能性、控制力和人机交互能力为目的，通过相互作用和内在指标评价的，嵌入对象体系的专用计算机系统。

2.嵌入式系统的分类

根据不同的分类标准，嵌入式系统有不同的分类方法。如果按其形态的差异，一般可将嵌入式系统分为芯片级（MCU、SoC）、板级（单片机、模块）和设备级（工控机）3级。

由单片机组成的嵌入式系统可以分为不含操作系统和含操作系统两大类。不含操作系统的嵌入式系统学习和入门相对容易，免去了操作系统带来的学习难度，但即便如此，采用传统的8位51单片机或32位ARM单片机进行嵌入式学习和教学，短时间内掌握其相关技术的难度仍旧很大。

3.嵌入式系统的组成

按照定义，嵌入式系统是专用计算机系统，它的硬件组成应包含计算机的五大组成部件，但大多数嵌入式系统是面向某一种特殊应用的，每一种应用都有独特的要求，因此不同嵌入式系统在具体应用中的硬件组成千变万化，但从整体来看，都大致分为微处理器、存储器、输入/输出设备及通信与扩展接口，也称为嵌入式系统的四大组成部分。

嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心部件，它担负着控制、协调系统工作等重要任务，其功能的强弱直接决定了嵌入式产品的适用范围和开发复杂度。嵌入式微处理器通过数据线、地址线、控制线与存储器等各种外设相连。

嵌入式系统中的存储器是另一个重要的元件，它不像桌面计算机那样要求尽可能大的容量，虽然其容量较小，但对速度和功耗要求较高。

输入/输出设备也是不可或缺的，它的种类很多，此处列举一些设备及其用途：人机交互设备，使人们可以和系统进行交互；各种传感器设备，使人们可以了解系统的运行情况；还有各种输入设备，使人们实现对系统运行的控制。

通信与扩展接口可使嵌入式系统和其他系统或设备进行数据交换，并能对系统进行必要的扩展。接口一般指在处理器和外设之间的适配电路，其功能主要是解决处理器和外设之间工作速度、数据格式和电压等级等的相互匹配问题。接口在嵌入式系统中起到与外部世界沟通的“桥梁”作用。嵌入式系统中接口的形式多种多样。通信接口可分为有线和无线两类。有线接口需要考虑电位匹配、连接干扰、驱动功率等问题。在嵌入式系统中常用的有线接口有RS-232接口、USB接口、RJ-45接口、I2C接口、SPI接口等；而常用的无线接口有红外接口、蓝牙接口、Wi-Fi接口、ZigBee接口、GPS/GPRS接口、GPS接口等。

由于体积和成本的限制，嵌入式系统一般只由满足特定功能的硬件组成，有时还需要一些高级功能，但为了一些不常用的功能而增加过多的成本是不合理的。为了满足不同客户的需求，可预留一些扩展接口，例如SD卡接口、CF卡接口等。

除了四大组成部分，嵌入式系统还包括时钟与总线、内存管理、看门狗和供电与能耗等要素。

4.嵌入式技术简介

对于不包含操作系统的嵌入式系统，有以下可学习的相关技术。

（1）单片机原理以及各种输入/输出设备、传感器、通信模块的编程方法。

（2）网络编程技术。

（3）各种算法思路及其编程方法。

对于包含操作系统的嵌入式系统还可学习以下相关技术。

（1）基于Linux操作系统的驱动程序设计方法。

（2）基于Linux操作系统的移植和裁剪技术。

（3）基于Linux操作系统的应用程序编程技术。

若学习嵌入式技术，则需要经常和硬件打交道，技术知识涉及面广，这也是嵌入式技术学习的难点。

嵌入式应用编程主要有以下特点：开发环境交叉、可利用的资源有限、输入/输出界面不同、需要和硬件打交道、高可靠性、高实时性及程序的可移植性等特点。

总之，嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。