單片機在嵌入式系統中的應用

李涵鑫　鐘月棋

摘要：在現代社會通信技術、計算機技術、半導體技術日益發展的今天，嵌入式系統得到了更多廣泛的應用，成為當今社會飽受關注的領域之一。其帶來的后pc時代，將嵌入式系統的便捷性、實時性、智能性帶入生活家電、網絡監控，信息計算、工業技術等多個領域中。本文就此探討單片機與嵌入式系統的有關應用。

關鍵詞：嵌入式 ARM 單片機

引言

計算機行業自上個世紀八十年代起開始蓬勃發展，無論是從軟件的更新迭代，還是硬件的功能開發都有不小的應用領域，而嵌入式技術的發展在工業技術，網絡通信，物流管理，日常家具都帶來了巨大的變革，所以本文先行對于單片機與嵌入式系統進行總結，從而牽引出單片機在嵌入式系統中的應用。

1單片機簡述

1.1單片機概述

單片機，意指在一塊電路板上實現了一臺計算機。由于基于半導體集成電路技術的逐漸成熟，作為計算機工業的基礎技術，單片機也由理論概念成為具備可實現的技術。從早期僅以微處理器為核心，加以外圍電路形成一塊電路模板，到現在一塊徽控制器中，集成了CPU、內存儲器、通用I/O，計數器，串行通信等，已經成為一個具備較好實用性的MCU。單片機技術的發展成熟極大的促進了社會各領域的發展，尤其是針對于一些傳統領域無疑是巨大的節省了其人力與物力的開支。，社會需求的不斷提升，也不斷加速了先進技術的提高。作為全球最大的RISC芯片設計公司，ARM公司在嵌入式技術主要以精簡指令集為主，但由與社會要求的不斷提高，嵌入式技術也具備了相應的調整，例如對Java的支持、中斷技術，流水線處理等，此后ARM公司推出CortexA、CortexR、CortexM系列芯片，分別針對微處理器，實時控制，微處理器進行了分類應用，這樣重大的技術更新，既是對以往技術的整理，也是更好的進行功效更好的技術開發。

1.2單片機發展現狀

目前嵌入式技術已經進入成熟階段，目前所有的芯片設計廠商都在針對現有的指令集進行不斷地優化，比如ARM公司自ARM7開始增加到Thumb指令集，但其作為一個16位RISC指令集并不能很好的完成所有的32位標準指令集的功能，因此ARM公司將16位與32位指令集集合在一起，平衡了性能和成本以及低功耗的矛盾，這樣的方式也是未來指令集發展的主要趨勢。

目前單片機的發展趨勢更加的趨于集成與嵌入式，從早期的單板模型到后來的MCU微控制器，以至于到現在的soc嵌入式系統式單片機，無一不體現出集成與嵌入的設計思想。嵌入式技術的發展趨勢，就不可避免的提到指令集的優化與ARM的v4到v7架構，比如流水線技術的更新，從ARM7的三級流水到ARM9的五級流水，以及增加的分支預測，但值得一題的是，并不是架構的越高，便代表著低版本的架構便可以拋棄，ARM各版本的架構其定位于設計不一致，就導致了其各有各的特色功能，比如ARM9雖然采用五級流水，但其更多的針對于定位能力的優化，但對于一些實時性高要求的應用中，大多采用ARM7架構。

2嵌入式系統概述

2.1嵌入式系統基本特點

在IEEE定義中，嵌入式系統是“控制、監視或者輔助設備、機器和車間運行的裝置”，是指以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟硬件可裁減、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。

2.1.1特定功能性

嵌入式系統面向于特定機器有特定功能，具有低功耗、體積小，集成度好的特點。

2.1.2知識集成結構

嵌入式系統集合了計算機結構，半導體技術、以及先進的電子技術。其是各種高新技術的優秀集合。

2.1.3高集合性

由于單片機體積小，因此就必須在小范圍內做到最多功能的實現，因此精簡度高。

2.1.4環境不可開發

嵌入式系統需要借助一套完整的開發工具和環境進行開發。

2.2嵌入式系統組成部分

2.2.1嵌入式系統處理器

嵌入式系統處理器作為嵌入式系統的核心，具備優秀的信息處理能力。由于嵌入式系統具備高集成度特點，嵌入式系統處理器具有良好的可靠性和安全性。在單片機的不斷發展中嵌入式系統從開始復雜指令集（CISC）到精簡指令集（RISC），和完全精簡指令集的變化，其中系統結構在上文中也提到目前逐漸向soc嵌入式系統化方向發展的趨勢。

目前ARM處理器推出了了ARMlI后，不再開始向下進行兼容，從而推出了Cortex系列，其中包括A系列，R系列，M系列，分別針對微處理器，實時控制，微處理器進行了分類應用。Cortex將完全采用Thumb-2指令集進行完全的指令精簡操作，不僅如此其還推出了NVIC（可嵌入式中斷向量控制器），從而達到中斷控制，

2.2.2嵌入式系統外圍設備

基本存儲設備其中包括SRAM和DRAM，還有FLASH，根據其特點在嵌入式系統中采用不同的存儲設備。通信接口則包括USB接口、RS—232接口、Ethernet、GPIO等。

2.3嵌入式系統應用與發展前景

2.3.1嵌入式系統基礎應用

（1）家用電器

隨著智能家居概念的不斷火熱，嵌入式系統與傳統家電的結合不斷被人們所提到。在傳統的家電中，單片機在其中僅僅承擔著保持功能正常運行的目的，并不會去根據實際問題做出相應的調整，而更多的需要人工的幫助，在這樣的一種情況下，人工的壓力并沒有因此而減少。由于嵌入式系統的智能性，人們更多的寄于能盡可能少的減少人工的成分，因此嵌入式系統與家電的結合將帶領人們進入_個嶄新的領域。

（2）工業技術

工業生產中，精度會成為必不可少的衡量標準之一，而人工的進行將因為人力的必然缺陷，例如肉眼局限，精力有限等，這樣生產的出來的產品并不符合產品規范而且也會給企業帶來巨大損失，而嵌入式系統與工業相結合，其高度可靠性和唯一確定性，將確保每一個產品的規范符合要求，而且也大大減少了企業人力的開支。

（3）環境監測

環境監測站使用無人機，傳感器等檢測設備對惡劣環境，復雜地形進行針對性監測。其中包括水文環境系統監測，天氣狀況監測，空氣質量檢測，以及針對防洪體系以及堤壩安全進行相應的模擬實驗。

2.3.2嵌入式系統發展前景

如今嵌入式系統發展更加的趨于提供更加生動的人機交互界面;對于更多小型電子產品具備更好的移植性，從而實現其自動化，低功耗，智能化。

3基于單片機的嵌入式系統應用

3.1嵌入式系統在WEB服務器中的實例

在工業設計中，軟硬件的精簡性對于服務器有較高的要求，而傳統網絡服務器并不具有簡潔性，且支持網絡異構中實現對于計算機的遠程操控。而采用將網絡設備嵌入到嵌入式設備中，將大大減少用戶的訪問時間，以及能夠精準的控制外部I/O。而嵌入式WEB服務器不采用傳統的TCP/IP協議連入互聯網，而是選擇了由TCP/IP簡化的UIP協議棧實現嵌入式WEB服務器。這樣的嵌入式WEB服務器不僅具有簡潔性，而且使MCU具有更多的空間去控制外部I/O。

3.2基于嵌入式系統的傳感技術

物聯網領域從2009年溫家寶總理提出建立中國傳感信息中心開始便逐漸成為眾多學者企業關注的重點，而傳感技術作為物聯網領域的重要一環自然是必不可少。作為承擔著信息收集角色的傳感器，必然要與嵌入式系統進行有機的結合。智能傳感技術具有優秀的信息傳遞能力，智能傳感器具備物與物之間的信息交換、物與計算機之間的信息傳遞能力，將廣泛應用與計算機、通信等方面的信息交流和數據傳遞。嵌入式智能傳感器在物聯網領域具有重要作用。

參考文獻

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