一、嵌入式系統(tǒng)概述課件

1、Embedded System 嵌入式系統(tǒng)Embedded System嵌入式系統(tǒng)/7/18/20221第一講參考書ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)，馬忠梅等，北京航空航天大學(xué)出版社 2002年2月嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開發(fā)（第二版）-基于ARM微處理器與uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 王田苗 清華大學(xué)出版社嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教程 田澤 著 北京航空航天大學(xué) 2004年6月/7/18/20222第一講第一講，嵌入式系統(tǒng)概述一、什么是嵌入式系統(tǒng)二、嵌入式系統(tǒng)的特征三、嵌入式系統(tǒng)組成四、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用/7/18/20223第一講一、什么是嵌入式系統(tǒng)Embedded system個(gè)人電腦嵌入式系統(tǒng)

2、根據(jù)IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）的定義：嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)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）。/7/18/20224第一講計(jì)算機(jī)工業(yè)的分類以往計(jì)算機(jī)分類：大型計(jì)算機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微計(jì)算機(jī)目前計(jì)算機(jī)分類：超級(jí)計(jì)算機(jī)，大型計(jì)算機(jī)、工作站、微計(jì)算機(jī)、亞微計(jì)算機(jī)亞微計(jì)算機(jī)(嵌入式計(jì)算機(jī)) 是以嵌入式系統(tǒng)的形式隱藏在各種裝置、產(chǎn)品和系統(tǒng)中/7/18/20225第一講歷史電腦用于控制設(shè)備或嵌入系統(tǒng)的

3、歷史幾乎與電腦自身的歷史一樣長計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)單片機(jī)掀起電子化浪潮微處理器高速發(fā)展推動(dòng)了嵌入式系統(tǒng)/7/18/20226第一講嵌入式系統(tǒng)的演變8031/8051為裸機(jī)，組成單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)，自行編寫程序；68360/386EX控制系統(tǒng)，自己編寫簡單的操作系統(tǒng)；32位嵌入式處理器pSoS+嵌入式操作系統(tǒng)tcp/ip協(xié)議棧；各種SoC+嵌入式Linux/VxWorks+嵌入式Web 設(shè)備server以及各種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧GUI圖形界面無線模塊現(xiàn)代可移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)智能設(shè)備。/7/18/20227第一講后PC技術(shù)的時(shí)代小到mp3，PDA等微型數(shù)字化產(chǎn)品，大到網(wǎng)絡(luò)家電，智能家電，車載電子設(shè)備；嵌入式系統(tǒng)是這個(gè)后P

4、C時(shí)代的擎天之柱；1999年世界電子產(chǎn)品產(chǎn)值已超過12000億美元，2000年達(dá)到13000億美元，預(yù)計(jì)2005年，銷售額將達(dá)18000億美元。/7/18/20228第一講嵌入式簡單定義嵌入式系統(tǒng)是指操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之中廣義的講可以認(rèn)為凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可以稱為嵌入式系統(tǒng)任何一個(gè)非計(jì)算機(jī)的計(jì)算系統(tǒng)/7/18/20229第一講狹義定義使用嵌入式微處理器構(gòu)成獨(dú)立系統(tǒng)，具有自己的操作系統(tǒng)并且具有某些特定功能的系統(tǒng)微處理器專指32位以上的微處理器/7/18/202210第一講嵌入式系統(tǒng)的定義以應(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

5、性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng) /7/18/202211第一講二、嵌入式系統(tǒng)的特征和通用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)具有以下特征：1、用于特定的任務(wù)（專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）2、比通用PC系統(tǒng)資源少3、極其關(guān)注成本、大多有功耗的要求、集成度高體積小4、運(yùn)行環(huán)境廣泛5、軟件硬件可靠性要求更高（具有系統(tǒng)測(cè)試和可靠性評(píng)估體系）6、相關(guān)產(chǎn)品具有較長的生命周期 7、軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ) （ROM、EPROM、EEPROM或FLASH）8、有實(shí)時(shí)的要求（使用RTOS）9、需要專用開發(fā)工具和方法進(jìn)行設(shè)計(jì)10、片上包含專用調(diào)試電路./7/18/202212第一講嵌入式系統(tǒng)的特征(2)嵌入式系統(tǒng)中的軟件，

6、一般都固化在只讀存儲(chǔ)器中，而不是以磁盤為載體可以隨意更換。 各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)和產(chǎn)品，和通用計(jì)算機(jī)軟件不同，很少發(fā)生突然性的跳躍，嵌入式系統(tǒng)中的軟件也因此更強(qiáng)調(diào)可繼承性和技術(shù)銜接性，發(fā)展比較穩(wěn)定。 嵌入式處理器的發(fā)展也體現(xiàn)出穩(wěn)定性，一個(gè)體系一般要存在相當(dāng)長的時(shí)間。一個(gè)體系結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的片上外設(shè)、開發(fā)工具、庫函數(shù)、嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品是一套復(fù)雜的知識(shí)系統(tǒng)，用戶和半導(dǎo)體廠商都不會(huì)輕易地放棄一種處理器。 /7/18/202213第一講嵌入式系統(tǒng)的特征模糊化通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在一些產(chǎn)品上出現(xiàn)融和。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域多功能、在線可升級(jí)通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域性能、功耗、功能PDA產(chǎn)品、多功能手機(jī)、掌

7、上電腦、網(wǎng)絡(luò)TV等/7/18/202214第一講三、嵌入式系統(tǒng)的基本組成 嵌入式系統(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，它是集軟硬件于一體的可獨(dú)立工作的“器件”。/7/18/202215第一講交叉學(xué)科先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)半導(dǎo)體技術(shù)電子技術(shù)各個(gè)行業(yè)面向具體應(yīng)用/7/18/202216第一講嵌入式系統(tǒng)的組成要素（4個(gè)）嵌入式處理器及其硬件平臺(tái)嵌入式軟件系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)（可選）-實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOSI/O接口系統(tǒng)以嵌入式處理器為核心的硬件平臺(tái)嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式應(yīng)用軟件系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)的I/O接口/7/18/202217第一講應(yīng)用程序文件系統(tǒng)/圖形用戶應(yīng)用程序接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)

8、程序、HAL、BSP應(yīng)用層OS層驅(qū)動(dòng)層SoC/SOPC處理器/ARM核DSP/浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理器GPIOIISUSBLCDADC/DACFPGA/CPLDUAET和TrDAMMU/CacheTimer/RTCCAN以太網(wǎng)DMA電源管理內(nèi) 存FlashEEPROMSDRAMSRAM看門狗及復(fù)位電路人機(jī)交互接口LCD/觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)輸 入 、輸 出 接 口 軟件硬件功能層軟件層中間層/7/18/202218第一講嵌入式系統(tǒng)硬件組成/7/18/202219第一講嵌入式系統(tǒng)軟件組成/7/18/202220第一講（一）嵌入式系統(tǒng)硬件組成1 嵌入式處理器2 外圍接口電路和設(shè)備接口/7/18/202221

9、第一講1. 嵌入式處理器嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部件目前據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個(gè)系列，其中8051體系的占有多半?，F(xiàn)在幾乎每個(gè)半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器，越來越多的公司有自己的處理器設(shè)計(jì)部門。嵌入式處理器的尋址空間一般從64kB到16MB，處理速度從0.1 MIPS到2000 MIPS，常用封裝從8個(gè)引腳到144個(gè)引腳 品種總量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個(gè)系列，其中8051體系的占有多半/7/18/202222第一講主要嵌入式處理器嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU) 嵌入式

10、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。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(shí)/計(jì)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)。 嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU) 嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能；外接電路必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設(shè)等器件；嵌入式處理器目前主要有18

11、6/188、386EX、SC-400、PowerPC、68K、MIPS、ARM系列等 嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP) 嵌入式DSP處理器有兩個(gè)發(fā)展來源，一是DSP處理器經(jīng)過單片化、EMC改造、增加片上外設(shè)成為嵌入式DSP處理器，TI的TMS320C2000/C5000等屬于此范疇；二是在通用單片機(jī)或SOC中增加DSP協(xié)處理器，例如Intel的MCS-296和Infineon(Siemens)的TriCore。 嵌入式片上系統(tǒng) (System On Chip， SOC) /7/18/202223第一講嵌入式系統(tǒng)硬件主流32,6

12、4位微處理器是目前嵌入式系統(tǒng)的核心主要硬件廠商包括Intel，Motorola，Philip，AMD等每個(gè)月都有新產(chǎn)品出現(xiàn)/7/18/202224第一講嵌入式微處理器(EMPU) 通用計(jì)算機(jī)中的CPU專門設(shè)計(jì)的電路板 只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能 增強(qiáng)工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面功能與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相似/7/18/202225第一講嵌入式處理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、Motorola 68000、MIPS、ARM系列、MIPS等/7/18/202226第一講嵌入式微控制器(MCU)又稱單片機(jī) 以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成RO

13、M/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)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)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。 /7/18/202227第一講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-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占

14、嵌入式系統(tǒng)約70的市場(chǎng)份額。 /7/18/202228第一講嵌入式DSP處理器(EDSP) 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、譜線分析等方面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。/7/18/202229第一講有代表性的產(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(dòng)通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C80

15、00系列。DSP56000目前已經(jīng)發(fā)展成為DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個(gè)不同系列的處理器。/7/18/202230第一講嵌入式片上系統(tǒng)(SOC)在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng) 整個(gè)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 /7/18/202231第一講SOC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Infineon(Siemens)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(gè)或某類系統(tǒng)中。有代表性的產(chǎn)品是Phili

16、ps的Smart XA/7/18/202232第一講2.嵌入式外圍接口電路和設(shè)備接口（1）存儲(chǔ)器:存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序的功能部件靜態(tài)易失性存儲(chǔ)器(RAM、SRAM)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（DRAM）非易失性存儲(chǔ)器ROM（MASK ROM、EPROM、EEPROM、Flash）硬盤、軟盤、CD-ROM等/7/18/202233第一講RAM：隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM：靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器DRAM：動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 1）SRAM比DRAM速度快 2）SRAM比DRAM耗電多 3）DRAM存儲(chǔ)密度比SRAM高的得多（體積） 4）DRAM需要周期性刷新ROM：只讀存儲(chǔ)器FLASH：閃存/7/18/202234第一講（2）通

17、訊接口串口UARTUSB接口（通用串行總線接口）IrDA（Infra Red Dat Association，紅外線接口）SPI（串行外圍設(shè)備接口）I2C、CAN接口Bluetooth、Ethernet（以太）接口GPIO（通用可編程接口）/7/18/202235第一講（3）輸入輸出設(shè)備CRTLCDA/D、D/A觸摸屏鍵盤/7/18/202236第一講（4）設(shè)備擴(kuò)展接口擴(kuò)展存儲(chǔ)設(shè)備接口Flash、SRAM、硬盤卡CF卡、SD卡等/7/18/202237第一講（5）電源及輔助設(shè)備系統(tǒng)外觀小型化，質(zhì)量輕以及電源使用壽命長，耗電少待機(jī)時(shí)間長是重要的。/7/18/202238第一講嵌入式系統(tǒng)的硬件層是

18、以嵌入式處理器為核心的，最初的嵌入式處理器都是為通用目的而設(shè)計(jì)的，后來隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的不斷普及出現(xiàn)了專用的集成芯片(Application-specific integrated circuit，ASIC）， ASIC是一種為具體任務(wù)而特殊設(shè)計(jì)的專用電路，比如很多打印機(jī)控制芯片就是ASIC。由于ASIC在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行了專門優(yōu)化，其性能、性價(jià)比都非常高。采用ASIC，可以減少系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，降低系統(tǒng)成本。但ASIC的前期設(shè)計(jì)費(fèi)用非常高，而且ASIC一旦設(shè)計(jì)完成，就無法升級(jí)和擴(kuò)展，因此只有在一些產(chǎn)量非常大的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中才考慮使用ASIC。關(guān)于ASIC/7/18/202239第一講

19、由FPGA實(shí)現(xiàn)“可重構(gòu)計(jì)算”可重構(gòu)計(jì)算：它允許在不改變硬件電路板的情況嚇，實(shí)現(xiàn)不同的控制接口和控制功能，結(jié)合了通用微處理器和ASIC的特點(diǎn)。FPGA：Field-programmable gate array現(xiàn)場(chǎng)編程門陣列，20世紀(jì)80年代中期以后發(fā)展起來的一種可編程的大規(guī)模集成器件。 FPGA具有保密性好、體積小、重量輕、可靠性高等一系列專用大規(guī)模集成電路ASIC的優(yōu)點(diǎn)，是一種新興的ASIC產(chǎn)品。FPGA的出現(xiàn)是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一次重大變革。/7/18/202240第一講FPGA的出現(xiàn)使一個(gè)電子系統(tǒng)僅僅由三種標(biāo)準(zhǔn)模塊構(gòu)成，即微處理器、存儲(chǔ)器和可編程邏輯器件。在以前，微處理器、存儲(chǔ)器已經(jīng)產(chǎn)品

20、化、系列化，而系統(tǒng)中大量的邏輯控制由許多中小規(guī)模器件來實(shí)現(xiàn)，其設(shè)計(jì)復(fù)雜開發(fā)周期長，而且速度低，可靠性差。有了FPGA，使系統(tǒng)中的第三個(gè)模塊也實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模集成化與可編程化。改善了系統(tǒng)的可調(diào)整性，降低了功耗，提高了可靠性使系統(tǒng)更加小型化，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，減少了設(shè)計(jì)成本，降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。/7/18/202241第一講（二）嵌入式軟件系統(tǒng)在設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的應(yīng)用程序時(shí)，可以不使用操作系統(tǒng)，但在設(shè)計(jì)較復(fù)雜的程序時(shí)，可能就需要一個(gè)操作系統(tǒng)（OS）來管理和控制內(nèi)存、多任務(wù)、周邊資源等，依據(jù)系統(tǒng)所提供的程序界面來編寫應(yīng)用程序，可大大減輕編程負(fù)擔(dān)。/7/18/202242第一講對(duì)于使用OS的嵌入式系統(tǒng)，軟

21、件結(jié)構(gòu)一般包含4個(gè)層面：設(shè)備驅(qū)動(dòng)層實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS應(yīng)用程序接口API層（可歸到RTOS）實(shí)際應(yīng)用層對(duì)于功能簡單的系統(tǒng)，一般不使用OS，僅有應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。/7/18/202243第一講1. 設(shè)備驅(qū)動(dòng)層（中間層）程序驅(qū)動(dòng)層程序是嵌入式系統(tǒng)不可或缺的重要部分，使用任何外部設(shè)備都需要有響應(yīng)驅(qū)動(dòng)層程序的支持，它為上層（系統(tǒng)）軟件提供了設(shè)備的操作接口。上層軟件不用理會(huì)設(shè)備的具體內(nèi)部操作，只需調(diào)用驅(qū)動(dòng)層程序提供的接口即可。驅(qū)動(dòng)層程序一般包括硬件抽象層（HAL）或板級(jí)支持包（BSP）和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。/7/18/202244第一講硬件抽象層HAL（Hardware Abstraction Laye

22、r）：位于操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件電路之間的接口層，目的在于將硬件抽象化；即，可通過程序來控制硬件電路如CPU、I/O、Memory等的操作；使系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與硬件設(shè)備無關(guān)，提高了系統(tǒng)的可移植性；軟硬件的測(cè)試工作可通過硬件抽象層完成；定義抽象層時(shí)，需規(guī)定統(tǒng)一的軟硬件接口標(biāo)準(zhǔn)，代碼工作由對(duì)硬件熟悉人員完成；抽象層包含相關(guān)硬件的初始化、數(shù)據(jù)輸入輸出操作、硬件設(shè)備的配置操作等。/7/18/202245第一講硬件抽象層接口定義和代碼設(shè)計(jì)特點(diǎn)硬件抽象層具有與硬件的密切相關(guān)性；硬件抽象層具有與操作系統(tǒng)的無關(guān)性；接口定義的功能應(yīng)包含硬件或系統(tǒng)所需硬件支持的所有功能；接口定義簡單明了，太多接口函數(shù)會(huì)增加軟件模擬

23、的復(fù)雜性；具有可測(cè)性的接口設(shè)計(jì)有利于系統(tǒng)的軟硬件測(cè)試和集成。/7/18/202246第一講板級(jí)支持包BSP（Board Support Package）：介于主板硬件和操作系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)層程序之間的一層，一般認(rèn)為屬于操作系統(tǒng)一部分；實(shí)現(xiàn)對(duì)操作系統(tǒng)的支持，為上層的驅(qū)動(dòng)程序提供訪問硬件設(shè)備寄存器的函數(shù)包；系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，完成對(duì)硬件的初始化。如對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存、寄存器以及設(shè)備的中斷進(jìn)行設(shè)置。這是比較系統(tǒng)化的工作，要根據(jù)嵌入式開發(fā)所選的CPU類型、硬件以及嵌入式操作系統(tǒng)的初始化等決定BSP應(yīng)實(shí)現(xiàn)什么功能；為驅(qū)動(dòng)程序提供訪問硬件的手段。驅(qū)動(dòng)程序經(jīng)常要訪問設(shè)備的寄存器，對(duì)設(shè)備的寄存器進(jìn)行操作。如果整個(gè)系統(tǒng)為統(tǒng)一編址，開

24、發(fā)人員可直接在驅(qū)動(dòng)程序中用C語言的函數(shù)訪問設(shè)備寄存器；系統(tǒng)為單獨(dú)編址，C語言就不能直接訪問設(shè)備中的寄存器，只有用匯編語言編寫的函數(shù)才能進(jìn)行對(duì)外圍設(shè)備寄存器的訪問。/7/18/202247第一講硬件相關(guān)性：因?yàn)榍度胧綄?shí)時(shí)系統(tǒng)的硬件環(huán)境具有應(yīng)用相關(guān)性，所以，作為高層軟件和硬件之間接口的BSP，必須為操作系統(tǒng)提供操作和控制具體硬件的方法。操作系統(tǒng)相關(guān)性：不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu)，因此，不同的操作系統(tǒng)具有特定的硬件接口形式。在實(shí)現(xiàn)上，BSP是一個(gè)介于操作系統(tǒng)和底層硬件的軟件層次，包括了系統(tǒng)中大部分與硬件相關(guān)的軟件模塊。設(shè)計(jì)一個(gè)完整的BSP需要完成兩部分工作：嵌入式系統(tǒng)初始化以及BSP的功能

25、和設(shè)計(jì)硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。/7/18/202248第一講嵌入式系統(tǒng)的初始化系統(tǒng)初始化可抽象為三個(gè)主要環(huán)節(jié)，按照自底向上、從硬件到軟件的次序依次為：片級(jí)初始化、板級(jí)初始化和系統(tǒng)級(jí)初始化。片級(jí)初始化：主要完成CPU的初始化，包括設(shè)置CPU的核心寄存器和控制寄存器，CPU核心工作模式以及CPU的局部總線模式等。片級(jí)初始化把CPU從上電時(shí)的默認(rèn)狀態(tài)逐步設(shè)置成為系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。這是一個(gè)純硬件的初始化過程。板級(jí)初始化：完成CPU以外的其它硬件設(shè)備的初始化。還要設(shè)置某些軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，為隨后的系統(tǒng)級(jí)初始化和應(yīng)用程序的運(yùn)行建立硬件和軟件環(huán)境。這是一個(gè)同時(shí)包含軟硬件在內(nèi)的初始化過程。系統(tǒng)級(jí)初始化：這

26、是一個(gè)以軟件初始化為主的過程，主要進(jìn)行操作系統(tǒng)的初始化。BSP將對(duì)CPU的控制權(quán)轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)完成余下的初始化操作，包括加載和初始化與硬件無關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，建立系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)，加載并初始化其他系統(tǒng)軟件模塊，如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、文件系統(tǒng)；最后操作系統(tǒng)創(chuàng)建應(yīng)用程序環(huán)境并將控制轉(zhuǎn)交給應(yīng)用程序的入口。/7/18/202249第一講硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（Device Driver）BSP另一個(gè)主要功能是硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。與初始化過程相反，硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的初始化和使用是一個(gè)從高層到底層的過程。盡管BSP中包含硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，但通常不由BSP直接使用，而是在系統(tǒng)初始化過程中由BSP把它

27、們與操作系統(tǒng)中通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序關(guān)聯(lián)起來，在隨后的應(yīng)用中由通用的設(shè)備程序調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的操作。系統(tǒng)中安裝設(shè)備后，只有在安裝相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序后才能使用，驅(qū)動(dòng)程序?yàn)樯蠈榆浖峁┰O(shè)備的操作接口。上層軟件只需調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序提供的接口，而不用理會(huì)設(shè)備的具體內(nèi)部操作。驅(qū)動(dòng)程序的好壞直接影響系統(tǒng)性能；驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的基本功能函數(shù)：初始化、中斷響應(yīng)、發(fā)送、接收等；好的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序還應(yīng)該有設(shè)備錯(cuò)誤處理函數(shù)/7/18/202250第一講2. 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS嵌入式系統(tǒng)由于通常具有實(shí)時(shí)性的要求，OS又稱為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS（Real-Time Operating System） OS是一段嵌入在目標(biāo)代

28、碼中的軟件，系統(tǒng)復(fù)位并執(zhí)行完BootLoader后首先執(zhí)行RTOS，相當(dāng)于用戶的主程序，用戶的其它應(yīng)用程序都建立在RTOS之上。RTOS是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核，將CPU時(shí)間、中斷、I/O、定時(shí)器等資源都封裝起來，留給用戶一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的API函數(shù)接口，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。 大多數(shù)RTOS 都是針對(duì)不同微處理器優(yōu)化設(shè)計(jì)的高效實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，RTOS可以在不同微處理器上運(yùn)行而為用戶提供相同的API接口，因此基于RTOS開發(fā)的應(yīng)用程序具有非常好的可移植性。事件發(fā)生時(shí)能夠在嚴(yán)格的時(shí)限內(nèi)作出響應(yīng) 為什么使用RTOS1、多任務(wù)系統(tǒng)。2、簡化應(yīng)用軟件的開發(fā)難度。 3、實(shí)時(shí)性要求。

29、/7/18/202251第一講應(yīng)用程序接口APIAPI(Application Programming Interface)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有很多可通過硬件或外部設(shè)備去執(zhí)行的功能,這些功能的執(zhí)行可通過計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)或硬件預(yù)留的標(biāo)準(zhǔn)指令調(diào)用,而軟件人員在編制應(yīng)用程序時(shí)就不需要為每種可通過硬件或外設(shè)執(zhí)行的功能重新編制程序,只需按系統(tǒng)或某些硬件事先提供的API調(diào)用即可完成功能的執(zhí)行；操作系統(tǒng)中提供標(biāo)準(zhǔn)的API函數(shù)，可加快用戶應(yīng)用程序的開發(fā)，另一方面，統(tǒng)一應(yīng)用程序的開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，為操作系統(tǒng)版本的升級(jí)帶來方便；API函數(shù)中有大量的常用模塊，給用戶很大方便。/7/18/202252第一講嵌入式系統(tǒng)中的一些重要概

30、念實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS（Real-Time Operating System）一個(gè)優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)能夠獲得立即的、沒有延遲的服務(wù)，它不需要等候任何其它任務(wù)，而且在得到CPU使用權(quán)后，可一直執(zhí)行到工作結(jié)束或有更高級(jí)的進(jìn)程出現(xiàn)為止?；颍阂粋€(gè)能夠在指定的或確定的時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能和對(duì)外部或內(nèi)部、同步或異步事件作出響應(yīng)的系統(tǒng)。實(shí)時(shí)是指物理進(jìn)程的真實(shí)時(shí)間。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要調(diào)度一切可利用的資源完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)，重要特點(diǎn)是要滿足對(duì)時(shí)間的限制和要求。/7/18/202253第一講實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能：任務(wù)管理（多任務(wù)和基于優(yōu)先級(jí)的任務(wù)調(diào)度）；任務(wù)間的同步和通信；存儲(chǔ)器優(yōu)化管理（含ROM的管理）；實(shí)時(shí)始終

31、服務(wù)；中斷管理服務(wù)/7/18/202254第一講分時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)于分時(shí)操作系統(tǒng)，軟件的執(zhí)行在時(shí)間上的要求并不嚴(yán)格，時(shí)間上的錯(cuò)誤，一般不會(huì)造成災(zāi)難性的后果。目前分時(shí)系統(tǒng)的強(qiáng)項(xiàng)在于多任務(wù)的管理，而實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的重要特點(diǎn)是具有系統(tǒng)的可確定性，即系統(tǒng)能對(duì)運(yùn)行時(shí)的最好和最壞等情況作出精確的估計(jì)。/7/18/202255第一講多任務(wù)操作系統(tǒng)系統(tǒng)支持多任務(wù)管理和任務(wù)間的同步和通信。傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)和DOS系統(tǒng)等對(duì)多任務(wù)支持的功能很弱，而目前的Windows是典型的多任務(wù)操作系統(tǒng)。在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，多任務(wù)是一個(gè)普遍的要求。/7/18/202256第一講實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的重要概念系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間（System Resp

32、onse Time）： 系統(tǒng)發(fā)出處理要求到系統(tǒng)給出應(yīng)答信號(hào)的 時(shí)間。任務(wù)切換時(shí)間（Context-Switching Time）： 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)講CPU控制權(quán)從一個(gè)正在執(zhí)行的任務(wù)取回，然后叫給下一個(gè)任務(wù)所需要的時(shí)間。它包括保存目前正在執(zhí)行任務(wù)的狀態(tài)信息所需要的時(shí)間、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)決定調(diào)度下一個(gè)任務(wù)所需要的時(shí)間以及把下一個(gè)任務(wù)調(diào)入系統(tǒng)所需要的時(shí)間。中斷延遲（Interrupt Latency）： 計(jì)算機(jī)接收到中斷信號(hào)到操作系統(tǒng)作出響應(yīng)，并完成切換轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序的時(shí)間。/7/18/202257第一講實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的任務(wù)有四種狀態(tài)：運(yùn)行（Executing）、就緒（Ready）

33、、掛起（Suspended）、休眠（Dormant）。運(yùn)行：獲得CPU控制權(quán)。就緒：進(jìn)入任務(wù)等待隊(duì)列，通過調(diào)度轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)。掛起：任務(wù)發(fā)生阻塞，移出任務(wù)等待隊(duì)列，等待系統(tǒng)實(shí)時(shí)事件的發(fā)生而被喚醒，從而轉(zhuǎn)為就緒或運(yùn)行。休眠：任務(wù)完成或錯(cuò)誤等原因被清除的任務(wù)，也可以認(rèn)為是系統(tǒng)中不存在的任務(wù)。任何時(shí)刻系統(tǒng)中只能有一個(gè)任務(wù)在運(yùn)行狀態(tài)，各任務(wù)按級(jí)別通過時(shí)間片分別獲得對(duì)CPU的訪問權(quán)。/7/18/202258第一講多任務(wù)多任務(wù)運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)實(shí)際上是靠CPU（中央處理單元）在許多任務(wù)之間轉(zhuǎn)換、調(diào)度。CPU只有一個(gè)，輪番服務(wù)于一系列任務(wù)中的某一個(gè)。多任務(wù)運(yùn)行很像前后臺(tái)系統(tǒng)，但后臺(tái)任務(wù)有多個(gè)。多任務(wù)運(yùn)行使CPU的利用

34、率得到最大的發(fā)揮，并使應(yīng)用程序模塊化。在實(shí)際應(yīng)用中，多任務(wù)化的最大特點(diǎn)是，開發(fā)人員可以將很復(fù)雜的應(yīng)用程序?qū)哟位Ｊ褂枚嗳蝿?wù)，應(yīng)用程序?qū)⒏菀自O(shè)計(jì)與維護(hù)。/7/18/202259第一講內(nèi)核多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核（Kernel）負(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù)，或者說為每個(gè)任務(wù)分配CPU時(shí)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。之所以使用實(shí)時(shí)內(nèi)核可以大大簡化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是因?yàn)閷?shí)時(shí)內(nèi)核允許將應(yīng)用分成若干個(gè)任務(wù)，由實(shí)時(shí)內(nèi)核管理它們。內(nèi)核本身也增加了應(yīng)用程序的額外負(fù)荷，代碼空間增加ROM的用量，內(nèi)核本身的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)增加了RAM的用量。但更主要的是，每個(gè)任務(wù)要有自己的棧空間，這一塊占用內(nèi)存是相當(dāng)多的。內(nèi)核

35、本身對(duì)CPU的占用時(shí)間一般在2%5%之間。單片機(jī)一般不能運(yùn)行實(shí)時(shí)內(nèi)核，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的RAM很有限。通過提供必不可少的系統(tǒng)服務(wù)，諸如信號(hào)量管理、油箱、消息隊(duì)列、延時(shí)等，實(shí)時(shí)內(nèi)核使得CPU的利用更為有效。/7/18/202260第一講調(diào)度調(diào)度（Scheduler），也稱dispatcher。這是內(nèi)核的主要職責(zé)之一，就是決定該輪到哪個(gè)任務(wù)運(yùn)行了。多數(shù)實(shí)時(shí)內(nèi)核是基于優(yōu)先級(jí)（priority）調(diào)度法的。每個(gè)任務(wù)根據(jù)其重要性的不同被賦予一定的優(yōu)先級(jí)。基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度法則，CPU總是讓處在就緒狀態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)先運(yùn)行。然而，究竟何時(shí)讓高優(yōu)先級(jí)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

36、內(nèi)核，是非占先式的還是占先式的內(nèi)核。/7/18/202261第一講任務(wù)優(yōu)先級(jí)每個(gè)任務(wù)都有其優(yōu)先級(jí)。任務(wù)越重要，賦予的優(yōu)先級(jí)應(yīng)越高。應(yīng)用程序執(zhí)行過程中諸任務(wù)優(yōu)先級(jí)不變，稱之為靜態(tài)優(yōu)先級(jí)。在靜態(tài)優(yōu)先級(jí)系統(tǒng)中，諸任務(wù)以及它們的時(shí)間約束在程序編譯時(shí)是已知的。應(yīng)用程序執(zhí)行過程中，如果任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是可變的，則稱之為動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)。/7/18/202262第一講3. 應(yīng)用程序?qū)嶋H的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件建立在系統(tǒng)的主任務(wù)（Main Task）基礎(chǔ)之上。用戶應(yīng)用程序主要通過調(diào)用系統(tǒng)的API函數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，完成用戶應(yīng)用功能開發(fā)。/7/18/202263第一講幾種常見的RTOS/7/18/202264第一講/7/18

37、/202265第一講/7/18/202266第一講/7/18/202267第一講/7/18/202268第一講/7/18/202269第一講/7/18/202270第一講/7/18/202271第一講/7/18/202272第一講/7/18/202273第一講/7/18/202274第一講/7/18/202275第一講/7/18/202276第一講/7/18/202277第一講/7/18/202278第一講/7/18/202279第一講/7/18/202280第一講/7/18/202281第一講6）后PC時(shí)代產(chǎn)品的蓬勃發(fā)展/7/18/202282第一講四、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用家用市場(chǎng) 機(jī)頂盒、掌上電

38、腦、DVD、MP3、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字電視、WebTV、網(wǎng)絡(luò)冰箱、網(wǎng)絡(luò)空調(diào)、家庭網(wǎng)關(guān)、智能家用電器、車載導(dǎo)航器系統(tǒng)等通信市場(chǎng) 電話交換系統(tǒng)，電纜系統(tǒng)，衛(wèi)星和全球定位系統(tǒng)（L3D），數(shù)據(jù)交換設(shè)備，移動(dòng)電話等工業(yè)市場(chǎng) 制造工廠，污水處理系統(tǒng)，發(fā)電站和電力傳輸系統(tǒng)，自動(dòng)化工廠，控制系統(tǒng)開發(fā)，維護(hù)和測(cè)試的工具，石油提煉和相關(guān)的貯運(yùn)設(shè)施，建筑設(shè)備，計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)，能源控制系統(tǒng)，核電站，機(jī)器人系統(tǒng)等商業(yè)和金融市場(chǎng) 自動(dòng)柜員機(jī)，信用卡系統(tǒng)，售貨端系統(tǒng)，安全系統(tǒng)等/7/18/202283第一講辦公市場(chǎng) 電話系統(tǒng)，傳真系統(tǒng)，復(fù)印機(jī)，計(jì)時(shí)系統(tǒng)，照相機(jī)和攝象機(jī)運(yùn)輸市場(chǎng) 航空、鐵路、公路運(yùn)輸系統(tǒng)，燃料服務(wù)，航空管理，

39、信令系統(tǒng)，雷達(dá)系統(tǒng)，交通指揮系統(tǒng)，停車系統(tǒng)，售票系統(tǒng)，乘客信息系統(tǒng)，檢票系統(tǒng)，行李處理系統(tǒng)，應(yīng)急設(shè)備等建筑市場(chǎng) 電力供應(yīng)，備用電源和發(fā)電機(jī)，火警控制系統(tǒng)，供熱和通風(fēng)系統(tǒng)，電梯和升降系統(tǒng)，車庫管理，安保系統(tǒng)，電子門鎖系統(tǒng)，樓宇管理系統(tǒng)，閉路電視系統(tǒng)，電子保險(xiǎn)柜，警鈴等醫(yī)療市場(chǎng) 心臟除顫器，心臟起搏器，患者信息和監(jiān)視系統(tǒng)，MN光設(shè)備，理療控制系統(tǒng)，電磁成像系統(tǒng)等軍事 武器控制/7/18/202284第一講嵌入式系統(tǒng)熱點(diǎn)應(yīng)用信息家電車載系統(tǒng)軍事工業(yè)醫(yī)療器械/7/18/202285第一講信息家電應(yīng)用特點(diǎn)市場(chǎng)巨大低成本要求利潤空間小競爭激烈人機(jī)界面友好網(wǎng)絡(luò)化/7/18/202286第一講車載系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)

40、與汽車工業(yè)相配套利潤空間較大可靠性要求較高無線通訊要求/7/18/202287第一講軍事工業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)市場(chǎng)壟斷性強(qiáng)高利潤可靠性要求高安全性要求高成本要求布不高/7/18/202288第一講軍事工業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化單兵信息裝備夜視掃描、全球定位、指揮通信/7/18/202289第一講醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)市場(chǎng)廣闊，進(jìn)入門檻較高利潤極高/7/18/202290第一講嵌入式計(jì)算機(jī)應(yīng)用一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備中就包含了5-10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)字相機(jī)、USB集線器等均是由嵌入式處理器控制的。在制造工業(yè)、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車

41、、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)的應(yīng)用領(lǐng)域。/7/18/202291第一講/7/18/202292第一講/7/18/202293第一講/7/18/202294第一講/7/18/202295第一講/7/18/202296第一講/7/18/202297第一講/7/18/202298第一講/7/18/202299第一講/7/18/2022100第一講/7/18/2022101第一講/7/18/2022102第一講/7/18/2022103第一講/7/18/2022104第一講/7/18/2022105第一講/7/18/2022106第一講/7/18/2022107第一講

42、/7/18/2022108第一講/7/18/2022109第一講/7/18/2022110第一講/7/18/2022111第一講/7/18/2022112第一講/7/18/2022113第一講/7/18/2022114第一講消費(fèi)類電子智能玩具、手持通訊的核心/7/18/2022115第一講/7/18/2022116第一講/7/18/2022117第一講/7/18/2022118第一講/7/18/2022119第一講/7/18/2022120第一講/7/18/2022121第一講/7/18/2022122第一講/7/18/2022123第一講/7/18/2022124第一講/7/18/20221

43、25第一講/7/18/2022126第一講海種馬直升機(jī)/7/18/2022127第一講/7/18/2022128第一講/7/18/2022129第一講/7/18/2022130第一講/7/18/2022131第一講/7/18/2022132第一講/7/18/2022133第一講/7/18/2022134第一講/7/18/2022135第一講/7/18/2022136第一講/7/18/2022137第一講/7/18/2022138第一講/7/18/2022139第一講/7/18/2022140第一講/7/18/2022141第一講智能玩具與機(jī)器人/7/18/2022142第一講技術(shù)的滲透性和融合性未來嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)/7/18/2022143第一講設(shè)備的關(guān)聯(lián)性/7/18/2022144第一講Any Time,Any