嵌入式系統(tǒng)（Embedded Systems）是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。一般說(shuō)來(lái)，嵌入式系統(tǒng)是指用于實(shí)時(shí)控制、監(jiān)視、管理或輔助其他設(shè)備/設(shè)施運(yùn)行的設(shè)備，可以是專用或多用途（但一般具有可編程的特性）的設(shè)備，可以是硬件或軟件。

嵌入式系統(tǒng)的“嵌入”特性意味著這些系統(tǒng)本身與其所控制和管理的系統(tǒng)是融為一體的，是其中的一個(gè)有機(jī)組成部分，是各種控制系統(tǒng)的基本構(gòu)造單元。硬件形式的嵌入系統(tǒng)多為專用的或可編程控制的芯片，這是目前最主要的嵌入式系統(tǒng)；軟件形式的嵌入式系統(tǒng)則主要是各種專門用途的控制軟件系統(tǒng)，包括項(xiàng)目管理工具、分析工具、開(kāi)發(fā)工具和第三方提供的工具。

嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。其中，硬件部分包括處理器/微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和I/O端口、圖形控制器等。與一般的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)不同，嵌入式系統(tǒng)不具備像硬盤那樣大容量的存儲(chǔ)介質(zhì)，而大多使用EPROM、EEPROM或閃存(Flash Memory)作為存儲(chǔ)介質(zhì)。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件(要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作)和應(yīng)用程序編程。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為；而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。

1．嵌入式處理器

嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，目前據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過(guò)1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個(gè)系列，其中8051體系的占有多半，8051單片機(jī)廠家20多個(gè)，共350多種衍生產(chǎn)品。根據(jù)其現(xiàn)狀，嵌入式處理器包括以下幾類：

（1）嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)
 
嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本是一樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強(qiáng)。

和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設(shè)等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術(shù)保密性也較差。嵌入式微處理器及其存儲(chǔ)器、總線、外設(shè)等安裝在一塊電路板上，稱為單板計(jì)算機(jī)。如STD-BUS、PC104等。嵌入式處理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。

（2）嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)

嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個(gè)系列的單片機(jī)具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲(chǔ)器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使單片機(jī)最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本。

和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。

嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外還有許多半通用系列如：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前，MCU占嵌入式系統(tǒng)約70％的市場(chǎng)份額。
 
（3）嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)

DSP處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正從在通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能，過(guò)渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器有兩個(gè)發(fā)展來(lái)源，一是DSP處理器經(jīng)過(guò)單片化、EMC改造、增加片上外設(shè)成為嵌入式DSP處理器，TI的TMS320C2000/C5000等屬于此范疇；二是在通用單片機(jī)或SOC中增加DSP協(xié)處理器，例如Intel的MCS-296和Infineon(Siemens)的TriCore。

推動(dòng)嵌入式DSP處理器發(fā)展的另一個(gè)因素是嵌入式系統(tǒng)的智能化，例如各種帶有智能邏輯的消費(fèi)類產(chǎn)品，生物信息識(shí)別終端，帶有加解密算法的鍵盤，ADSL接入、實(shí)時(shí)語(yǔ)音壓解系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實(shí)顯示等。這類智能化算法一般都是運(yùn)算量較大，特別是向量運(yùn)算、指針線性尋址等較多，而這些正是DSP處理器的長(zhǎng)處所在。

（4）嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip)

隨著EDI的推廣和VLSI設(shè)計(jì)的普及化，及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)的時(shí)代已來(lái)臨，這就是System On Chip(SOC)。各種通用處理器內(nèi)核將作為SOC設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為VLSI設(shè)計(jì)中一種標(biāo)準(zhǔn)的器件，用標(biāo)準(zhǔn)的VHDL等語(yǔ)言描述，存儲(chǔ)在器件庫(kù)中。用戶只需定義出其整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過(guò)后就可以將設(shè)計(jì)圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除個(gè)別無(wú)法集成的器件以外，整個(gè)嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡(jiǎn)潔，對(duì)于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。

SOC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SOC一般專用于某個(gè)或某類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。一個(gè)有代表性的產(chǎn)品是Philips的Smart XA，它將XA單片機(jī)內(nèi)核和支持超過(guò)2048位復(fù)雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個(gè)可加載JAVA或C語(yǔ)言的專用的SOC，可用于公眾網(wǎng)如Internet安全方面。

2．嵌入式操作系統(tǒng)

凡接觸過(guò)電腦的絕大多數(shù)人比較熟悉從DOS到Windows XP的Microsoft桌面操作系統(tǒng)系列，專業(yè)用戶也非常了解Windows NT、Unix和Linux等服務(wù)器操作系統(tǒng)，而嵌入式操作系統(tǒng)似乎在人們的言談之間被冷淡了許多。實(shí)際上，人們身邊無(wú)處不在的、分布更加廣泛的嵌入式系統(tǒng)也越來(lái)越需要操作系統(tǒng)的駐足，而且隨著這些嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)其操作系統(tǒng)也提出了新的要求。

多年以來(lái)，嵌入式系統(tǒng)一直被廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備當(dāng)中，大到車、船和衛(wèi)星，小到家用電器。大部分的嵌入式系統(tǒng)并不需要操作系統(tǒng)。首先是因?yàn)闆](méi)有必要，例如洗衣機(jī)和微波爐等等，它們的功能有限，這樣的系統(tǒng)只需要一道控制程序管好幾個(gè)按鍵、指示燈和數(shù)碼管就可以了。其次是因?yàn)闂l件不允許。它們采用4位或8位的微處理器，有的內(nèi)存少得不到1KB，根本沒(méi)有操作系統(tǒng)生存的空間。即使要完成一些比較復(fù)雜的任務(wù)，也只能依靠程序員的技巧去精雕細(xì)琢，以彌補(bǔ)硬件條件的不足。
 
隨著硬件的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，提供的應(yīng)用功能也越來(lái)越復(fù)雜，當(dāng)初的控制程序被隨之逐步加入了許多功能，而這些功能有很多是可以由操作系統(tǒng)來(lái)提供的。這很自然地會(huì)讓人聯(lián)想到應(yīng)該為嵌入式系統(tǒng)做一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，嵌入式操作系統(tǒng)是由于工程實(shí)踐的需要而誕生的。而嵌入式操作系統(tǒng)所使用的技術(shù)，基本上是從臺(tái)式計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)下推而來(lái)的。由于應(yīng)用的需要和硬件條件的限制，嵌入式操作系統(tǒng)一般都注重占用空間小和效率高等特點(diǎn)。

3．控制程序

盡管嵌入式操作系統(tǒng)有功能豐富和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但大部分的嵌入式系統(tǒng)仍然繼續(xù)采用控制程序而沒(méi)有采用操作系統(tǒng)。之所以產(chǎn)生這種現(xiàn)象，除了功能需求和硬件方面的限制因素以外，還主要有如下兩條原因。

首先，有不少嵌入式系統(tǒng)的控制程序是逐步發(fā)展起來(lái)的，每一步改動(dòng)都比較小。這種在原有系統(tǒng)上打補(bǔ)丁的代價(jià)，要小于改用操作系統(tǒng)所需付出的代價(jià)，從而使工程人員很難下決心換用嵌入式操作系統(tǒng)。另外，即使是一個(gè)從頭開(kāi)始的項(xiàng)目，也會(huì)由于用戶已經(jīng)熟悉了老的手段和工具，再加上經(jīng)常還受到時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的限制等原因，要換一個(gè)全新的嵌入式操作系統(tǒng)確實(shí)是一件需要慎重考慮的事情。

其次，雖然控制程序在開(kāi)發(fā)成本和可靠性等方面都有缺點(diǎn)，但它最大的好處之一就是沒(méi)有那些商業(yè)化嵌入式操作系統(tǒng)中許多用不著的功能。雖然到目前為止，幾乎每一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)都號(hào)稱可以根據(jù)應(yīng)用的需要進(jìn)行剪裁，可是大多都是靜態(tài)剪裁，也就是用不同的模塊編譯鏈接成不同的系統(tǒng)。這種剪裁使嵌入式操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性大打折扣，因?yàn)槊恳环N裁剪的結(jié)果都可以看成是一個(gè)全新的系統(tǒng)，它的可靠性還需要實(shí)踐的檢驗(yàn)。

以信息家電為代表的嵌入式產(chǎn)品不僅為嵌入式市場(chǎng)注入了新的活力，也對(duì)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。未來(lái)，嵌入式系統(tǒng)將不斷與Internet、ASP、WAP以及納米技術(shù)相結(jié)合，以滿足小型電子設(shè)備小尺寸、微功耗和低成本的發(fā)展趨勢(shì)。

嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展很大程度上取決于MCU技術(shù)，目前MCU大多集成了ADC、DAC和其它一些模擬單元，如何將這些模擬單元和MCU融為一體，構(gòu)成一個(gè)SOC，將成為嵌入式工程師的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)。