什么是嵌入式系统 (Embedded System)？

嵌入式系统 (Embedded System) 是一个电脑硬体和软体之组合，嵌入式系统一般只会被设计为一种具有特殊用途的应用装置 (application device)。 嵌入式系统会符合不同的要求而设计，譬如利用一台个人电脑操作温度和湿度控制。一个典型的嵌入式系统会包括有一台单板微型电脑 (single board computer)，其系统软体可存放于唯读记忆体 (Read-Only Memory， ROM) 里，当系统开启时，会自动运行某一特别的应用程式，直到系统被关闭。从工业机器、汽车、医疗设备、照相机、家用电器、飞机、自动售货机等，以至流动电话身上都会经常找到嵌入式系统的使用。

嵌入式系统平台 (Embedded System Platform)

桌面个人电脑主要使用x86 或PowerPC 的中央处理器 (Central Processing Unit, CPU) 核心架构 (core architecture)，而嵌入式系统则有较多不同的CPU核心架构。 常见的嵌入式系统 CPU 核心架构有 MIPS 、 ARM 、 SuperH 、 x86 和PowerPC 等等。有时，为减少成本或要符合嵌入式系统的某些特别要求，一些嵌入式系统甚至会利用有特殊用途的集成电路 (integrated circuit, IC) 来代替一般用途的 CPU。

MIPS 架构

MIPS (Microprocessor without interlocked pipeline stages) 架构是由 MIPS Computer Systems, Inc. 公司开发，MIPS 处理器 (processor) 采用了精简指令集 (Reduced Instruction Set Computing, RISC)，于 SGI 的电脑产品及众多的嵌入式系统产品中甚为广泛使用，当中包括有 Windows CE 装置、Cisco 路由器 (router)、Nintendo 64 操纵台 (console)、Sony PlayStation操纵台、Sony PlayStation 第二代操纵台、Sony PlayStation 可携式手提系统 (Portable Handheld System) 等等，都是使用了 MIPS 处理器。 现时 MIPS 处理器已经由最初的 32-bit 发展到有 64-bit 的版本。 MIPS 处理器之指令集有多个更新版本，分别为 MIPS I、 MIPS II、 MIPS III、 MIPS IV 及 MIPS 32/64。 MIPS 处理器之指令集亦有多个附加的扩展 (add-on extension) 部分，当中有 (a) 利用涉及浮点运算的 SIMD (Single Instruction Multiple Data) 指命集提升三维 (3-dimension) 运算功能的 MIPS-3D 扩展、(b) 利用 64-bit 浮点运算功能后的强化 SIMD 指命集之 MDMX 扩展及 (c) 提供多执行绪 (multithreading) 功能之 MIPS MT 扩展。

ARM 架构

ARM架构最初是由 Acorn Computer Limited 公司开发，其后该公司跟萍果电脑 (Apple Computer) 合作，另起成立了名为 Advanced RISC Machines 之新公司，其后， Advanced RISC Machines 于伦敦股票交易市场 (LSE) 及美国那斯达克 (NASDAQ) 证券交易市场以 ARM Limited 之名上市。 ARM 是一个 32-bit 的处理器，同样采用了精简指令集 (RISC)，于众多的嵌入式系统产品中被受广泛使用，例如 ARM6 处理器就被用在萍果电脑之 Apple Newton PDA 身上、ARM7TDMI 处理器就被用在数以千万部的流动电话及手提式视像游戏机身上。 ARM 的知识产权核心 ( intellectual property Core, IP core) 已被授权给其他处理器开发商使用，Digital Equipment Corporation (DEC) 就以 ARM 之 IP core 开发了 StrongARM 处理器。其他已获授权使用 ARM IP core 的处理器开发商包括有 Freescale、IBM、Infineon Technologies、Texas Instruments、Nintendo、Philips、VLSI、Atmel、Sharp、Samsumg 及 ST Microelectronics 等各大电器产品生产商。 ARM处理器现时在 32-bit 处理器市场上，拥有超过 70% 之市场占有率，在电脑硬盘、手提电话、网络设备、计算机及儿童玩具上都经常会使用到 ARM 处理器。

SuperH 架构

SuperH 架构最先由 Hitachi 公司开发，原意取代旧式的 H8 family家族处理器，SuperH 架构现时由 Hitachi 及 ST Microelectronics 两间公司共同拥有。 SuperH 处理器亦常用于嵌入式系统产品中。最新之 SH-5 版本处理器为一个 64-bit 的高效能处理器，它拥有一个 128-bit 的向量浮点运算器 (vector floating point processing unit, FPU) 及一个带有 SIMD 支援与 63 个 64-bit 暂存器之整数运算器，效能超卓。

x86架构

x86架构又常称为 80×86架构，泛指由全球知名的主流硬体生产厂商英特尔 (Intel) 公司所生产的微电脑处理器。 x86 架构之指令集是复杂指令集 (Complex Instruction Set Computer, CISC) 的一种，x86架构于桌上型电脑 (desktop computer)、手提式电脑 (portable computer) 及伺服器 (server) 市场上中占有主要地位。 Intel 架构常被称为 x86 架构，主要是因为早期的 Intel 处理器的名称都是带有 “86” 字尾，例如： 8086、80186、80286、386和486。 早期的 80286 处理器是 16-bit 的，现常见的Intel 架构有 32-bit 及64-bit 两种。 32-bit 架构亦称为 x86-32 或者 IA-32 (即 Intel Architecture, 32-bit 的意思)。 64-bit 架构则常称为 x86-64 或者按供应商之命名称为 AMD64 (AMD)、EM64T (Intel) 或 x64 (Microsoft)。

PowerPC 架构

PowerPC 架构最初由 Apple Computer、IBM 和 Motorola 三间公司所共同开发，因此也被称为 AIM。 PowerPC 是采用了精简指令集 (RISC) 的微电脑处理器，起初只针对个人电脑市场而设计及开发，及后 PowerPC 处理器亦被广泛使用到嵌入式系统中，以效能越卓见称。 PowerPC 架构本身原于早期的 IBM POWER 架构，故此与 POWER 架构有高度的相容性 (compatibility)。 现时在 PowerPC处理器家族中己扩展到有64-bit 的类型。 使用了 PowerPC 处理器的产品包括有 Apple Macintosh PowerMacs 系列、 IBM RS/6000 Unix 工作台、Cisco 路由器、AmigaOne、Pegasos、Nintendo GameCube 游戏机及许多的嵌入式系统设备 (如 TiVo个人视像录影机) 等等。多种新一代的游戏机部将会采用 PowerPC 处理器，当中包括有 Sony 的 PlayStation 3、Microsoft 的 Xbox 360 及 Nintendo Revolution。

嵌入式系统之作业系统 (Embedded Operating System for Embedded System)

嵌入式作业系统 (embedded operating system) 就是嵌入式系统 (embedded system) 之作业系统 (operating system)。多数嵌入式作业系统都会被设计得非常紧凑和高效率的，同时会抛弃一般电脑作业系统上所提供的许多功能，因为这些功能都是嵌入系统不必要的。多数嵌入作业系统都是属于实时作业系统 (Real Time Operating System， RTOS)，会对系统事件 (events) 作出实时和确定性的反应。

常用之嵌入式作业系统

1. 嵌入式Linux (Embedded Linux)

    嵌入式 Linux 以 GNU/Linux 作业系统为发展基础，它是开放来源码软体 (open source software)，现广泛使用于许多的嵌入式系统上。一个典型的嵌入式Linux 安装约有 2 MB 之体积。现时常见的嵌入式Linux 作业系统包括有 Embedded Debian (http://www.emdebian.org)、uClinux (http://www.uclinux.org) 及 MontaVista Linux (http://www.mvista.com)。

2. FreeRTOS嵌入式作业系统 (由 http://www.freertos.org 提供)

    FreeRTOS嵌入式作业系统是一个可携式 (portable) 的实时核心 (real-time kernel)，也是一个开放来源码软体。

3. QNX 嵌入式作业系统 (由 http://www.qnx.com提供)

    QNX 嵌入式作业系统是一个商用软体，它是一个 POSIX-compliant 的实时作业系统，QNX 与 UNIX系统十分相似，主要为嵌入式产品系统市场而设计。

4. Windows CE 和 Windows XP Embedded嵌入式作业系统 (由http://msdn.microsoft.com/embedded/ 提供)

    微软视窗作业系统嵌入式家族包括了 Windows CE 和Windows XP Embedded 两种。 Windows CE 是一个实时作业系统，适合小设备如 PDA 和流动电话使用。 Windows XP Embedded 则提供有较多媒体功能 (multimedia capability)，适合零售点销售终端机 (Point-of-sales terminals) 和资讯亭 (information kiosks) 使用。

嵌入式系统之开发工具 (Development tools for embedded systems)

正如其他软体，嵌入式系统开发过程中也使用到编译器 (compilers)、组合语言编译 程式 (assemblers) 和 侦错工具 (debuggers)。 常用之开发工具有英特尔 (Intel) 的 C++ 编译器及 GNU 的 GCC 工具，前者是软体公司专门为嵌入式系统研发的工具，后者为可免费下载之开放来源码软体。

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