Aunque los sistemas integrados sólo se han popularizado en los últimos años, el concepto de sistemas integrados existe desde hace mucho tiempo. Desde la aparición de los microcontroladores en la década de 1970 hasta el uso generalizado de varios microprocesadores y microcontroladores integrados en la actualidad, los sistemas integrados tienen una historia de casi 30 años. A lo largo del desarrollo de sistemas integrados, ha pasado aproximadamente por las siguientes cuatro etapas:
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Etapa del sistema no operativo
La aplicación inicial de los sistemas integrados se basó en microcontroladores, principalmente en forma de controladores programables, tienen funciones como monitoreo, servo e indicación de equipos. Generalmente se utiliza en diversos controles industriales y armas y equipos como aviones y misiles. Generalmente no hay soporte para el sistema operativo, por lo que solo puede usar lenguaje ensamblador para controlar directamente el sistema y borrar la memoria después de la operación. Aunque estos dispositivos tienen las características de aplicaciones integradas, solo utilizan chips de CPU de 8 bits para ejecutar algunos programas de un solo subproceso, por lo que estrictamente hablando no son un concepto de "sistema".
Las principales características de los sistemas integrados en esta etapa son: estructura y funciones del sistema relativamente simples, baja eficiencia de procesamiento, pequeña capacidad de almacenamiento y casi ninguna interfaz de usuario. Debido a su simplicidad de uso y bajo precio, este tipo de sistema integrado se ha utilizado ampliamente en el campo del control industrial, pero no puede cumplir con los requisitos de alta eficiencia de ejecución y capacidad de almacenamiento como los de los dispositivos de información.
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Etapa de sistema operativo simple
En la década de 1980, con la mejora de la tecnología microelectrónica, los fabricantes de circuitos integrados comenzaron a integrar los requisitos para aplicaciones integradas Todos los componentes , como microprocesadores, interfaces de E/S, interfaces serie, RAM, ROM, etc. Se convirtió en VLSI e hizo un microcontrolador diseñado para E/S, convirtiéndose en una estrella en ascenso en el campo de los sistemas integrados. Al mismo tiempo, los programadores de sistemas integrados también han comenzado a desarrollar software de aplicaciones integradas basado en algunos "sistemas operativos" simples, lo que ha acortado en gran medida el ciclo de desarrollo y ha mejorado la eficiencia del desarrollo.
En esta etapa, las principales características de los sistemas integrados son: aparece una gran cantidad de CPU integradas de bajo consumo y alta confiabilidad (como Power PC), y comienzan a aparecer y desarrollarse varios sistemas operativos integrados simples. rápidamente. . Aunque el sistema operativo integrado en este momento es relativamente simple, tiene cierta compatibilidad y escalabilidad, y el kernel es exquisito y eficiente. Se utiliza principalmente para controlar la carga del sistema y monitorear la ejecución de aplicaciones.
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Etapa del sistema operativo en tiempo real
En la década de 1990, impulsada por la enorme demanda de control distribuido, fabricación flexible, comunicaciones digitales y dispositivos de información, Los sistemas integrados se están desarrollando rápidamente y los productos DSP para algoritmos de procesamiento de señales en tiempo real se están desarrollando hacia alta velocidad, alta precisión y bajo consumo de energía. Con la mejora de los requisitos de hardware en tiempo real, la escala de software de los sistemas integrados también se está expandiendo y los sistemas operativos multitarea (RTOS) en tiempo real se forman gradualmente y se convierten en la corriente principal de los sistemas integrados.
Las principales características de los sistemas integrados en esta etapa son: el rendimiento en tiempo real del sistema operativo ha mejorado enormemente, puede ejecutarse en varios tipos de microprocesadores y es altamente modular y confiable. . En este momento, el sistema operativo integrado ya tiene funciones como administración de archivos y directorios, administración de dispositivos, multitarea, red, interfaz gráfica de usuario (GUI), etc., y proporciona una gran cantidad de interfaces de programas de aplicación (API). haciendo que el desarrollo de software de aplicaciones sea más fácil.
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Etapa orientada a Internet
El siglo XXI será sin duda una era de redes, y la necesidad de aplicar sistemas integrados a diversos entornos de red está aumentando naturalmente. . Cuanto más alto. Actualmente, la mayoría de los sistemas integrados están aislados de Internet. Con el mayor desarrollo de Internet, la integración de la tecnología de Internet con los dispositivos de información y la tecnología de control industrial se está acercando cada vez más. La combinación de dispositivos integrados e Internet es el verdadero futuro de la tecnología integrada.
La llegada de la era de la información y la era digital ha traído enormes oportunidades para el desarrollo de sistemas integrados, y también ha traído nuevos desafíos a los fabricantes de sistemas integrados.
En la actualidad, la combinación de tecnología integrada y tecnología de Internet está promoviendo el rápido desarrollo de la tecnología integrada. La investigación y la aplicación de sistemas integrados han producido los siguientes cambios importantes:
1. El sistema operativo integrado en sí está diseñado para ser más portátil y puede admitir más microprocesadores en poco tiempo.
2. El desarrollo de sistemas integrados se ha convertido en un proyecto sistemático. Los desarrolladores no sólo deben proporcionar el sistema de hardware y software integrado en sí, sino también proporcionar potentes herramientas de desarrollo de hardware y paquetes de soporte de software.
3. Las nuevas tecnologías y conceptos utilizados en las computadoras generales se trasplantan gradualmente a sistemas integrados, como bases de datos integradas, agentes móviles, CORBA en tiempo real, etc. , mejorando aún más la plataforma de software integrada.
4. Varios sistemas operativos Linux integrados se están desarrollando rápidamente. Debido a su código fuente abierto, núcleo de sistema pequeño, alta eficiencia de ejecución y estructura de red completa, es muy adecuado para sistemas integrados como dispositivos de información. Ahora ha formado una fuerte competencia con sistemas operativos integrados como Windows CE y Palm OS. .
5. Con la madurez de la tecnología de Internet y la mejora del ancho de banda, los requisitos de creación de redes e informatización se han vuelto cada vez más importantes. En el pasado, los dispositivos con una sola función, como teléfonos, teléfonos móviles, frigoríficos, hornos microondas, etc., ya no tienen una sola función, sino estructuras más complejas, y la interconexión de redes se ha convertido en una tendencia inevitable.
6. Optimice el núcleo del sistema, optimice los algoritmos clave y reduzca el consumo de energía y los costos de software y hardware.
7. Proporcionar una interfaz multimedia de interacción persona-computadora más amigable.
1.2 Arquitectura
Según la definición del Instituto Internacional de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), un sistema integrado es "un dispositivo utilizado para controlar, monitorear o ayudar en la operación de equipos, máquinas o plantas." En términos generales, toda la arquitectura del sistema integrado se puede dividir en cuatro partes: procesador integrado, periféricos integrados, sistema operativo integrado y software de aplicación integrado, como se muestra en la Figura 1.
Figura 1 La composición del sistema integrado
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Procesador integrado
El núcleo del sistema integrado son varios tipos de procesador integrado . La mayor diferencia entre los procesadores integrados y los procesadores de uso general es que la mayoría de las CPU integradas funcionan en sistemas diseñados específicamente para un grupo de usuarios específico. Integra en el chip muchas tareas completadas por la placa en una CPU de uso general, lo que resulta beneficioso para la miniaturización del diseño de sistemas integrados y también tiene una alta eficiencia y confiabilidad.
La arquitectura de los procesadores integrados se ha desarrollado desde CISC (Conjunto de instrucciones complejas) hasta RISC (Conjunto de instrucciones reducido) y RISC compacto, y el número de bits también se ha desarrollado gradualmente desde 4 bits, 8 bits, 16 bits y 32 bits. Los procesadores integrados de uso común actualmente se pueden dividir en unidades de microcontrolador integrado (MCU) de gama baja, unidades de microprocesador integrado de alta gama (EMPU), procesadores de señales digitales integrados (EDSP) utilizados en el campo de las comunicaciones informáticas y sistemas integrados altamente integrados. -chip (SOC).
En la actualidad, casi todos los fabricantes de semiconductores producen procesadores integrados y cada vez más empresas han comenzado a tener sus propios departamentos de diseño de procesadores. Según estadísticas incompletas, existen más de 1000 tipos de procesadores integrados en el mundo y más de 30 series de arquitecturas populares, entre las cuales ARM, PowerPC, MC 68000 y MIPS son las más utilizadas.