嵌入式基礎(chǔ)教程ppt課件

1、1.嵌入式系統(tǒng) 2.嵌入式處理器 3.嵌入式操作系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)概述,1,1.1 嵌入式系統(tǒng),概述,經(jīng)過幾十年的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在很大程度改變了人們的生活、工作和娛樂方式，而且這些改變還在加速。嵌入式系統(tǒng)具有無數(shù)的種類，每類都具有自己獨(dú)特的個性。例如，MP3、數(shù)碼相機(jī)與打印機(jī)就有很大的不同。汽車中更是具有多個嵌入式系統(tǒng)，使汽車更輕快、更干凈、更容易駕駛,2,現(xiàn)實(shí)中的嵌入式系統(tǒng),即使不可見，嵌入式系統(tǒng)也無處不在。嵌入式系統(tǒng)在很多產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用并逐步改變著這些產(chǎn)業(yè)，包括工業(yè)自動化、國防、運(yùn)輸和航天領(lǐng)域。例如神州飛船和長征火箭中肯定有很多嵌入式系統(tǒng)，導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)也是嵌入式系統(tǒng)，高檔汽車

2、中也有多達(dá)幾十個嵌入式系統(tǒng)。 在日常生活中，人們使用各種嵌入式系統(tǒng)，但未必知道它們。事實(shí)上，幾乎所有帶有一點(diǎn)“智能”的家電（全自動洗衣機(jī)、電腦電飯煲）都是嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)廣泛的適應(yīng)能力和多樣性，使得視聽、工作場所甚至健身設(shè)備中到處都有嵌入式系統(tǒng),3,現(xiàn)實(shí)中的嵌入式系統(tǒng),4,嵌入式系統(tǒng)的概念,目前，對嵌入式系統(tǒng)的定義多種多樣，但沒有一種定義是全面的。下面給出兩種比較合理定義： 從技術(shù)的角度定義：以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。 從系統(tǒng)的角度定義：嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計完成復(fù)雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在

3、一起的計算機(jī)系統(tǒng)。術(shù)語嵌入式反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個完整的部分，稱為嵌入的系統(tǒng)。嵌入的系統(tǒng)中可以共存多個嵌入式系統(tǒng),5,嵌入式系統(tǒng)示例,汽車控制系統(tǒng),6,嵌入式系統(tǒng)示例,汽車控制系統(tǒng),尾燈控制系統(tǒng),后車門控制系統(tǒng),前車門控制系統(tǒng),座椅控制系統(tǒng),發(fā)動器控制系統(tǒng),所有的控制系統(tǒng)都是一個完整的嵌入式系統(tǒng),7,嵌入式系統(tǒng)的未來,早在1990年之前，嵌入式系統(tǒng)通常是很簡單的且具有很長的產(chǎn)品生命周期的自主設(shè)備。近些年來，嵌入式工業(yè)經(jīng)歷了巨大的變革。 產(chǎn)品市場窗口現(xiàn)在預(yù)計翻番的周期狂熱到69個月。 全球重新定義市場的機(jī)會和膨脹的應(yīng)用空間。 互聯(lián)現(xiàn)在是一個需求而不是輔助性的，包括用有線和剛剛顯露頭

4、角的無線技術(shù)。 基于電子的產(chǎn)品更復(fù)雜化。 互聯(lián)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生新的依賴網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用。 微處理器的處理能力按莫爾定律（Moores L aw）預(yù)計的速度在增加。該定律認(rèn)為集成電路和晶體管個數(shù)每18個月翻一番,8,1.嵌入式系統(tǒng) 2.嵌入式處理器 3.嵌入式操作系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)概述,9,簡介,早期的嵌入式系統(tǒng)通常使用普通個人計算機(jī)（PC）中的通用處理器。近年來，隨著大量先進(jìn)的微處理器制造技術(shù)的發(fā)展，越來越多的嵌入式系統(tǒng)用嵌入式處理器建造，而不是用通用目的的處理器。 這些嵌入式處理器可以大致分為以下幾類： 注重嵌入式處理器的尺寸、能耗和價格。應(yīng)用于PDA等不注重計算的設(shè)備； 注重嵌入式處理器的性

5、能。應(yīng)用于路由器等計算密集型的設(shè)備； 注重嵌入式處理器的性能、尺寸、能耗和價格。應(yīng)用于蜂窩電話等設(shè)備,10,1.2 嵌入式處理器,分類,嵌入式處理器可以分為以下幾大類： 嵌入式微處理器； 嵌入式微控制器； 嵌入式DSP處理器； 嵌入式片上系統(tǒng)（SOC,11,嵌入式微處理器,嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計算機(jī)中的CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計的電路板上，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)控制計算機(jī)相比，嵌

6、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器、總線、外設(shè)等安裝在一塊電路板上，稱為單板計算機(jī)。如STD-BUS、PC104等,12,嵌入式微控制器,嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，它是將整個計算機(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/計數(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

7、應(yīng)用需求，一般一個系列的單片機(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、數(shù)目眾

8、多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70的市場份額,13,嵌入式DSP處理器,DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計，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，過渡到采用嵌入式DSP處理器。 嵌入式DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品是Texas Instruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000 系列。TMS320系列處理器包括用于控制的 C2000系列，移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP

9、56000目前已經(jīng)發(fā)展成為DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP結(jié)構(gòu)低成本、低功耗技術(shù)上制造的R. E. A. L DSP處理器，特點(diǎn)是具備雙Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加單元，應(yīng)用目標(biāo)是大批量消費(fèi)類產(chǎn)品,14,嵌入式片上系統(tǒng)(SOC,隨著EDA的推廣和VLSI設(shè)計的普及化及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個硅片上實(shí)現(xiàn)一個更為復(fù)雜的系統(tǒng)的時代已來臨，這就是System On Chip(SOC)。各種通用處理器內(nèi)核將作為SOC設(shè)計公司的標(biāo)準(zhǔn)庫，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為 VLSI設(shè)計

10、中一種標(biāo)準(zhǔn)的器件，用標(biāo)準(zhǔn)的 VHDL等語言描述，存儲在器件庫中。用戶只需定義出其整個應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(shè)計圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗、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一般專用于某個或某類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。一個有代表性的產(chǎn)品是Philips的Smart XA，它將XA

11、單片機(jī)內(nèi)核和支持超過2048 位復(fù)雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個可加載JAVA或C語言的專用的SOC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如Internet安全方面,15,1.嵌入式系統(tǒng) 2.嵌入式處理器 3.嵌入式操作系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)概述,16,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),概述,計算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成，在發(fā)展初期沒有操作系統(tǒng)這個概念，用戶使用監(jiān)控程序來使用計算機(jī)。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)系統(tǒng)的硬件、軟件資源也愈來愈豐富，監(jiān)控程序已不能適應(yīng)計算機(jī)應(yīng)用的要求。于是在六十年代中期監(jiān)控程序又進(jìn)一步發(fā)展形成了操作系統(tǒng)(Operating System)。發(fā)展到現(xiàn)在，廣泛使用的有三種操作系統(tǒng)即多道批

12、處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)以及實(shí)時操作系統(tǒng),17,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),概述,時 間 先 后,18,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),概述,監(jiān) 控 程 序,操 作 系 統(tǒng),實(shí)時操作系統(tǒng),分時操作系統(tǒng),多道批處理操作系統(tǒng),時 間 先 后,實(shí)時操作系統(tǒng)是我們介紹的重點(diǎn),19,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),實(shí)時操作系統(tǒng)的特點(diǎn),IEEE 的實(shí)時UNIX分委會認(rèn)為實(shí)時操作系統(tǒng)應(yīng)具備以下的幾點(diǎn): 異步的事件響應(yīng) 切換時間和中斷延遲時間確定 優(yōu)先級中斷和調(diào)度 搶占式調(diào)度 內(nèi)存鎖定 連續(xù)文件 同步,20,總的來說實(shí)時操作系統(tǒng)是事件驅(qū)動的，能對來自外界的作用和信號在限定的時間范圍內(nèi)作出響應(yīng)。它強(qiáng)調(diào)的是實(shí)時性、可靠性和靈活性,

13、 與實(shí)時應(yīng)用軟件相結(jié)合成為有機(jī)的整體起著核心作用, 由它來管理和協(xié)調(diào)各項(xiàng)工作,為應(yīng)用軟件提供良好的運(yùn)行軟件環(huán)境及開發(fā)環(huán)境。 從實(shí)時系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)來看實(shí)時操作系統(tǒng)可以分為兩種：一般實(shí)時操作系統(tǒng)和嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng),實(shí)時操作系統(tǒng)的特點(diǎn),21,實(shí)時操作系統(tǒng)的特點(diǎn),一般實(shí)時操作系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)時處理系統(tǒng)的上位機(jī)和實(shí)時查詢系統(tǒng)等實(shí)時性較弱的實(shí)時系統(tǒng)，并且提供了開發(fā)、調(diào)試、運(yùn)用一致的環(huán)境。 嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)時性要求高的實(shí)時控制系統(tǒng)，而且應(yīng)用程序的開發(fā)過程是通過交叉開發(fā)來完成的，即開發(fā)環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境是不一致。嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)具有規(guī)模小(一般在幾K幾十K 內(nèi))、可固化使用實(shí)時性強(qiáng)(在毫秒或微秒數(shù)量級上

14、)的特點(diǎn),22,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,對基于芯片的開發(fā)來說，應(yīng)用程序一般是一個無限的循環(huán)，可稱為前后臺系統(tǒng)或超循環(huán)系統(tǒng)。 很多基于微處理器的產(chǎn)品采用前后臺系統(tǒng)設(shè)計，例如微波爐、電話機(jī)、玩具等。在另外一些基于微處理器應(yīng)用中，從省電的角度出發(fā)，平時微處理器處在停機(jī)狀態(tài)，所有事都靠中斷服務(wù)來完成,前后臺系統(tǒng),23,基本概念,中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分可以看成前臺行為，前臺也叫中斷級。時間相關(guān)性很強(qiáng)的關(guān)鍵操作一定是靠中斷服務(wù)程序來保證的,循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這部分可以看成后臺行為，后臺也可以叫做任務(wù)級。這種系統(tǒng)在處理的及時性上比實(shí)際可以做到的要差,前后臺系統(tǒng),24,1

15、.3 嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,操作系統(tǒng)是計算機(jī)中最基本的程序。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)計算機(jī)系統(tǒng)中全部軟硬資源的分配與回收、控制與協(xié)調(diào)等并發(fā)的活動；操作系統(tǒng)提供用戶接口，使用戶獲得良好的工作環(huán)境；操作系統(tǒng)為用戶擴(kuò)展新的系統(tǒng)功能提供軟件平臺,操作系統(tǒng),25,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,實(shí)時操作系統(tǒng)是一段在嵌入式系統(tǒng)啟動后首先執(zhí)行的背景程序，用戶的應(yīng)用程序是運(yùn)行于RTOS之上的各個任務(wù)，RTOS根據(jù)各個任務(wù)的要求，進(jìn)行資源(包括存儲器、外設(shè)等)管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度、異常處理等工作。在RTOS支持的系統(tǒng)中， 每個任務(wù)均有一個優(yōu)先級，RTOS根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級，動態(tài)地切換各個任務(wù)，保證對實(shí)時性的要求

16、,實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS,26,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個任務(wù)，或者說為每個任務(wù)分配CPU時間，并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通信。內(nèi)核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。使用實(shí)時內(nèi)核可以大大簡化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計，是因?yàn)閷?shí)時內(nèi)核允許將應(yīng)用分成若干個任務(wù)，由實(shí)時內(nèi)核來管理它們。內(nèi)核需要消耗一定的系統(tǒng)資源，比如25的CPU運(yùn)行時間、RAM和ROM等。 內(nèi)核提供必不可少的系統(tǒng)服務(wù)，如信號量、消息隊(duì)列、延時等,內(nèi)核,27,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,調(diào)度是內(nèi)核的主要職責(zé)之一。調(diào)度就是決定該輪到哪個任務(wù)運(yùn)行了。多數(shù)實(shí)時內(nèi)核是基于優(yōu)先級調(diào)度法的。每個任務(wù)根據(jù)其重要程序的不同被賦予一定的

17、優(yōu)先級?；趦?yōu)先級的調(diào)度法指CPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)先運(yùn)行。然而究竟何時讓高優(yōu)先級任務(wù)掌握CPU的使用權(quán)，有兩種不同的情況，這要看用的是什么類型的內(nèi)核，是非占先式的還是占先式的內(nèi)核,調(diào)度,28,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,非占先式內(nèi)核要求每個任務(wù)自我放棄CPU 的所有權(quán)。非占先式調(diào)度法也稱作合作型多任務(wù)，各個任務(wù)彼此合作共享一個CPU。異步事件還是由中斷服務(wù)來處理。中斷服務(wù)可以使一個高優(yōu)先級的任務(wù)由掛起狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。但中斷服務(wù)以后控制權(quán)還是回到原來被中斷了的那個任務(wù)，直到該任務(wù)主動放棄CPU的使用權(quán)時，那個高優(yōu)先級的任務(wù)才能獲得CPU的使用權(quán),非占先式內(nèi)核,29,1.

18、3 嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)時間很重要時，要使用占先式內(nèi)核。因此絕大多數(shù)商業(yè)上銷售的實(shí)時內(nèi)核都是占先式內(nèi)核。最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦就緒，總能得到CPU的控制權(quán)。當(dāng)一個運(yùn)行著的任務(wù)使一個比它優(yōu)先級高的任務(wù)進(jìn)入了就緒狀態(tài)，當(dāng)前任務(wù)的CPU使用權(quán)就被剝奪了，或者說被掛起了，那個高優(yōu)先級的任務(wù)立刻得到了CPU的控制權(quán)。如果是中斷服務(wù)子程序使一個高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，中斷完成時，中斷了的任務(wù)被掛起，優(yōu)先級高的那個任務(wù)開始運(yùn)行,占先式內(nèi)核,30,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,任務(wù)的優(yōu)先級是表示任務(wù)被調(diào)度的優(yōu)先程度。每個任務(wù)都具有優(yōu)先級。任務(wù)越重要，賦予的優(yōu)先級應(yīng)越高，越容易被調(diào)度而進(jìn)入運(yùn)

19、行態(tài),任務(wù)優(yōu)先級,31,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,中斷是一種硬件機(jī)制，用于通知CPU有個異步事件發(fā)生了。中斷一旦被識別，CPU保存部分（或全部）上下文即部分或全部寄存器的值，跳轉(zhuǎn)到專門的子程序，稱為中斷服務(wù)子程序（ISR）。中斷服務(wù)子程序做事件處理，處理完成后，程序回到： 1. 在前后臺系統(tǒng)中，程序回到后臺程序； 2. 對非占先式內(nèi)核而言，程序回到被中斷了的任務(wù)； 3. 對占先式內(nèi)核而言，讓進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)開始運(yùn)行,中斷,32,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,中斷,33,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,時鐘節(jié)拍是特定的周期性中斷。這個中斷可以看作是系統(tǒng)心臟的脈動。中斷之

20、間的時間間隔取決于不同應(yīng)用，一般在10ms到200ms之間。時鐘的節(jié)拍式中斷使得內(nèi)核可以將任務(wù)延時若干個整數(shù)時鐘節(jié)拍，以及當(dāng)任務(wù)等待事件發(fā)生時，提供等待超時的依據(jù)。時鐘節(jié)拍率越快，系統(tǒng)的額外開銷就越大,時鐘節(jié)拍,34,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),使用實(shí)時操作系統(tǒng)的必要性,嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應(yīng)用中用得越來越廣泛，尤其在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐大的應(yīng)用中顯得愈來愈重要。在嵌入式應(yīng)用中，只有把CPU嵌入到系統(tǒng)中，同時又把操作系統(tǒng)嵌入進(jìn)去，才是真正的計算機(jī)嵌入式應(yīng)用。使用實(shí)時操作系統(tǒng)主要有以下幾個因素： 嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性。 提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。 嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)充分

21、發(fā)揮了32位CPU的多任務(wù)潛力,35,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),實(shí)時操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：在嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)實(shí)時應(yīng)用程序使程序的設(shè)計和擴(kuò)展變得容易，不需要大的改動就可以增加新的功能。通過將應(yīng)用程序分割成若干獨(dú)立的任務(wù)模塊，使應(yīng)用程序的設(shè)計過程大為簡化；而且對實(shí)時性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。通過有效的系統(tǒng)服務(wù)，嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)資源得到更好的利用。 缺點(diǎn)：但是，使用嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)還需要額外的ROM/RAM開銷，25%的CPU額外負(fù)荷，以及內(nèi)核的費(fèi)用,36,uClinux是一個完全符合GNU/GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開放代碼。uClinux從Linux2.0/2.4內(nèi)核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。它是專門針對沒有MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了