嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)課件

1、嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)第第1章章 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)什么是嵌入式？什么是嵌入式？嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)什么是嵌入式？什么是嵌入式？l嵌入式系統(tǒng)本身是一個(gè)相對(duì)模糊的定義。目前嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到我們生活中的每個(gè)角落，工業(yè)、服務(wù)業(yè)、消費(fèi)電子，而恰恰由于這種范圍的擴(kuò)大，使得“嵌入式系統(tǒng)”更加難于明確定義。 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)什么是嵌入式？什么是嵌入式？l舉個(gè)簡(jiǎn)單例子：一個(gè)手持的mp3是否可以叫做是嵌入式系統(tǒng)呢？答案肯定是“是”。另外一個(gè)PC104的微型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)你會(huì)認(rèn)為它是嵌入式系統(tǒng)嗎？當(dāng)然，也是，工業(yè)控制是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的一個(gè)典型應(yīng)用領(lǐng)域。然而比較兩者，你也許會(huì)發(fā)現(xiàn)二者幾乎完全不同，除了其

2、中都嵌入有微處理器。那是否可以說嵌入著微處理器的設(shè)備就是嵌入式系統(tǒng)？那鼠標(biāo)中也有單片機(jī)，能叫嵌入式系統(tǒng)嘛？ 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)什么是嵌入式？什么是嵌入式？ 根據(jù)IEEE（國際電機(jī)工程師協(xié)會(huì)）的定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置”（原文為devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。這主要是從應(yīng)用上加以定義的，從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)什么是嵌入式？什么是嵌入式？ 不過上述

3、定義并不能充分體現(xiàn)出嵌入式系統(tǒng)的精髓，目前國內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是： 以應(yīng)用為中心、以計(jì)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(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)。 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)的歷史嵌入式系統(tǒng)的歷史 雖然嵌入式系統(tǒng)是近幾年才風(fēng)靡起來的，但是這個(gè)概念并非新近才出現(xiàn)。從20世紀(jì)七十年代單片機(jī)的出現(xiàn)到今天各式各樣的嵌入式微處理器，微控制器的大規(guī)模應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有了近30年的發(fā)展歷史。 作為一個(gè)系統(tǒng)，往往是在硬件和軟件交替發(fā)展的雙螺旋的支撐下逐漸趨于穩(wěn)定和成熟，嵌入式系統(tǒng)也不例外。嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)的歷史嵌入式系統(tǒng)的歷史 嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)最初是基于

4、單片機(jī)的。70年代單片機(jī)的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)機(jī)器、通信裝置以及成千上萬種產(chǎn)品可以通過內(nèi)嵌電子裝置來獲得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。這些裝置已經(jīng)初步具備了嵌入式的應(yīng)用特點(diǎn)，但是這時(shí)的應(yīng)用只是使用位的芯片，執(zhí)行一些單線程的程序，還談不上“系統(tǒng)”的概念。 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)的歷史嵌入式系統(tǒng)的歷史 從80年代早期開始，嵌入式系統(tǒng)的程序員開始用 商業(yè)級(jí)的“操作系統(tǒng)”編寫嵌入式應(yīng)用軟件，這使得可以獲取更短的開發(fā)周期，更低的開發(fā)資金和更高的開發(fā)效率，“嵌入式系統(tǒng)”真正出現(xiàn)了。許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，包括任務(wù)管理、任務(wù)間通訊、同步與相互排斥、中斷支持、內(nèi)存管理等功能。其中比較著名的

5、有Ready System 公司的VRTX、Integrated System Incorporation (ISI)的PSOS和IMG的VxWorks、QNX公司的QNX 等。嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)的歷史嵌入式系統(tǒng)的歷史 90年代以后，隨著對(duì)實(shí)時(shí)性要求的提高，軟件規(guī)模不斷上升，實(shí)時(shí)核逐漸發(fā)展為實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS），并作為一種軟件平臺(tái)逐步成為目前國際嵌入式系統(tǒng)的主流。這時(shí)候更多的公司看到了嵌入式系統(tǒng)的廣闊發(fā)展前景，開始大力發(fā)展自己的嵌入式操作系統(tǒng)。除了上面的幾家老牌公司以外，還出現(xiàn)了Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，Nucleux，以及國內(nèi)的Hopen，Del

6、ta Os等嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)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)域工業(yè)控制交通管理信息家電家庭智能管理系統(tǒng)POS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)環(huán)境工程與自然機(jī)器人嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)嵌入式現(xiàn)狀和發(fā)展嵌入式現(xiàn)狀和發(fā)展嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)組成嵌入式系統(tǒng)組成硬件硬件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)應(yīng)用程序應(yīng)用程序嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)外設(shè)外圍電路嵌入式系統(tǒng)典型硬件結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)典型硬件結(jié)構(gòu)微處理器MPU電源模塊時(shí)鐘復(fù)位FlashRAMROMUSBLCD鍵盤其他嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)嵌入式處理器的分類嵌入式處理器的分類嵌入式處理器嵌入式微處理器MPU嵌入式微控制器MCU嵌入式片上系統(tǒng)SOC嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器DSP嵌入式

7、系統(tǒng)基礎(chǔ)ARMARM（Adanced RISC Machines），是一個(gè)公司名字，也是一種處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)名字。 1991年ARM公司成立于英國Cambridge，主要銷售晶片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。目前，采用ARM技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）核的微處理器，即我們通常說的ARM微處理器，已遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場(chǎng)，基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)ARM75%以上的市場(chǎng)份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各方面。 ARM公司是專門從事基于RISC技術(shù)晶片設(shè)計(jì)開發(fā)的公司，作為知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，本身不直接從

8、事晶片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的晶片，世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商（RFID射頻快報(bào)注：如PHILIPS、TI、Intel、BroadCom、ATMEL等）從ARM公司購買其設(shè)計(jì)的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，從而形成自己的ARM微處理器晶片進(jìn)入市場(chǎng)。嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)ARM目前，全世界有幾十家大的半導(dǎo)體公司都使用ARM公司的授權(quán)，因此既使得ARM技術(shù)獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個(gè)系統(tǒng)成本降低，使產(chǎn)品更容易進(jìn)入市場(chǎng)被消費(fèi)者所接受，更具有競(jìng)爭(zhēng)力。嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)ARM 產(chǎn)品產(chǎn)品CPU內(nèi)核lARM7：小型、快速、低能耗、集成式RISC內(nèi)核，用于

9、移動(dòng)通信。l ARM7TDMI(Thumb):這是公司授權(quán)用戶最多的一項(xiàng)產(chǎn)品，將ARM7指令集同Thumb擴(kuò)展組合在一起，以減少內(nèi)存容量和系統(tǒng)成本。同時(shí)，它還利用嵌入式ICE調(diào)試技術(shù)來簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并用一個(gè)DSP增強(qiáng)擴(kuò)展來改進(jìn)性能。該嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)ARM 產(chǎn)品產(chǎn)品 產(chǎn)品的典型用途是數(shù)字蜂窩電話和硬盤驅(qū)動(dòng)器。lARM9TDMI:采用5階段管道化ARM9內(nèi)核，同時(shí)配備Thumb擴(kuò)展、調(diào)試和Harvard總線。在生產(chǎn)工藝相同的情況下，性能可達(dá)ARM7TDMI的兩倍之多。常用于連網(wǎng)和頂置盒。嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)ARM 產(chǎn)品產(chǎn)品微處理器lARM710系列，包括ARM710、ARM710T、ARM720T和AR

10、M740T:低價(jià)、低能耗、封裝式常規(guī)系統(tǒng)微型處理器，配有高速緩存（Cache）、內(nèi)存管理、寫緩沖和JTAG。廣泛應(yīng)用于手持式計(jì)算、數(shù)據(jù)通信和消費(fèi)類多媒體。嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)ARM 產(chǎn)品產(chǎn)品lARM940T、920T系列:低價(jià)、低能耗、高性能系統(tǒng)微處理器，配有Cache、內(nèi)存管理和寫緩沖。應(yīng)用于高級(jí)引擎管理、保安系統(tǒng)、頂置盒、便攜計(jì)算機(jī)和高檔打印機(jī)。lStrongARM:性能很高、同時(shí)滿足常規(guī)應(yīng)用需要的一種微處理器技術(shù)，與DEC聯(lián)合研制，后來授權(quán)給Intel。SA110處理器、SA1100 PDA系統(tǒng)芯片和SA1500多媒體處理器芯片均采用了這一技術(shù)。嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)ARM 產(chǎn)品產(chǎn)品lARM7500和

11、ARM7500FE:高度集成的單芯片RISC計(jì)算機(jī)，基于一個(gè)緩存式ARM7 32位內(nèi)核，擁有內(nèi)存和I/O控制器、3個(gè)DMA通道、片上視頻控制器和調(diào)色板以及立體聲端口;ARM7500FE則增加了一個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算單元以及對(duì)EDO DRAM的支持。特別適合電視頂置盒和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)（NC）。嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)常用嵌入式芯片常用嵌入式芯片 S3C2410嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)常用嵌入式芯片常用嵌入式芯片 S3C2410l 內(nèi)部1.8V，存儲(chǔ)器3.3V，外部I/O3.3V，16KB數(shù)據(jù)Cache，16KB指令Cache，MMU。l 內(nèi)置外部存儲(chǔ)器控制器（SDRAM控制和芯片選擇邏輯）。l LCD控制器，一個(gè)LCD專業(yè)DMA

12、。l 4個(gè)帶外部請(qǐng)求線的DMA。l 3個(gè)通用異步串行端口（IrDA1.0，16-Byte Tx FIFO and 16-Byte Rx FIFO），2通道SPI嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)常用嵌入式芯片常用嵌入式芯片 S3C2410l 一個(gè)多主I2C總線，一個(gè)I2S總線控制器。l SD主接口版本1.0和多媒體卡協(xié)議版本2.11兼容。l 兩個(gè)USB HOST，一個(gè)USB DEVICE（VER1.1）。l 4個(gè)PWM定時(shí)器和一個(gè)內(nèi)部定時(shí)器。l 看門狗定時(shí)器。l 117個(gè)通用I/O。l 56個(gè)中斷源。嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)常用嵌入式芯片常用嵌入式芯片 S3C2410l 24個(gè)外部中斷。l 電源控制模式：標(biāo)準(zhǔn)、慢速、休眠、

13、掉電。l 8通道10位ADC和觸摸屏接口。l 帶日歷功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。l 芯片內(nèi)置PLL。l 設(shè)計(jì)用于手持設(shè)備和通用嵌入式系統(tǒng)。l 16/32位RISC體系結(jié)構(gòu)，使用ARM920T CPU核的強(qiáng)大指令集。嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)常用嵌入式芯片常用嵌入式芯片 S3C2410l 帶MMU的先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)支持WinCE、EPOC32、Linux。l 指令緩存（Cache）、數(shù)據(jù)緩存、寫緩存和物理地址TAG RAM，減小了對(duì)主存儲(chǔ)器帶寬和性能的影響。l ARM920T CPU核支持ARM調(diào)試的體系結(jié)構(gòu)。l 內(nèi)部先進(jìn)的位控制器總線（AMBA）（AMBA2.0，AHB/APB）。嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)軟件組成嵌入式

14、系統(tǒng)軟件組成軟件組成操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件系統(tǒng)內(nèi)核用戶界面驅(qū)動(dòng)程序通信協(xié)議開發(fā)工具調(diào)試器編譯器連接器嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)在大型嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，為了使嵌入式開發(fā)更加方便、快捷，需要具備一種穩(wěn)定、安全的軟件模塊集合，用以管理存儲(chǔ)器分配、中斷處理、任務(wù)間通信、定時(shí)器響應(yīng)和多任務(wù)處理，即嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)lOS是一段嵌入在目標(biāo)代碼中的軟件，用戶的其它應(yīng)用程序都建立在OS之上。OS將CPU時(shí)間、中斷、I/O、定時(shí)器等資源都包裝起來，留給用戶一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的API，并根據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，合理地在不同任務(wù)之間分配CPU時(shí)間。嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)嵌入式操作系統(tǒng)嵌

15、入式操作系統(tǒng)l主要功能：l 處理器管理；l 存儲(chǔ)器管理；l 設(shè)備管理；l 文件管理；l 用戶接口；嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)lWindows CElLinuxlVxWorkslPsoslQNXluC/OSlCMXliRMX嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)嵌入式操作系統(tǒng)分類嵌入式操作系統(tǒng)分類l（1）順序執(zhí)行系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)只含有一個(gè)程序，獨(dú)占CPU的運(yùn)行時(shí)間，按語句順序執(zhí)行該程序，直至執(zhí)行完畢，另一程序才能啟動(dòng)運(yùn)行。如DOS操作系統(tǒng)。l（2）分時(shí)操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)可以有多個(gè)程序運(yùn)行，把CPU的時(shí)間分按順序分成若干片，每個(gè)時(shí)間片內(nèi)執(zhí)行不同的程序。如UNIX，Linux。嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)嵌入式操作系統(tǒng)分類

16、嵌入式操作系統(tǒng)分類l（3）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)有多個(gè)程序運(yùn)行，每個(gè)程序有不同的優(yōu)先級(jí)，只有最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)才能占有CPU的控制權(quán)。 由于嵌入式操作通常具有實(shí)時(shí)性的要求，又稱為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS（Real-Time Operating System） 為什么使用RTOS？ 支持多任務(wù) 簡(jiǎn)化應(yīng)用軟件的開發(fā)難度嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOSl軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)：系統(tǒng)時(shí)限柔性靈活，可容忍偶然的超時(shí)錯(cuò)誤。失敗造成的后果并不嚴(yán)重，僅僅是輕微降低了系統(tǒng)的吞吐量。l硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)：系統(tǒng)時(shí)限呈剛性。不可改變，不允許出現(xiàn)任何的超時(shí)錯(cuò)誤。失敗造成的后果甚至可以導(dǎo)致系統(tǒng)失敗，或者導(dǎo)致系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)它的預(yù)期目標(biāo)。嵌

17、入式系統(tǒng)基礎(chǔ)幾種最常見的幾種最常見的RTOSl軟實(shí)時(shí)RTOS 嵌入式Linux Win CEl硬實(shí)時(shí)RTOS VxWorks OSE Nuclearl著名的open RTOS uC/OS-II RTEMSl自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的RTOS HOPEN Delta OS嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)典型的嵌入式操作系統(tǒng)典型的嵌入式操作系統(tǒng)l目前已經(jīng)商品化的嵌入式操作系統(tǒng)有兩百多種，如Microsoft的WinCE、嵌入式Linux等。嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)典型的嵌入式操作系統(tǒng)典型的嵌入式操作系統(tǒng)(1)、嵌入式LinuxLinux本身所具備的源碼開放、內(nèi)核可裁減等種種特性使其成為嵌入式開發(fā)的首選。在進(jìn)入市場(chǎng)的前兩年中，嵌入式Lin

18、ux的設(shè)計(jì)通過廣泛應(yīng)用而獲得了巨大成功。隨著嵌入式Linux技術(shù)的成熟，定制需要的尺寸更加方便，同時(shí)支持更多的平臺(tái)。Linux已從早期的試用階段大步邁進(jìn)到嵌入式市場(chǎng)的主流。嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)典型的嵌入式操作系統(tǒng)典型的嵌入式操作系統(tǒng)(2)、Windows CEWindows CE是微軟公司的產(chǎn)品，但不是消減的Windows版本。它是從整體上為有限資源的平臺(tái)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)。它的模塊化設(shè)計(jì)允許定制從掌上電腦到專用工控電子設(shè)備。Windows CE的缺點(diǎn)是價(jià)格過高，因此隨著嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)，微軟不得不應(yīng)付來自Linux等免費(fèi)系統(tǒng)的沖擊。嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)典型的嵌入式操作系統(tǒng)典型的嵌入式操作系統(tǒng)(3)、VxWorks VxWorks是美國WindRiver公司專門為實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的操作系統(tǒng)軟件。VxWorks擁有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在實(shí)時(shí)嵌入式操