方彥軍 第1章 嵌入式系統(tǒng)引言

1、1嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計 第一章 嵌入式系統(tǒng)概論2本章提要嵌入式系統(tǒng)的基本概念嵌入式系統(tǒng)的基本概念 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 嵌入式處理器和操作系統(tǒng)嵌入式處理器和操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)31.1 嵌入式系統(tǒng)的基本概念 “嵌入式系統(tǒng)”一般指非PC系統(tǒng)，有計算機功能但又不稱之為計算機的設(shè)備或器材。它是以應(yīng)用為中心，軟硬件可縮擴的，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)；主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成。41.1.1嵌入式系統(tǒng)的定義 根據(jù)IEEE（國際電氣和電子工程

2、師協(xié)會）的定義： 嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置”（原文為devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。 可以看出此定義是從應(yīng)用上考慮的，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機電等附屬裝置。 5l嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應(yīng)用為目的的計算機系統(tǒng)。可分為系統(tǒng)級、板級、片級l系統(tǒng)級：各種類型的工控器l板級：各種類型的帶CPU的主板及OEM產(chǎn)品l片級：各種以單片機、DSP、微處理器為核心的產(chǎn)品6 定義上可從幾方面來理解嵌入式系統(tǒng)： 嵌入

3、式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強的專用性，必須結(jié)合實際系統(tǒng)需求進行合理的裁減利用。 嵌入式系統(tǒng)具有高實時性和高可靠性。 嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求對軟硬件進行裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。71.1.2嵌入式系統(tǒng)的特點 （1）功能特定性 一般嵌入式系統(tǒng)具有特定應(yīng)用、特定功能要求。 （2）規(guī)?？勺冃?嵌入式系統(tǒng)一般是以最小系統(tǒng)為核心，外圍器件可擴充和裁減的系統(tǒng)。 （3）實時性與穩(wěn)定性 嵌入式系統(tǒng)在大多數(shù)領(lǐng)域?qū)崟r和穩(wěn)定性都有很高的要求，特別是在設(shè)計人身安全的控制領(lǐng)域、如航空、汽車控制等領(lǐng)域。8系統(tǒng)其他特性（1）操作系統(tǒng)內(nèi)核小l由于嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置 的，系

4、統(tǒng)資源相對有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。l比如ENEA公司的OSE分布式系統(tǒng)，內(nèi)核只有5K，而Windows的內(nèi)核則要大得多。9（）專用性強 嵌入式系統(tǒng)的個性化很強，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對硬件進行系統(tǒng)的移植。l即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進行修改。l同時針對不同的任務(wù)，往往需要對系統(tǒng)進行較大更改，程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結(jié)合，這種修改和通用軟件的“升級”是完全不同的概念。 10（）系統(tǒng)精簡l嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的明顯區(qū)分，不要求其功能設(shè)計及實現(xiàn)上過于復(fù)雜，這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，同時也利于實現(xiàn)系統(tǒng)安全

5、。（）高實時性O(shè)Sl這是嵌入式軟件的基本要求，而且軟件要求固態(tài)存儲，以提高速度。軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性、實時性。 11（5）使用多任務(wù)的實時操作系統(tǒng)l嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)只接在芯片上運行。l為了合理地調(diào)度多任務(wù)、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTOS （RealTime Operating System）開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保障軟件質(zhì)量。12（6）嵌入式系統(tǒng)需要開發(fā)工具和環(huán)境l由于其本身不具備自主開發(fā)能力，即使設(shè)計完成以后，用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開

6、發(fā)。l這些工具和環(huán)境一般是基于通用計算機上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。l開發(fā)時往往有主機和目標機的概念，主機用于程序的開發(fā)，目標機作為最后的執(zhí)行機，開發(fā)時需要交替結(jié)合進行。 131.1.3嵌入式系統(tǒng)的分類主要從實時性進行劃分u硬實時系統(tǒng) 是指系統(tǒng)要確保在最壞情況下的服務(wù)時間，對于事件響應(yīng)時間的截止期限必須得到滿足。u軟實時系統(tǒng) 其時限是一個柔性靈活的，可以容忍偶然的超時錯誤。失敗造成的后果并不嚴重。141.1.4 嵌入式系統(tǒng)的組成 嵌入式系統(tǒng)既然是一種專用的計算機應(yīng)用系統(tǒng)，當然也包括嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件兩大部分。由于嵌入式系統(tǒng)是一個應(yīng)用系統(tǒng)，因此還有應(yīng)用中的執(zhí)行機構(gòu)，用

7、于實現(xiàn)對其它設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。151.1.5 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域l工業(yè)控制l交通管理l信息家電l家庭智能管理系統(tǒng)lPOS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)l環(huán)境監(jiān)測l機器人161消費類電子產(chǎn)品應(yīng)用 如智能冰箱、流媒體電視等。如圖1-2所示，大家最熟悉的莫過于手機、PDA、電子辭典、數(shù)碼相機、MP3/MP4等。 2智能儀器、儀表類應(yīng)用 這類產(chǎn)品可能離日常生活有點距離，但是對于開發(fā)人員來說卻是實驗室里的必備工具，比如網(wǎng)絡(luò)分析儀、數(shù)字示波器、熱成像儀等。3通信信息類產(chǎn)品應(yīng)用 這些產(chǎn)品多數(shù)應(yīng)用于通信機柜設(shè)備中，如路由器、交換機、家庭媒體網(wǎng)關(guān)等。4過程控制類應(yīng)用 過程控制類應(yīng)用主要指在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用。5

8、國防武器設(shè)備應(yīng)用 如雷達識別、軍用數(shù)傳電臺、電子對抗設(shè)備等。6生物微電子應(yīng)用 指紋識別、生物傳感器數(shù)據(jù)采集等應(yīng)用中也廣泛采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。17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)備移動存貯移動存貯工控設(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)備消費電子消費電子軍事國防軍事國防電子商務(wù)電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制工業(yè)控制1819PDA 可視電話可視電話 機器人機器人 SONY機器狗機器狗 20l手機、小靈通、智能手機、手機、小靈通、智能手機、3C3C合一合一21阿富汗參加反恐作戰(zhàn)的“赫耳墨斯”價值4萬美元，可攜帶2架攝像機，發(fā)揮了很好作

9、用。嵌入式技術(shù)在國防武器設(shè)備的應(yīng)用22嵌入式系統(tǒng)高性能武器平臺的基礎(chǔ)23嵌入式Internet應(yīng)用24嵌入式系統(tǒng)與機器人技術(shù)嵌入式系統(tǒng)與機器人技術(shù)圖：卡耐基梅隆大學(xué)和瑞士圖：卡耐基梅隆大學(xué)和瑞士EPFLEPFL研制的機器人控制器研制的機器人控制器 （采用卡西歐（采用卡西歐PDAPDA和和Windows CEWindows CE） 25262728高高 48 cm48 cm重重: 6 kg: 6 kg靈活性：靈活性：20 DOF20 DOF操作系統(tǒng)操作系統(tǒng): RT-Linux: RT-Linux接口形式接口形式: USB 1.0 (12Mbps): USB 1.0 (12Mbps)響應(yīng)周期響應(yīng)周

10、期: 1ms: 1ms能源：能源： DC24V x 6.2A (150W)DC24V x 6.2A (150W)制造：富士通制造：富士通 293031機器魚的智能控制32尾鰭驅(qū)動子尾鰭驅(qū)動子系統(tǒng)系統(tǒng)GPSGPS導(dǎo)導(dǎo)航航子子系系統(tǒng)統(tǒng)羅羅盤盤定定位位子子系系統(tǒng)統(tǒng)上升下潛上升下潛子系統(tǒng)子系統(tǒng)水泵/水柜裝置水泵/水柜裝置機器魚關(guān)節(jié)電機器魚關(guān)節(jié)電機機基于ARM的嵌入式控制器基于ARM的嵌入式控制器測測距距傳傳感感器器壓壓力力深深度度傳傳感感器器無線通信無線通信模塊模塊智能機器魚的嵌入式控制器智能機器魚的嵌入式控制器主控計算主控計算機機基于ARM的嵌入式控制器方案設(shè)計 33模塊化機器人的智能控制 34機器

11、蛇的智能控制 35嵌入式系統(tǒng)在生物微電子應(yīng)用l在指紋識別、生物傳感器數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測等方面，嵌入式系統(tǒng)得到了充分應(yīng)用。361.2 嵌入式處理器嵌入式處理器嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)。l嵌入式微處理器一般就具備以下4個特點： (1) 對實時多任務(wù)有很強的支持能力。 (2) 具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。 (3) 可擴展的處理器結(jié)構(gòu)。 (4) 嵌入式微處理器必須功耗很低。l與其他類型的操作系統(tǒng)相比，嵌入式操作系統(tǒng)具有以下一些特點。(1) 體積小。 (2) 實時性。 (3) 特殊的開發(fā)調(diào)試環(huán)境。37嵌入式處理器可分為：l低端的微控制器（Microcontroller Unit

12、，MCU）；l中高端的嵌入式微處理器（Embedded Micro-Processor Unit ,EMPU）；l通信領(lǐng)域的DSP處理器(Digital Signal Processor ,DSP)；l高度集成的片上系統(tǒng)(System on Chip，SoC)。38嵌入式微處理器一般具有以下特點：l嵌入式微處理器在設(shè)計中考慮低功耗。l采用可擴展的處理器結(jié)構(gòu)。l具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。l提供豐富的調(diào)試功能。l對實時多任務(wù)具有很強的支持能力。39典型嵌入式處理器 1.ARM/StrongARM2.MIPS3.PowerPC4.x865.68KColdfire401.3 嵌入式操作系統(tǒng) 操作系

13、統(tǒng)OS（Operation System）是一組計算機程序的集合，用來有效地控制和管理計算機的硬件和軟件資源，即合理地對資源進行調(diào)度，并為用戶提供方便的應(yīng)用接口。它為應(yīng)用支持軟件提供運行環(huán)境，即對程序開發(fā)者提供功能強、使用方便的開發(fā)環(huán)境。 功能：l 處理器管理l 存儲器管理l 設(shè)備管理l 文件管理l 用戶接口41類型：l順序執(zhí)行系統(tǒng)。l分時操作系統(tǒng)。l實時操作系統(tǒng)。42 實時操作系統(tǒng)是能夠根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境的要求對內(nèi)核進行裁減和重配置的操作系統(tǒng)。根據(jù)其面向?qū)嶋H應(yīng)用領(lǐng)域的不同其組成也有所不同。但一般都包括以下幾個重要組成部分：l實時內(nèi)核。l網(wǎng)絡(luò)組件。l文件系統(tǒng)。l圖形用戶界面。43軟硬件平臺的選擇

14、選擇處理器時要考慮的主要因素有以下幾個方面。l 處理性能l 技術(shù)指標l 功耗l 軟件支持工具l 是否內(nèi)置調(diào)試工具l 供應(yīng)商是否提供評估板 44常見的嵌入式操作系統(tǒng)1.VxWorks2.C/OS和C/OSII3.WindowsCE 4.嵌入式Linux5.PalmOS 6.QNX 7.Delta OS 8.Hopen OS 9.pSOS 451.4 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)過程嵌入式軟件開發(fā)的特點 嵌入式系統(tǒng)與通用計算機在以下幾個方面的差別比較明顯：l人機交互界面。l有限的功能。l時間關(guān)鍵性和穩(wěn)定性。 46嵌入式軟件的開發(fā)具有其自身的特點l需要交叉開發(fā)環(huán)境。l引入任務(wù)設(shè)計方法。系統(tǒng)以任務(wù)為基本的執(zhí)行

15、單元。l需要固化程序。l軟件開發(fā)難度大。絕大多數(shù)的嵌入式應(yīng)用有實時性的要求，特別在硬實時系統(tǒng)中，實時性至關(guān)重要。47軟件平臺的選擇 嵌入式軟件的開發(fā)流程，主要涉及代碼編程、交叉編譯、交叉連接、下載到目標板和調(diào)試等幾個步驟，因此軟件平臺的選擇也涉及操作系統(tǒng)、編程語言和集成開發(fā)環(huán)境3個方面。操作系統(tǒng)可以從以下幾點進行考慮：l 操作系統(tǒng)提供的開發(fā)工具。l 操作系統(tǒng)向硬件接口移植的難度。l 操作系統(tǒng)的內(nèi)存要求。l 開發(fā)人員是否熟悉此操作系統(tǒng)及其提供的API。l 操作系統(tǒng)是否提供硬件的驅(qū)動程序，如SD卡、LCD屏幕等。l 操作系統(tǒng)的可剪裁性。l 操作系統(tǒng)的實時性能。48嵌入式系統(tǒng)設(shè)計流程如圖所示，主要有6個步驟：491.5嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢l嵌入式系統(tǒng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域l硬件方面，底層系統(tǒng)和硬件平臺已經(jīng)相對比較成熟。l軟件方面，嵌入式軟件開發(fā)平臺，特別是嵌入式操作系統(tǒng)都有大量成熟的產(chǎn)品。l嵌入式系統(tǒng)市場越來越廣闊，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展空間很大。50嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢宏觀方面發(fā)展趨勢: 經(jīng)濟性（POS開發(fā)失敗，幾十萬、幾萬、5千、5百）l計算機要很便宜，讓更多的人能買得起； 小型化（筆記本、PDA）l人們攜帶方便； 可靠性（汽車VCD，挑動問題）l能夠在一般環(huán)境條件下或者