嵌入式系統(tǒng)介紹PPT課件

1、嵌入式系統(tǒng)介紹 嵌入式系統(tǒng)基本概念嵌入式系統(tǒng)基本概念 嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 嵌入式系統(tǒng)硬件組成嵌入式系統(tǒng)硬件組成 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式計(jì)算機(jī) 嵌入式系統(tǒng)的概念 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) 嵌入式系統(tǒng)的分類 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍 嵌入式系統(tǒng)基本概念嵌入式系統(tǒng)基本概念 嵌入式計(jì)算機(jī)嵌入式計(jì)算機(jī)_發(fā)展歷史發(fā)展歷史F在電子計(jì)算機(jī)發(fā)展的初期，計(jì)算機(jī)一直是“供養(yǎng)”在特殊的機(jī) 房中的大型、昂貴的專用設(shè) 備，主要是實(shí)現(xiàn)一些特殊的數(shù)值計(jì) 算。 F同時(shí)微處理器表現(xiàn)出的智能化水平引起了設(shè)備制造、機(jī)電控制 等專業(yè)人士的興趣，要求將微型機(jī)嵌入到一個(gè)控制對(duì)象的體系 中，實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系的智能化控制。

2、 F微處理器的問(wèn)世極大的促進(jìn)了控制領(lǐng)域的發(fā)展，復(fù)雜的控 制系統(tǒng)最初只是由簡(jiǎn)單的設(shè)備組成，以微處理器這樣的部件 作為主要的控制和反饋器件，極大的提高了系統(tǒng)的可控性和 智能化。 嵌入式計(jì)算機(jī)嵌入式計(jì)算機(jī)_發(fā)展歷史發(fā)展歷史 F經(jīng)過(guò)發(fā)展，到80年代初微處理器及微控制器各自已發(fā)展為 一個(gè)龐大的家族，以Intel公司x86為主流的應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算 機(jī)PC的微處理器格局已形成。 F為了區(qū)別于原有使用在PC的通用計(jì)算機(jī)，把嵌入到對(duì)象體 系中、實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系智能化控制的微控制器的計(jì)算機(jī)，稱作 嵌入式計(jì)算機(jī)。 F因此，嵌入式計(jì)算機(jī)是誕生于微處理器發(fā)展時(shí)代; 嵌入式計(jì)算機(jī)嵌入式計(jì)算機(jī)_基本特征和應(yīng)用范圍基本特征和應(yīng)用范

3、圍 F嵌入式計(jì)算機(jī)在應(yīng)用數(shù)量上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了各種通用計(jì)算機(jī)，一 臺(tái)通用計(jì)算機(jī)的外設(shè)中就包含了多個(gè)嵌入式微處理器。鍵盤、 鼠標(biāo)、軟驅(qū)、硬盤、顯示卡、顯示器、Modem、網(wǎng)卡、聲卡、 打印機(jī)、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、USB集線器等都是由嵌入式處理 器控制的。 F在制造工業(yè)、過(guò)程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航 空、航天、軍事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等方面均是嵌入式計(jì)算機(jī)廣 泛應(yīng)用的領(lǐng)域。 嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)的概念 嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對(duì)象體中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以嵌入式 計(jì)算機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)是繼IT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，又一個(gè)新 的技術(shù)發(fā)展方向。 IEEE對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義為： F嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)

4、視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備 的裝置”（devices used to control、monitor、or assist the operation of equipment、machinery or plants） F這主要是從應(yīng)用對(duì)象上加以定義，涵蓋了軟、硬件及輔助 機(jī)械設(shè)備。 嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)的概念_國(guó)內(nèi)國(guó)內(nèi)的定義的定義 國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)定義為： F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、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功 耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 F 相比較而言國(guó)內(nèi)的定義更全面一些，體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)“嵌入”、“專用性”、“計(jì)算機(jī)”的基本要素和 特征

5、。 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) (嵌入式系統(tǒng)與PC之間的區(qū)別) F嵌入式系統(tǒng)一般是專用系統(tǒng)，而PC是通用計(jì)算平臺(tái) F嵌入式系統(tǒng)的資源比PC少得多 F嵌入式系統(tǒng)軟件故障帶來(lái)的后果比PC機(jī)大得多 F嵌入式系統(tǒng)一般采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) F嵌入式系統(tǒng)大都有成本、功耗的要求 F嵌入式系統(tǒng)得到多種微處理體系的支持 F嵌入式系統(tǒng)需要專用的開(kāi)發(fā)工具 嵌入式系統(tǒng)的分類嵌入式系統(tǒng)的分類 一 按表現(xiàn)形式分（硬件范疇） F芯片級(jí)嵌入（含程序或算法的處理器） F模塊級(jí)嵌入（系統(tǒng)中的某個(gè)核心模塊） F系統(tǒng)級(jí)嵌入 二.按實(shí)時(shí)性要求分（軟件范疇） ： F非實(shí)時(shí)系統(tǒng)（PDA） F軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)（消費(fèi)類產(chǎn)品） F硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)（工業(yè)和

6、軍工系統(tǒng)） 嵌入式技術(shù)無(wú)處不在 消費(fèi)電子消費(fèi)電子 嵌入式應(yīng)用嵌入式應(yīng)用 信息家電信息家電 智能玩具智能玩具 軍事電子軍事電子 通信設(shè)備通信設(shè)備 移動(dòng)存貯移動(dòng)存貯 工控設(shè)備工控設(shè)備 智能儀表智能儀表 汽車電子汽車電子 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 工業(yè)工業(yè) 軍事國(guó)防軍事國(guó)防 電子商務(wù)電子商務(wù) 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò) 嵌入式應(yīng)用_無(wú)線電的發(fā)展 Bush收音機(jī) 7個(gè)晶體管 單二極管 Evoke DAB收音機(jī) 1億個(gè)晶體管 2-3個(gè)嵌入式處理器 BTH礦石收音機(jī) 單二極管 電話的發(fā)展 電話 無(wú)晶體管 BT DECT 1千萬(wàn)個(gè)晶體管 3個(gè)處理器 諾基亞手機(jī) 超過(guò)7億個(gè)晶體管 (多數(shù)用于存儲(chǔ)器) 5-6個(gè)處理器 194020012

7、002 計(jì)算機(jī)的發(fā)展 Apple Macintosh 黑白顯示器 1 MIP 處理器 惠普康柏掌上電腦 彩色顯示 200 MIP 處理器 64MB 內(nèi)存 袖珍型 Acorn Archimedes 彩色顯示器 10 MIP 處理器 RISC集 航海儀器的發(fā)展 地圖、時(shí)鐘、指南針 印刷及磁技術(shù) 無(wú)晶體管 GarminGPS定位器 約1億個(gè)晶體管 2-3個(gè)處理器 + 4個(gè)人造衛(wèi)星! Raytheon 船用航海儀器 175919992002 日用電器的發(fā)展 Apple IPODApple IPOD 100 張CDs 袖珍型 四處理器 HP 1315HP 1315 照片質(zhì)量彩色打印機(jī) 雙處理器 Game

8、Boy AdvanceGameBoy Advance 手持式彩色聯(lián)網(wǎng)型 雙處理器 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 消費(fèi)類電子智能玩具、手持通訊的核心 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 智能玩具與機(jī)器人 汽車電子 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 軍事國(guó)防領(lǐng)域 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 航天領(lǐng)域 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 應(yīng)用程序 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS） 輸入輸出接口 處理器/ARM核 MMU/Cache SOC/SOPC USB GPIO IIS LCD UART和IrDAADC/DACFPGA/CPLD DSP/浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理

9、器 DMA 電源管 理 圖1-1 典型的嵌入式系統(tǒng)組成 人機(jī)交互接口LCD/觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo) 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、HAL、BSP 文件系統(tǒng)/圖形用戶應(yīng)用程序接口 驅(qū)動(dòng)層 OS層 應(yīng)用層 軟件 硬件 以太網(wǎng) 看門狗及復(fù) 位電路 Timer/RTC CAN Flash EEPROM SDRAM SRAM 內(nèi) 存 嵌入式系統(tǒng)硬件組成嵌入式系統(tǒng)硬件組成_處理器處理器 F嵌入式處理器可以分為三類： 嵌入式微處理器（Microprocessor） 嵌入式微控制器MCU（Microcontroller Unit） 嵌入式DSP（Digital Signal Processor） 嵌入式微處理器嵌入式微處理器 嵌

10、入式微處理器就是和通用計(jì)算機(jī)的微處理器對(duì)應(yīng)的CPU。 在應(yīng)用中，早期的嵌入式系統(tǒng)是將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的 電路板上，在電路板上設(shè)計(jì)了和嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的功能模塊， 這樣可以滿足嵌入式系統(tǒng)體積小和功耗低的要求。 目前的嵌入式處理器主要包括：Am186/88、386EX、PowerPC、 Motorola 68000、ARM、MIPS系列等等。 嵌入式微控制器嵌入式微控制器 嵌入式微控制器又稱為單片機(jī)，它將CPU、存儲(chǔ)器（少量的RAM、ROM或兩者都有）和其它外設(shè)封裝在同 一片集成電路里。 常見(jiàn)的有8051。嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，顧名思義，就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。 和嵌入式微處

11、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。 嵌入式微控制器嵌入式微控制器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（控制器局域網(wǎng)）、LCD及眾多專用 MCU和兼容系列。 嵌入式

12、嵌入式DSP 嵌入式DSP專門用來(lái)對(duì)離散時(shí)間信號(hào)進(jìn)行極快的處理計(jì)算，提 高了編譯效率和執(zhí)行速度。 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)用正在從通用微處理器中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功 能，過(guò)渡到采用嵌入式DSP處理器實(shí)現(xiàn)DSP功能。 ARM系列內(nèi)核介紹系列內(nèi)核介紹 ARM體系結(jié)構(gòu)和體系結(jié)構(gòu)和VLSI實(shí)現(xiàn)技術(shù)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)技術(shù)特點(diǎn) 把簡(jiǎn)單的硬件和指令集結(jié)合起來(lái)，這是 RISC思 想的基礎(chǔ); 但仍然保留一些CISC的特征，并且因此達(dá)到了比 純粹RISC更高的代碼

13、密度，使得ARM獲得其功耗 效率和較小的核面積。 VLSI實(shí)現(xiàn)技術(shù) ARM系列內(nèi)核介紹 ARM處理器核當(dāng)前有6 個(gè)系列產(chǎn)品： q ARM7 ARM9 q ARM9E ARM10E, q SecurCore ARM11 Intel公司推出的： q StrongARM q XScale 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng) F嵌入式操作系統(tǒng) F嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) F典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng) F嵌入式系統(tǒng)一般具有實(shí)時(shí)特點(diǎn)。所謂實(shí)時(shí)系統(tǒng)，是指一個(gè)優(yōu)先 等級(jí)高的任務(wù)能夠獲得立即的、沒(méi)有延遲的服務(wù)，它不需要等 候任何其它任務(wù)。而且在得到CPU的使用權(quán)后，它可以一直執(zhí) 行到工作結(jié)束或是有

14、更高等級(jí)的進(jìn)程出現(xiàn)為止。 F嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的靈魂，它的出現(xiàn)大大提高了嵌 入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的效率，減少了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的總工作量，而且提高 了嵌入式應(yīng)用軟件的可移植性。 RTOS的結(jié)構(gòu)圖 應(yīng)用程序 驅(qū)動(dòng)程序、硬件抽象層、板級(jí)支持包 文件系統(tǒng)/圖形用戶接口 驅(qū)動(dòng)層 OS層 應(yīng)用層 擴(kuò)展模塊 基本模塊 進(jìn)程調(diào)度 內(nèi)存管理調(diào)度 文 件 管 理 進(jìn) 程調(diào)度 OS核 圖形驅(qū)動(dòng) 數(shù)據(jù)庫(kù)模 塊 應(yīng)用程序接口（API） 硬件 （Hardware） 網(wǎng) 絡(luò) 模 塊 調(diào) 度 圖1- 4 RTOS體系結(jié)構(gòu)圖 典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹 F嵌入式操作系統(tǒng)的種類繁多，但大體上可分為兩種商用型和免費(fèi)型。

15、 F目前商用型的操作系統(tǒng)主要有VxWorks、Windows CE 、Psos、Palm OS、OS-9、LynxOS、QNX、LYNX 等; 典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹 F它們的優(yōu)點(diǎn)是功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，而且提供了如圖形用戶界面和網(wǎng)絡(luò)支持等 高端嵌入式系統(tǒng)要求許多高級(jí)的功能; F缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴且源代碼封閉性，這大大限制了開(kāi)發(fā)者的積極性。 典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹 F目前免費(fèi)型的操作系統(tǒng)主要有Linux和C/OS-II， 它們?cè)趦r(jià)格方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。 F比如嵌入式Linux操作系統(tǒng)以價(jià)格低廉、功能強(qiáng) 大、易于移植而且程序源碼全部公

16、開(kāi)等優(yōu)點(diǎn)正在 被廣泛采用，成為新興的力量。 典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹 FC/OS-II 嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核 C/OS-II是一個(gè)可裁減的、源碼開(kāi)放的、結(jié)構(gòu)小巧、可剝奪型的實(shí)時(shí)多 任務(wù)內(nèi)核，主要面向中小型嵌入式系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、 可移植性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。 C/OS-II中最多可以支持64個(gè)任務(wù)，分別對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)063，其中0為最高 優(yōu)先級(jí)。實(shí)時(shí)內(nèi)核在任何時(shí)候都是運(yùn)行就緒了的最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，是真 正的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。 C/OS-II最大程度上使用ANSI C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，現(xiàn)已成功移植到近40多種處 理器體系上。 典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹典型嵌入式操作

17、系統(tǒng)介紹 FWinCE操作系統(tǒng) Microsoft Windows CE是針對(duì)有限資源的平臺(tái)而設(shè)計(jì)的多線程、完整優(yōu) 先權(quán)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)，但它不是一個(gè)硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。 高度模塊化是WinCE的一個(gè)鮮為人知的特性，這一特性有利與它對(duì)從掌 上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶電子設(shè)備進(jìn)行定制。 WinCE操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少200K的ROM，它支持 Win32 API子 集、多種用戶界面硬件、多種的串行和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、COM/OLE和其他 的進(jìn)程間通訊的先進(jìn)方法。Microsoft公司為Windows CE提供了Platform Builder和Embedded Visual Studio開(kāi)發(fā)工

18、具。 典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹 FClinux Clinux是針對(duì)無(wú)MMU 微處理器開(kāi)發(fā)的，已經(jīng)被廣泛使用在ColdFire、ARM、MIPS、SPARC、SuperH 等等沒(méi)有MMU的微處理器上。 雖然Clinux的內(nèi)核要比原Linux 2.0內(nèi)核小的多, 但保留了Linux 操作系統(tǒng)穩(wěn)定性好，網(wǎng)絡(luò)能力優(yōu)異以及對(duì) 文件系統(tǒng)的支持等主要優(yōu)點(diǎn)。 典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹 Clinux同標(biāo)準(zhǔn)Linux的最大區(qū)別在于 內(nèi)存管理。 標(biāo)準(zhǔn)Linux是針對(duì)有MMU的處理器設(shè)計(jì)的，在這 種處理器上，虛擬地址被送到MMU，把虛擬地址 映射為物理地址。通過(guò)賦予每個(gè)任務(wù)不同

19、的虛擬- 物理地址轉(zhuǎn)換映射，支持不同任務(wù)之間的保護(hù)。 對(duì)于Clinux來(lái)說(shuō)，其設(shè)計(jì)針對(duì)沒(méi)有MMU的處理器，不能使用虛擬內(nèi)存管理技術(shù)。 典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹 FClinux CLinux對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)是直接的，即它對(duì)地址的訪問(wèn)不需要經(jīng) 過(guò)MMU，而是直接送到地址線上輸出，所有程序中訪問(wèn)的地址 都是實(shí)際的物理地址，CLinux對(duì)內(nèi)存空間不提供保護(hù)，各個(gè)進(jìn) 程實(shí)際上共享一個(gè)運(yùn)行空間。 在實(shí)現(xiàn)上，CLinux仍采用存儲(chǔ)器的分頁(yè)管理，系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí) 把實(shí)際存儲(chǔ)器進(jìn)行分頁(yè)，在加載應(yīng)用程序時(shí)，程序分頁(yè)加載。 但是由于沒(méi)有MMU管理，所以CLinux采用實(shí)存儲(chǔ)器管理策略 （real mem

20、eory management）。 結(jié)束! 嵌入式計(jì)算機(jī)嵌入式計(jì)算機(jī)_基本特征和應(yīng)用范圍基本特征和應(yīng)用范圍 F嵌入式計(jì)算機(jī)在應(yīng)用數(shù)量上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了各種通用計(jì)算機(jī)，一 臺(tái)通用計(jì)算機(jī)的外設(shè)中就包含了多個(gè)嵌入式微處理器。鍵盤、 鼠標(biāo)、軟驅(qū)、硬盤、顯示卡、顯示器、Modem、網(wǎng)卡、聲卡、 打印機(jī)、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、USB集線器等都是由嵌入式處理 器控制的。 F在制造工業(yè)、過(guò)程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航 空、航天、軍事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等方面均是嵌入式計(jì)算機(jī)廣 泛應(yīng)用的領(lǐng)域。 嵌入式應(yīng)用_無(wú)線電的發(fā)展 Bush收音機(jī) 7個(gè)晶體管 單二極管 Evoke DAB收音機(jī) 1億個(gè)晶體管 2-3個(gè)嵌入式處理器 BTH礦石收音機(jī) 單二極管 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 嵌入式微處理器嵌入式微處理器 嵌入式微處理器就是和通用計(jì)算機(jī)的微處理器對(duì)應(yīng)的CPU。 在應(yīng)用中，早期的嵌入式系統(tǒng)是將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的 電路板上，在電路板上設(shè)計(jì)了和嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的功能模塊， 這樣可以滿足嵌入式系統(tǒng)體積小和功耗低的要求。 目前的嵌入式處理器主要包括：Am186/88、386EX、PowerPC、 Motorola 68000、ARM、MIPS系列等等。 ARM系列內(nèi)核介紹系列內(nèi)核介紹 ARM體系結(jié)構(gòu)和體系結(jié)構(gòu)和VLSI實(shí)現(xiàn)技術(shù)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)技術(shù)特點(diǎn) 把簡(jiǎn)單