A研究生課程嵌入式控制系統(tǒng)

嵌入式控制技術(shù)與系統(tǒng)fujian_2@

武漢理工大學(xué)傅劍EMBEDDEDCONTROL

TECHNOLOGYANDSYSTEM武漢理工大學(xué)本課程收獲科研能力的培養(yǎng)1嵌入式技術(shù)研發(fā)基本知識(shí)與方法2演示與模擬3獲得學(xué)分4希望大家有所收獲！武漢理工大學(xué)教材與參考書教材

《嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用教程》（第二版）

田澤，北京航空航天大學(xué)出版社參考書1.金敏，《嵌入式系統(tǒng)－組成、原理與設(shè)計(jì)編程》人民郵電出版社20062.周立功，《ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)戰(zhàn)》北京航空航天大學(xué)出版社

2005

3.徐英慧，《ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)--基于S3C2410與Linux》（第2版北京航空航天大學(xué)出版社，2011年4.慕春棣，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，清華大學(xué)出版社20125.施部.克.威(ShibuKV)著，伍微(譯):嵌入式系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)及開發(fā),清華大學(xué)出版社，2012年6.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)例開發(fā)——ARM與μC/OS-Ⅱ

王田苗:清華大學(xué)出版社2002武漢理工大學(xué)成績(jī)組成設(shè)計(jì)大作業(yè)課堂表現(xiàn)考勤武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況嵌入式系統(tǒng)的典型實(shí)例武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況

消費(fèi)產(chǎn)品(ConsumerProduct)

常見消費(fèi)類產(chǎn)品如：手機(jī)、PDA/PPC/HPC、數(shù)碼相機(jī)/攝像機(jī)洗衣機(jī)、微波爐、數(shù)字電視機(jī)頂盒等智能消費(fèi)類產(chǎn)品如：坐姿測(cè)試椅、帶味覺的匙子

[MIT]仿生運(yùn)動(dòng)鞋

[Adidas]情緒類裝飾品

[NYU]武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況圖1-2常見消費(fèi)類產(chǎn)品武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況圖1-3智能消費(fèi)類產(chǎn)品武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況工業(yè)控制

(IndustryControl)

對(duì)生產(chǎn)過程和工業(yè)設(shè)備等各種動(dòng)作流程的控制，這種控制是在對(duì)被控對(duì)象和環(huán)境進(jìn)行不斷觀測(cè)的基礎(chǔ)上做出及時(shí)的、恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)在控制過程中，計(jì)算機(jī)扮演著中心的角色。它通過傳感器從外部接收有關(guān)過程的信息，對(duì)這些信息進(jìn)行加工處理，然后對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制指令。武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況圖1-4工程機(jī)械智能控制器

武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況圖1-5汽車電子產(chǎn)品（VOLVOS80汽車,18個(gè)嵌入式控制模塊+CAN總線網(wǎng)絡(luò)）武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況通信設(shè)備

(Telecommunication)

例如：程控交換機(jī)路由器橋接器集線器

Modem等武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況圖1-6通信設(shè)備武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況智能儀器(IntelligentInstrument)

例如：數(shù)字示波器醫(yī)療儀器等

武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況圖1-7穿刺腫瘤醫(yī)療儀器武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況

機(jī)器人(Robot)

武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況圖1-8智能玩具機(jī)器人武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況圖1-9基于WinCE的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況圖1-10基于RTLinux的仿人機(jī)器人武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況圖1-111997年4月在火星表面登陸的火星探測(cè)器（基于VxWorks）武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況圖1-122004年“勇氣號(hào)”再次登陸火星武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況計(jì)算機(jī)外設(shè)

(Computerperipheral)

例如：打印機(jī)終端磁盤驅(qū)動(dòng)器等武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況圖1-13計(jì)算機(jī)外設(shè)武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況

軍事電子設(shè)備和現(xiàn)代武器

例如：雷達(dá)電子對(duì)抗坦克戰(zhàn)機(jī)戰(zhàn)艦等

武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況圖1-14阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中的軍事電子設(shè)備武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況圖1-15軍用機(jī)器人（2002年11月28日，以色列一舉投票點(diǎn)發(fā)生槍擊事件，造成至少7人死亡、數(shù)十人受傷。以警方用機(jī)器人在檢查一具巴勒斯坦槍手的尸體）

武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況圖1-16高性能武器平臺(tái)武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況圖1-17高性能武器平

武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況太空科學(xué)

例如：衛(wèi)星跟蹤太空艙管理系統(tǒng)航空電子設(shè)備武漢理工大學(xué)1.1.2

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用概況圖1-18太空科學(xué)第一章 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)

本章介紹了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)知識(shí)，從嵌入式計(jì)算機(jī)的歷史由來、嵌入式系統(tǒng)的定義、嵌入式系統(tǒng)的基本特點(diǎn)、嵌入式系統(tǒng)的分類及應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)軟硬件各部分組成、嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程、嵌入式技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)等方面進(jìn)行了介紹，涉及到嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基本內(nèi)容，使讀者系統(tǒng)地建立起的嵌入式系統(tǒng)整體概念。

本章主要內(nèi)容有

1.1嵌入式系統(tǒng)基本概念1.2嵌入式系統(tǒng)的硬件組成及開發(fā)1.3嵌入式系統(tǒng)軟件組成及開發(fā)1.4嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)

1.1 嵌入式系統(tǒng)基本概念

1.1.1嵌入式計(jì)算機(jī) 1.1.2嵌入式系統(tǒng)的定義、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍1.1.3嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

1.1.4嵌入式系統(tǒng)的基本開發(fā)流程1.1.5嵌入式系統(tǒng)的知識(shí)體系

嵌入式計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史算盤→機(jī)械加法器→差分機(jī)→加法器→ENIAC→4004→8080(8085)→8086(8088)→IBMPC→i7武漢理工大學(xué)1.1.1嵌入式計(jì)算機(jī)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。直到20世紀(jì)70年代微處理器的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用才出現(xiàn)了歷史性的變化。這也使計(jì)算機(jī)摘掉神圣的光環(huán)走下了神壇，步入平民化的時(shí)代。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。

嵌入式計(jì)算機(jī)微處理器的問世極大的促進(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。經(jīng)過發(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。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)。

嵌入式計(jì)算機(jī)因此，嵌入式計(jì)算機(jī)是誕生于微處理器發(fā)展時(shí)代;早期嵌入式計(jì)算機(jī)是將一個(gè)計(jì)算機(jī)嵌入到一個(gè)具體應(yīng)用的控制對(duì)象的體系中去，這些是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的起點(diǎn)。這也標(biāo)志著計(jì)算機(jī)進(jìn)入了通用計(jì)算機(jī)與嵌入式計(jì)算機(jī)兩大分支、并行發(fā)展時(shí)代，從而導(dǎo)致20世紀(jì)末，計(jì)算機(jī)應(yīng)用的高速發(fā)展并由此引發(fā)了計(jì)算機(jī)分類方式的變化。1.1.2嵌入式系統(tǒng)的概念傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)分類是按照計(jì)算機(jī)的處理字長(zhǎng)、體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)算速度、結(jié)構(gòu)規(guī)模、適用領(lǐng)域進(jìn)行的，如通常所說的大型計(jì)算機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微型計(jì)算機(jī)，并以此標(biāo)準(zhǔn)來組織學(xué)科和產(chǎn)業(yè)分工，這種分類方法也沿襲了多年。隨著近20年來微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，實(shí)際情況已經(jīng)產(chǎn)生了根本性的變化。例如在70年代末定義的微型計(jì)算機(jī)演變出來的個(gè)人計(jì)算機(jī)PC其處理速度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)年對(duì)大、中、小型計(jì)算機(jī)的定義。

嵌入式系統(tǒng)的概念隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)其它行業(yè)的廣泛滲透和與其它行業(yè)應(yīng)用技術(shù)的相互結(jié)合，以應(yīng)用為中心的分類方法變得似乎更加切合實(shí)際發(fā)展;按計(jì)算機(jī)的嵌入式應(yīng)用和非嵌入式應(yīng)用將其分為通用計(jì)算機(jī)和嵌入式計(jì)算機(jī)。而通用計(jì)算機(jī)具有一般計(jì)算機(jī)的基本標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)，通過裝配不同的應(yīng)用軟件，以基本雷同的面目出現(xiàn)并應(yīng)用在社會(huì)的各個(gè)方面，其典型產(chǎn)品為PC；

嵌入式系統(tǒng)的概念而非通用計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)－嵌入式計(jì)算機(jī)，則是非通用計(jì)算機(jī)形態(tài)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用，它是以作為嵌入式系統(tǒng)的核心部件的形式隱藏在各種裝置、設(shè)備、產(chǎn)品和系統(tǒng)中。因此嵌入式計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展中的一種計(jì)算機(jī)存在的形式，是從計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展中分離出來的。

一般定義以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪,應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗和應(yīng)用環(huán)境有特殊要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。是將應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)硬件集成在一起的系統(tǒng)（技術(shù)角度）嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計(jì)完成復(fù)雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。（系統(tǒng)角度）術(shù)語嵌入式反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)（被稱之為嵌入的系統(tǒng)）的一個(gè)完整子系統(tǒng)。嵌入式的系統(tǒng)可以包含多個(gè)嵌入式系統(tǒng)。廣義定義任何一個(gè)非計(jì)算機(jī)的計(jì)算系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的定義IEE定義嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作的機(jī)器、設(shè)備或裝置”（原文為devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。通常執(zhí)行特定功能嵌入式系統(tǒng)的核心----嵌入式微處理器嚴(yán)格的時(shí)序和穩(wěn)定性要求全自動(dòng)操作循環(huán)1.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。運(yùn)行環(huán)境差異很大。比通用PC系統(tǒng)資源少。功耗低、體積小、集成度高、成本低。具有完整的系統(tǒng)測(cè)試和可靠性評(píng)估體系。具有較長(zhǎng)的生命周期需要專用開發(fā)工具好和方法進(jìn)行設(shè)計(jì)包含專用調(diào)試電路多學(xué)科知識(shí)集成系統(tǒng)

1.1.4嵌入式系統(tǒng)的分類嵌入式系統(tǒng)按表現(xiàn)形式及使用硬件種類分為：系統(tǒng)中使用含程序或算法的處理器的嵌入式系統(tǒng)為芯片級(jí)嵌入；系統(tǒng)中使用某個(gè)核心模塊的嵌入式系統(tǒng)為模塊級(jí)嵌入；嵌入式系統(tǒng)按軟件實(shí)時(shí)性需求分：

非實(shí)時(shí)系統(tǒng)（如PDA）；

軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)（如消費(fèi)類產(chǎn)品）；

硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)（工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)）

1.1.5嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍消費(fèi)電子嵌入式應(yīng)用信息家電智能玩具軍事電子通信設(shè)備移動(dòng)存貯工控設(shè)備智能儀表汽車電子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備工業(yè)軍事國(guó)防電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)

嶄新的數(shù)字世界多彩的嵌入式應(yīng)用

無線電的發(fā)展BTH礦石收音機(jī)

單二極管Bush收音機(jī)

7個(gè)晶體管

單二極管EvokeDAB收音機(jī)

1億個(gè)晶體管

2-3個(gè)嵌入式處理器

電話的發(fā)展電話

無晶體管BTDECT1千萬個(gè)晶體管

3個(gè)處理器諾基亞手機(jī)

超過7億個(gè)晶體管

(多數(shù)用于存儲(chǔ)器)

5-6個(gè)處理器計(jì)算機(jī)的發(fā)展+=AppleMacintosh

黑白顯示器

1MIP處理器AcornArchimedes

彩色顯示器

10MIP處理器

…RISC集惠普－康柏掌上電腦

彩色顯示

200MIP處理器64MB內(nèi)存

…袖珍型航海儀器的發(fā)展地圖、時(shí)鐘、指南針

印刷及磁技術(shù)

無晶體管Raytheon

船用航海儀器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!

日用電器的發(fā)展AppleIPOD

100張CDs

袖珍型四處理器HP1315

照片質(zhì)量彩色打印機(jī)雙處理器GameBoyAdvance

手持式彩色聯(lián)網(wǎng)型雙處理器

其他產(chǎn)品發(fā)展SeagateCheetahX15DisconKeySagemMorphoSmartKonicaRevio

我們正步入一個(gè)嶄新的“數(shù)字世界”無線連接是“數(shù)字膠水”嵌入式應(yīng)用嵌入式技術(shù)是中國(guó)IT發(fā)展的難得機(jī)遇當(dāng)前信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展和后PC（Post-PC）時(shí)代到來，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地滲透到科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、軍事技術(shù)、各類產(chǎn)業(yè)和商業(yè)文化藝術(shù)以及人們的日常生活等方方面面中。

后PC時(shí)代，即非PC信息設(shè)備大顯神通的時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)正是非PC設(shè)備的主體，由于其應(yīng)用廣、領(lǐng)域特色突出，誰也無力獨(dú)吞這一市場(chǎng)。

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在世界范圍的擴(kuò)展和中國(guó)通信事業(yè)的高速發(fā)展，已為我國(guó)開發(fā)嵌入式產(chǎn)品造就了廣大市場(chǎng)，此外我國(guó)是人口大國(guó)，素有智力優(yōu)勢(shì)

1.2嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)1.2.1嵌入式系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)1.2.2嵌入式系統(tǒng)軟件基本結(jié)構(gòu)

1.2.3啟動(dòng)程序BootLoader介紹

應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）輸入輸出接口處理器/ARM核MMU/CacheSOC/SOPCUSBGPIOIISLCDUART和IrDAADC/DACFPGA/CPLDDSP/浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理器DMA電源管理典型的嵌入式系統(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/RTCCANFlashEEPROMSDRAMSRAM內(nèi)存武漢理工大學(xué)1.2.1嵌入式系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)介紹 嵌入式系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖下半部分所示，是以嵌入式處理器為中心，配置存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備、通信模塊以及電源等必要的輔助接口組成。嵌入式系統(tǒng)是“量身定做”的“專用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)”，又不同于普通計(jì)算機(jī)組成，在實(shí)際應(yīng)用中的嵌入式系統(tǒng)硬件配置非常精簡(jiǎn)，除了微處理器和基本的外圍電路以外，其余的電路都可以根據(jù)需要和成本進(jìn)行“裁剪”、“定制化”（Customize），非常經(jīng)濟(jì)、可靠。

嵌入式系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)介紹 嵌入式系統(tǒng)硬件核心是嵌入式微處理器，有時(shí)為了提高系統(tǒng)的信息處理能力，常常外接DSP和DSP協(xié)處理器（也可內(nèi)部集成）完成高性能信號(hào)處理。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展和納米芯片加工工藝技術(shù)的發(fā)展，以微處理器為核心的集成多種功能的SoC系統(tǒng)芯片已成為嵌入式系統(tǒng)的核心，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要盡可能的選擇能滿足系統(tǒng)功能接口的SoC芯片，這些SoC集成了大量的外圍USB、UART、以太網(wǎng)、AD/DA、IIS等功能模塊。

嵌入式系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)介紹可編程片上系統(tǒng)SOPC(SystemOnProgrammableChip)結(jié)合了SoC和PLD、FPGA各自的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，使得系統(tǒng)具有可編程的功能，是可編程邏輯器件在嵌入式應(yīng)用中的完美體現(xiàn)，極大的提高了系統(tǒng)的在線升級(jí)、換代能力。以SoC/SOPC為核心，可以用最少的外圍部件和連接部件構(gòu)成一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，滿足系統(tǒng)的功能需求，也是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)方向因此現(xiàn)代嵌入式設(shè)計(jì)是以處理器/SoC/SOPC為核心，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，其外圍接口包括存儲(chǔ)設(shè)備、通信接口設(shè)備、擴(kuò)展設(shè)備接口和輔助的機(jī)電設(shè)備（電源、連接器、傳感器等）構(gòu)成硬件系統(tǒng)。對(duì)于嵌入式硬件的各個(gè)模塊將在第三部分作全面介紹。1.2.2嵌入式系統(tǒng)軟件的層次結(jié)構(gòu)如當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序時(shí)，可以不使用操作系統(tǒng)，但是當(dāng)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、控制內(nèi)存、多任務(wù)、周邊資源等等。依據(jù)系統(tǒng)所提供的程序界面來編寫應(yīng)用程序，可以大大的減少應(yīng)用程序員的負(fù)擔(dān)。對(duì)于使用操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)來說，嵌入式系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)一般包含四個(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、實(shí)際應(yīng)用程序?qū)?。有些資料將應(yīng)用程序接口API歸屬于OS層，如圖1-1的上半部分所示的嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，是按三層劃分的。由于硬件電路的可裁減性和嵌入式系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，其軟件部分也是可裁減的。對(duì)于功能簡(jiǎn)單僅包括應(yīng)用程序的嵌入式系統(tǒng)一般不使用操作系統(tǒng)，僅有應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?，F(xiàn)代高性能嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，操作系統(tǒng)使用成為必然發(fā)展趨勢(shì)。本節(jié)主要講述的具有操作系統(tǒng)的嵌入式軟件層次。

嵌入式系統(tǒng)軟件的層次結(jié)構(gòu)具有操作系統(tǒng)的嵌入式軟件層次驅(qū)動(dòng)層程序?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口（API）應(yīng)用程序啟動(dòng)程序BootLoader介紹對(duì)于PC機(jī)，其開機(jī)后的初始化處理器配置、硬件初始化等操作是由BIOS（BasicInput/OutputSystem）完成的，但對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來說，出于經(jīng)濟(jì)性、價(jià)格方面考慮一般不配置BIOS，因此我們必須自行編寫完成這些工作的程序。這就是所需要的開機(jī)程序，在嵌入式中稱為BootLoader程序。系統(tǒng)加電復(fù)位后，幾乎所有的CPU都從由復(fù)位地址上取指令。因此在系統(tǒng)加電復(fù)位后，處理器將首先執(zhí)行BootLoader程序。

啟動(dòng)程序BootLoader介紹BootLoader是系統(tǒng)加電后、操作系統(tǒng)內(nèi)核或用戶應(yīng)用程序運(yùn)行之前，首先必須運(yùn)行的一段程序代碼。通過這段程序,為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核、運(yùn)行用戶應(yīng)用程序準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來說，有的使用操作系統(tǒng)，也有的不使用操作系統(tǒng)，但在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)都必須運(yùn)行BootLoader，為系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)備好軟硬件環(huán)境。系統(tǒng)啟動(dòng)代碼完成基本軟硬件環(huán)境初始化后，對(duì)于有操作系統(tǒng)的情況下，啟動(dòng)操作系統(tǒng)、啟動(dòng)內(nèi)存管理、任務(wù)調(diào)度、加載驅(qū)動(dòng)程序等，最后執(zhí)行應(yīng)用程序或等待用戶命令；對(duì)于沒有操作系統(tǒng)的系統(tǒng)直接執(zhí)行應(yīng)用程序或等待用戶命令

啟動(dòng)程序BootLoader介紹系統(tǒng)的啟動(dòng)通常有兩種方式，一種是可以直接從Flash啟動(dòng)，另一種是可以將壓縮的內(nèi)存映像文件從Flash（為節(jié)省Flash資源、提高速度）中復(fù)制、解壓到RAM，再從RAM啟動(dòng)。當(dāng)電源打開時(shí)，一般的系統(tǒng)會(huì)去執(zhí)行ROM（應(yīng)用較多的是Flash）里面的啟動(dòng)代碼。這些代碼是用匯編語言編寫的，其主要作用在于初始化CPU和板上的必備硬件如內(nèi)存、中斷控制器等。有時(shí)候用戶必須根據(jù)自己板子的硬件資源情況做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與修改。

嵌入式系統(tǒng)的基本開發(fā)流程系統(tǒng)定義域需求分析階段方案設(shè)計(jì)階段詳細(xì)設(shè)計(jì)階段軟硬件集成測(cè)試階段系統(tǒng)功能測(cè)試及可靠性測(cè)試階段武漢理工大學(xué)嵌入式系統(tǒng)的知識(shí)體系應(yīng)用領(lǐng)域?qū)W科嵌入式系統(tǒng)電子技術(shù)數(shù)字與模擬電路EDA和電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)技術(shù)（硬件）嵌入式處理器和體系結(jié)構(gòu)接口技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)（軟件）匯編、C/JAVA操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)微電子技術(shù)FPGA/CPLDASIC/Soc/IP設(shè)計(jì)武漢理工大學(xué)1.2嵌入式系統(tǒng)硬件組成及開發(fā)

1.2.1嵌入式處理器 1.2.2典型嵌入式處理器介紹 1.2.3嵌入式SoC 1.2.4可編程片上系統(tǒng)—SOPC 1.2.5嵌入式外圍接口電路和設(shè)備接口

1.2.1嵌入式處理器嵌入式微處理器

嵌入式微控制器

嵌入式DSP

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：MIPS處理器，PowerPC處理器，Sparc處理器，ARM處理器，Xtensa處理器。

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DSP

嵌入式DSP處理器有兩個(gè)發(fā)展方向：是嵌入式DSP處理器和嵌入式處理器經(jīng)過單片化設(shè)計(jì)，片上增加豐富的外設(shè)成為具有高性能DSP功能的SoC；是在通用微處理器、微控制器或SoC中增加DSP協(xié)處理器，例如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore。1.3.2典型嵌入式處理器介紹MIPS處理器

PowerPC處理器

Sparc處理器

ARM處理器

MIPS處理器

MIPS技術(shù)公司是一家設(shè)計(jì)制造高性能、高檔次及嵌入式32位和64位處理器的廠商。在RISC處理器方面占有重要地位。MIPS的意思是“無內(nèi)部互鎖流水級(jí)的微處理器”（Microprocessorwithoutinterlockedpipedstages），最早是在80年代初期由美國(guó)斯坦福大學(xué)Hennessy教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制出來的。1986年推出R2000處理器，1988年推出R3000處理器，1991年推出第一款64位商用微處理器R4000。之后，又陸續(xù)推出R8000（于1994年）、R10000（于1996年）和R12000（于1997年）等型號(hào)。之后，MIPS公司的戰(zhàn)略發(fā)生變化MIPS處理器

此外，24K微架構(gòu)能符合各種新興的服務(wù)趨勢(shì)，為寬頻存取以及還在不斷發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、通訊協(xié)議提供軟件可編程的彈性。在嵌入式方面，MIPS系列微處理器是目前僅次于ARM的用得最多的處理器之一（1999年以前MIPS是世界上用得最多的處理器），其應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋游戲機(jī)、路由器、激光打印機(jī)、掌上電腦等各個(gè)方面。MIPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)理念比較先進(jìn)，在設(shè)計(jì)理念上MIPS強(qiáng)調(diào)軟硬件協(xié)同提高性能，同時(shí)簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)。PowerPC處理器PowerPC架構(gòu)的特點(diǎn)是可伸縮性好，方便靈活。PowerPC處理器品種很多，既有通用的處理器，又有嵌入式控制器和內(nèi)核，應(yīng)用范圍非常廣泛，從高端的工作站、服務(wù)器到桌面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從消費(fèi)類電子產(chǎn)品到大型通信設(shè)備，無所不包。處理器芯片主要型號(hào)是PowerPC750，它于1997年研制成功，最高的工作頻率可以達(dá)到500MHz，采用先進(jìn)的銅線技術(shù)。該處理器有許多品種，以便適合各種不同的系統(tǒng)。包括IBM小型機(jī)、蘋果電腦和其他系統(tǒng)。嵌入式的PowerPC405（主頻最高為266MHz）和PowerPC440（主頻最高為550MHz）處理器內(nèi)核可以用于各種SoC設(shè)計(jì)上，在電信、金融和其他許多行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。Sparc處理器

Sun公司以其性能優(yōu)秀的工作站聞名，這些工作站的心臟全都是采用Sun公司自己研發(fā)的Sparc芯片。根據(jù)Sun公司未來的發(fā)展規(guī)劃，在64位UltraSparc處理器方面，主要有3個(gè)系列，首先是可擴(kuò)展式s系列，主要用于高性能、易擴(kuò)展的多處理器系統(tǒng)。目前UltraSparcⅢs的頻率已經(jīng)達(dá)到750MHz。將推出UltraSparcⅣs和UltraSparcⅤs等型號(hào)。其中UltraSparcⅣs的頻率為1GHz，UltraSparcⅤs則為1.5GHz。其次是集成式i系列，它將多種系統(tǒng)功能集成在一個(gè)處理器上，為單處理器系統(tǒng)提供了更高的效益。已經(jīng)推出的UltraSparcⅢi的頻率達(dá)到700MHz，未來的UltraSparcⅣi的頻率將達(dá)到1GHz。最后是嵌入式e系列，為用戶提供理想的性能價(jià)格比，嵌入式應(yīng)用包括瘦客戶機(jī)、電纜調(diào)制解調(diào)器和網(wǎng)絡(luò)接口等。Sun公司還將推出主頻300、400、500MHz等版本的處理器。1.3.3嵌入式SoC20世紀(jì)90年代后，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)從以嵌入式微處理器/DSP為核心的“集成電路”級(jí)設(shè)計(jì)不斷轉(zhuǎn)向“集成系統(tǒng)”級(jí)設(shè)計(jì)，提出了SoC的基本概念。目前嵌入式系統(tǒng)已進(jìn)入單片系統(tǒng)SoC的設(shè)計(jì)階段，并開始逐步進(jìn)入實(shí)用化、規(guī)范化階段，集成電路已進(jìn)入SoC的設(shè)計(jì)流程。

嵌入式SoC系統(tǒng)芯片出現(xiàn)的原因是由于信息市場(chǎng)快速的變化和競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，使得新產(chǎn)品在市場(chǎng)上的生命大為縮短，平均從36月到縮短為15-9月，而具有原始創(chuàng)新思想的產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期也大大縮短，這樣Time-to-Market給SoC供了良好的發(fā)展空間。隨著高性能系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜度、處理速度、功耗、功能多樣化的需求，在信息處理與通信系統(tǒng)如網(wǎng)絡(luò)、多媒體、移動(dòng)通信中迫切需要開發(fā)高性能的SoC芯片;

嵌入式SoC傳統(tǒng)的通過多種芯片集成于系統(tǒng)的方法已很難滿足實(shí)際發(fā)展中對(duì)高性能的需求,因此市場(chǎng)的需求對(duì)傳統(tǒng)的IC設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)，使得整機(jī)和IC設(shè)計(jì)在一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)初期就必須緊密結(jié)合在一體。另外，成本價(jià)格、可靠性等對(duì)集成電路設(shè)計(jì)者也同樣提出新的挑戰(zhàn)。因此不斷發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的信息市場(chǎng)在不斷的推動(dòng)著SoC技術(shù)的迅速發(fā)展。

嵌入式SoC隨著集成電路技術(shù)自身的不斷發(fā)展，器件的特征尺寸不斷縮小、集成度的不斷提高、多種工藝及工藝集成技術(shù)的發(fā)展、設(shè)計(jì)方法的提高和EDA工具發(fā)展，為將一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)融合為SoC從技術(shù)上提供了可能;進(jìn)入二十一世紀(jì)后，集成電路設(shè)計(jì)進(jìn)入了高度集成的SoC時(shí)代，采用SoC設(shè)計(jì)技術(shù)，可以大幅度地提高系統(tǒng)的可靠性，減少系統(tǒng)的面積和功耗，降低系統(tǒng)成本，極大地提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比。

嵌入式SoCSoC技術(shù)的出現(xiàn)表明了微電子設(shè)計(jì)由以往的IC（電路集成）向IS（系統(tǒng)集成）發(fā)展。因此從以功能設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)IC設(shè)計(jì)流程必須轉(zhuǎn)變到以功能整合為基礎(chǔ)的SoC設(shè)計(jì)全新流程，而面向嵌入式系統(tǒng)的SoC設(shè)計(jì)將是未來推動(dòng)集成電路設(shè)計(jì)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要的問題這種設(shè)計(jì)方法不是把系統(tǒng)所需要用到的所有集成電路簡(jiǎn)單地二次集成到1個(gè)芯片上，如果這樣的實(shí)現(xiàn)單片系統(tǒng)，是不可能達(dá)到單片系統(tǒng)所要求的高密度、高速度、高性能、小體積、低電壓、低功耗等指標(biāo)的，特別是低功耗要求。

嵌入式SoC單片系統(tǒng)設(shè)計(jì)要從整個(gè)系統(tǒng)性能要求出發(fā)，把微處理器、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、外圍器件各層次電路直至器件的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來，并通過建立在全新理念上的系統(tǒng)軟件和硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)，在單個(gè)芯片上完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。有時(shí)也可能把系統(tǒng)做在幾個(gè)芯片上。因?yàn)?，?shí)際上并不是所有的系統(tǒng)都能在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)；還可能因?yàn)閷?shí)現(xiàn)某種單片系統(tǒng)的工藝成本太高，以至于失去商業(yè)價(jià)值;目前，進(jìn)入實(shí)用的單片系統(tǒng)還屬簡(jiǎn)單的單片系統(tǒng)，如智能IC卡等。但幾個(gè)著名的半導(dǎo)體廠商正在緊鑼密鼓地研制和開發(fā)像單片PC這樣的復(fù)雜單片系統(tǒng)。

嵌入式SoC單片系統(tǒng)設(shè)計(jì)如果從零開始，這既不現(xiàn)實(shí)也無必要。因?yàn)槌嗽O(shè)計(jì)不成熟、未經(jīng)過時(shí)間考驗(yàn)，系統(tǒng)性能和質(zhì)量得不到保證外，還會(huì)因?yàn)樵O(shè)計(jì)周期太長(zhǎng)而失去商業(yè)價(jià)值。為了加快單片系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期和提高系統(tǒng)的可靠性，目前最有效的一個(gè)途徑就是通過授權(quán)，使用已成熟且經(jīng)過優(yōu)化的IP內(nèi)核模塊來進(jìn)行設(shè)計(jì)集成和二次開發(fā)，利用膠粘邏輯技術(shù)GLT（GlueLogicTechnology），把這些IP內(nèi)核模塊嵌入到SoC中。

嵌入式SoCIP內(nèi)核模塊是單片系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，究竟購買哪一級(jí)IP內(nèi)核模塊，要根據(jù)現(xiàn)有基礎(chǔ)、時(shí)間、資金和其他條件權(quán)衡確定。購買硬IP內(nèi)核模塊風(fēng)險(xiǎn)最小，但付出最大，這是必然的。但總的來說，通過購買IP內(nèi)核模塊不僅可以降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，還能節(jié)省開發(fā)費(fèi)用，因?yàn)橐话阗徺IIP內(nèi)核模塊的費(fèi)用要低于自己?jiǎn)为?dú)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的費(fèi)用。

嵌入式SoC當(dāng)然，并不是所需要的IP內(nèi)核模塊都可以從市場(chǎng)上買得到。為了壟斷市場(chǎng)，有一些公司開發(fā)出來的關(guān)鍵IP內(nèi)核模塊（至少暫時(shí)）是不愿意授權(quán)轉(zhuǎn)讓使用的。像這樣的IP內(nèi)核模塊就不得不自己組織力量來開發(fā)。而ARM公司以IP提供者的身份向各大半導(dǎo)體制造商出售知識(shí)產(chǎn)權(quán)，自己卻不介入芯片的生產(chǎn)和銷售。ARM芯核的卓越特性，使其成為32位嵌入式應(yīng)用開發(fā)工程師的首選;基于ARM處理器核的SoC芯片的應(yīng)用開發(fā)得到廣泛的應(yīng)用。SoC芯片已經(jīng)成為提高移動(dòng)通信、網(wǎng)絡(luò)、信息家電、高速計(jì)算、多媒體應(yīng)用及軍用電子系統(tǒng)性能的核心器件，是嵌入式系統(tǒng)的硬件核心。

嵌入式SoC舉例我們以HMS30C7202為例講述一個(gè)實(shí)際的SoC。HMS30C7202是韓國(guó)現(xiàn)代公司開發(fā)的基于ARM720T內(nèi)核、主頻為70MHz、功能非常強(qiáng)大高集成度的片上系統(tǒng)，它片內(nèi)外設(shè)的資源很多，廣泛應(yīng)用于PDA、智能電器、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、音頻設(shè)備、電子圖書、POS等。圖是HMS30C7202的功能和系統(tǒng)配置圖。其片上外圍設(shè)備包括UART、USB、PS2和CAN接口，I2S接口通過外部DAC提供高質(zhì)量的音頻輸出。電源管理單元的特點(diǎn)是低功耗。1.3.4可編程片上系統(tǒng)－SOPC

采用超深亞微米工藝技術(shù)；使用一個(gè)以上的嵌入式處理器/DSP；外部可以對(duì)芯片進(jìn)行編程；主要采用第三方IP進(jìn)行設(shè)計(jì)；足夠的片上可編程邏輯資源；具有處理器調(diào)試接口和FPGA編程接口；可能包含部分可編程模擬電路；單芯片、低功耗、微封裝。

用可編程邏輯技術(shù)把整個(gè)系統(tǒng)放到一塊硅片上，稱作可編程片上系統(tǒng)SOPC

可編程片上系統(tǒng)－SOPC

SOPC的技術(shù)基礎(chǔ)：超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷捌溟_發(fā)工具的成熟；FPGA密度提高；FPGA成本大大下降；FPGA設(shè)計(jì)、綜合、仿真、測(cè)試工具性能飛速提高。微處理器/DSP以IP核的形式方便的嵌入到FPGA中；基于IPCore的開發(fā)模式深入人心。

SOPC基本特征:

超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷捌溟_發(fā)工具的成熟；FPGA成本大大下降；

FPGA密度提高；FPGA設(shè)計(jì)、綜合、仿真、測(cè)試工具性能飛速提高。微處理器/DSP以IP核的形式方便的嵌入到FPG基于IPCore的開發(fā)模式深入人心。

可編程片上系統(tǒng)－SOPCSOPC設(shè)計(jì)技術(shù)涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的全部?jī)?nèi)容，除了以處理器和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）為中心的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、以PCB和信號(hào)完整性分析為基礎(chǔ)的高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)以外SOPC還涉及目前已引起普遍關(guān)注的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)。

可編程片上系統(tǒng)－SOPC由于SOPC的主要邏輯設(shè)計(jì)是在可編程邏輯器件內(nèi)部進(jìn)行，而BGA封裝已被廣泛應(yīng)用在微封裝領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的調(diào)試設(shè)備，如邏輯分析儀和數(shù)字示波器，已很難進(jìn)行直接測(cè)試分析，因此，必將對(duì)以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)提出更高的要求。同時(shí)，新的調(diào)試技術(shù)也將不斷涌現(xiàn)出來。AlteraNois使用SoPCbuilder設(shè)計(jì)IP，經(jīng)過驗(yàn)證和批量使用時(shí)，通過Hardcopy轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化ASIC來實(shí)現(xiàn)！武漢理工大學(xué)1.3.5嵌入式外圍接口電路和設(shè)備接口根據(jù)外圍設(shè)備的功能可分為以下5類

存儲(chǔ)器類型通信接口輸入輸出設(shè)備設(shè)備擴(kuò)展接口電源及輔助設(shè)備

存儲(chǔ)器類型：存儲(chǔ)器是嵌入式系統(tǒng)中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序的功能部件，目前常見的存儲(chǔ)設(shè)備按使用的存儲(chǔ)器類型分為：靜態(tài)易失型存儲(chǔ)器（RAM，SRAM）；動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（DRAM）；非易失性存儲(chǔ)器ROM（MASKROMEPROM，

EEPROM，F(xiàn)LASH）；硬盤、軟盤、CD－ROM等。

通信接口

目前存在的所有計(jì)算機(jī)通信接口在嵌入式領(lǐng)域中都有其廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用最為廣泛的接口設(shè)備包括

RS-232接口（串口UART）

USB接口（通用串行總線接口）

IrDA（InfraRedDataAssociation－紅外線接口）、

SPI（串行外圍設(shè)備接口）、

I2C、CAN總線接口、藍(lán)牙接口（Bluetooth）

Ethernet（以太網(wǎng)接口）、

IEEE1394接口和通用可編程接口GPIO。

輸入輸出設(shè)備

CRT、LCD和觸摸屏等，構(gòu)成了嵌入式系統(tǒng)中重要的信息輸入輸出設(shè)備，應(yīng)用廣泛。觸摸屏可以方便的實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)和鍵盤功能。

設(shè)備擴(kuò)展接口

簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)如具有簡(jiǎn)單的記事本、備忘錄以及日程計(jì)劃等功能的PDA，它所需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量并不需要很大的內(nèi)存。由于目前的嵌入式系統(tǒng)功能越來越復(fù)雜，需要大容量?jī)?nèi)存，大的內(nèi)存使得系統(tǒng)成本和體積加大。目前一些高端的嵌入式系統(tǒng)都會(huì)預(yù)留可擴(kuò)展存儲(chǔ)設(shè)備接口，為日后用戶有特別需求時(shí)，可購買符合擴(kuò)展接口規(guī)格的裝置直接接入系統(tǒng)使用。

常用的擴(kuò)展卡還有各種CF卡、SD卡、MemoryStick等。目前高端的嵌入式系統(tǒng)都留有一定的擴(kuò)展卡接口。

電源及輔助設(shè)備

嵌人式系統(tǒng)力求外觀小型化、重量輕以及電源使用壽命長(zhǎng)，例如移動(dòng)電話或PDA，體積較大或者過重的機(jī)型已經(jīng)被淘汰。目前發(fā)展的目標(biāo)是體積小、易攜帶和外觀設(shè)計(jì)新穎等。在便攜式嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中，必須特別關(guān)注電源裝置等輔助設(shè)備。1.2.5嵌入式系統(tǒng)的硬件開發(fā)需求和功能分析設(shè)計(jì)方案的規(guī)劃核心部件的選型主要部件選型基礎(chǔ)部件選型原理圖設(shè)計(jì)PCB設(shè)計(jì)系統(tǒng)調(diào)試產(chǎn)品維護(hù)和升級(jí)武漢理工大學(xué)1.3嵌入式系統(tǒng)的軟件組成和開發(fā)

1.4.1嵌入式系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

1.4.2嵌入式操作系統(tǒng) 1.4.3嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的軟件層次結(jié)構(gòu)板級(jí)支持包層實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)層(RTOS)應(yīng)用程序接口應(yīng)用程序?qū)游錆h理工大學(xué)1.4.1嵌入式操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)由硬件和軟件兩部分組成，操作系統(tǒng)OS(OperatingSystem)是配置在計(jì)算機(jī)硬件上的第一層軟件，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中占據(jù)了特殊重要的地位；操作系統(tǒng)可以解釋或理解為補(bǔ)平硬件差異的界面或是說隱藏硬件，讓應(yīng)用程序可以在上面運(yùn)行。通過由操作系統(tǒng)統(tǒng)一所提供出來的系統(tǒng)界面來寫應(yīng)用程序，無須考慮到不同硬件所造成的差異，讓程序設(shè)計(jì)人員能夠?qū)Ｗ⒂谒瞄L(zhǎng)領(lǐng)域的開發(fā)

嵌入式操作系統(tǒng)從用戶的觀點(diǎn)看OS是用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口，用戶在OS的幫助下能夠方便、快捷、安全、可靠地操縱計(jì)算機(jī)硬件和運(yùn)行自己的程序；從資源管理觀點(diǎn)可以把OS視為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者。嵌入式操作系統(tǒng)就是支持嵌入式系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。它在知識(shí)體系和技術(shù)本質(zhì)上與通用操作系統(tǒng)沒有太大的區(qū)別，一般用于比較復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)中

嵌入式操作系統(tǒng)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)束或是有更高等級(jí)的進(jìn)程出現(xiàn)為止。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)開發(fā)的效率，減少了系統(tǒng)開發(fā)的總工作量，而且提高了嵌入式應(yīng)用軟件的可移植性。

嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)就是支持嵌入式系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。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)束或是有更高等級(jí)的進(jìn)程出現(xiàn)為止。嵌入式系統(tǒng)的需要，嵌入式操作系統(tǒng)必須包括操作系統(tǒng)的一些最基本的功能，如中斷處理與進(jìn)程調(diào)度，用戶可以通過API來使用操作系統(tǒng)。

嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)相對(duì)于一般操作系統(tǒng)而言，僅指操作系統(tǒng)的內(nèi)核（或者微內(nèi)核），其他的諸如窗口系統(tǒng)界面或是通訊協(xié)議等模塊，可以另外選擇，目前大多數(shù)的嵌入式操作系統(tǒng)必須提供以下管理功能：多任務(wù)管理

存儲(chǔ)管理

周邊資源管理

中斷管理

1.4.2嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)大多嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用在實(shí)時(shí)環(huán)境中，因此嵌入式操作系統(tǒng)跟實(shí)時(shí)（Real-Time）操作系統(tǒng)密切聯(lián)系在一起。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的要求對(duì)內(nèi)核進(jìn)行剪裁和重新配置，組成可根據(jù)實(shí)際的不同應(yīng)用領(lǐng)域而有所不同。但以下幾個(gè)重要組成部分是不太變化的：實(shí)時(shí)內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)組件、文件系統(tǒng)和圖形接口等。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)庫模塊應(yīng)用程序接口（API）

硬件（Hardware）網(wǎng)絡(luò)模塊調(diào)度圖1-4RTOS體系結(jié)構(gòu)圖1.4.3典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹

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。商用型的操作系統(tǒng)主要有VxWorks、WindowsCE、Psos、PalmOS、OS-9、LynxOS、QNX、LYNX等

免費(fèi)型的操作系統(tǒng)主要有Linux和μC/OS-II嵌入式系統(tǒng)需要的是一套高度簡(jiǎn)練、界面友善、質(zhì)量可靠、應(yīng)用廣泛、易開發(fā)、多任務(wù)，并且價(jià)格低廉的操作系統(tǒng)

典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹

μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核

VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

WinCE操作系統(tǒng)

Linux操作系統(tǒng)

μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核

μC/OS-II是一個(gè)可裁減的、源碼開放的、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)。μC/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)0~63，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)。μC/OS-II最大程度上使用ANSIC語言開發(fā)，現(xiàn)已成功移植到近40多種處理器體系上。μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核μC/OS-II結(jié)構(gòu)小巧，最小內(nèi)核可編譯至2k（這樣的內(nèi)核沒有太大實(shí)用性），即使包含全部功能如信號(hào)量、消息郵箱、消息隊(duì)列及相關(guān)函數(shù)等，編譯后的μC/OS-II內(nèi)核也僅有6~10kb，所以它比較適用于小型控制系統(tǒng)。μC/OS-II具有良好的擴(kuò)展性能，比如系統(tǒng)本身不支持文件系統(tǒng)，但是如果需要的話也可自行加入文件系統(tǒng)的內(nèi)容。WinCE操作系統(tǒng)

MicrosoftWindowsCE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

Win32API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WindowsCE提供了PlatformBuilder和EmbeddedVisualStudio開發(fā)工具。WinCE操作系統(tǒng)WindowsCE有五個(gè)主要的模塊

內(nèi)核模塊：支持進(jìn)程和線程處理及內(nèi)存管理等基本服務(wù)；內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用接口模塊：允許應(yīng)用軟件訪問操作系統(tǒng)提供的服務(wù)；文件系統(tǒng)模塊：支持DOS等格式的文件系統(tǒng)；

圖形窗口和事件子系統(tǒng)模塊：控制圖形顯示，并提供WindowsGUI界面；通訊模塊：允許同其他的設(shè)備之間進(jìn)行信息交換。WinCE操作系統(tǒng)WindowsCE嵌入式操作系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是能提供與PC機(jī)類似的圖形界面和主要的應(yīng)用程序。WindowsCE嵌入式操作系統(tǒng)的界面顯示大多數(shù)在Windows里出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)部件，包括桌面、任務(wù)欄、窗口、圖標(biāo)和控件等等。這樣只要是對(duì)PC機(jī)上的Windows比較熟悉的用戶，可以很快地使用基于WindowsCE嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備。武漢理工大學(xué)嵌入式操作系統(tǒng)總結(jié)VxWorks類似unix,posix規(guī)范高精尖和實(shí)時(shí)性要求極高的場(chǎng)合簡(jiǎn)單、功能完備、實(shí)時(shí)性很強(qiáng)入門和教研，對(duì)系統(tǒng)要求不高針對(duì)無MMU處理器設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相關(guān)嵌入式設(shè)備WindowsCE內(nèi)核小，與windows類似界面能用于工業(yè)控制等領(lǐng)域1.5嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)1.5.1嵌入式軟件開發(fā)的特點(diǎn)和技術(shù)挑戰(zhàn) 1.5.2嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境 1.5.3嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)的基本流程 1.5.4嵌入式軟件開發(fā)的可移植性和可重用性

嵌入式軟件開發(fā)的特點(diǎn)和技術(shù)挑戰(zhàn)開發(fā)的復(fù)雜度增加需要軟硬件開發(fā)環(huán)境和工具嵌入式軟硬件必須協(xié)同設(shè)計(jì)需要新的任務(wù)設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變觀念，熟悉新的開發(fā)模式需固化應(yīng)用軟件并進(jìn)行相關(guān)測(cè)試軟件技術(shù)門檻高，開放量和難度加大武漢理工大學(xué)1.5.2嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境1）交叉開發(fā)環(huán)境

交叉開發(fā)軟件一般為一個(gè)整合編輯、編譯匯編鏈接、調(diào)試、工程管理及函數(shù)庫等功能模塊的集成開發(fā)環(huán)境IDE（IntergratedDevelopmentEnvironment）。

嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境嵌入式交叉開發(fā)環(huán)境的宿主機(jī)到目標(biāo)機(jī)的調(diào)試通道一般有以下三種：

在線調(diào)試（On-ChipDebugging，OCD）或在線仿真（On-ChipEmulator）

*基于JTAG的ICD（In-CircuitDebugger）

*背景調(diào)試模式（BDM）

在線仿真器ICE（In-CircuitEmulator）

ROM監(jiān)控器（ROMmonitor）

嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境2）軟件模擬環(huán)境

軟件模擬環(huán)境也稱為指令集模擬器IIS(InstructionSetSimulator)軟件模擬不可能完全代替真正的硬件環(huán)境，這種模擬調(diào)試只能作為一種初步調(diào)試，主要是用作用戶程序的模擬運(yùn)行，用來檢查語法、程序的結(jié)構(gòu)等簡(jiǎn)單錯(cuò)誤，用戶最終還必須在真實(shí)的硬件環(huán)境中實(shí)際運(yùn)行調(diào)試，完成整個(gè)應(yīng)用的開發(fā)。

嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境3)評(píng)估電路板

一般用來作為開發(fā)者使用的學(xué)習(xí)板、實(shí)驗(yàn)板，可以作為應(yīng)用目標(biāo)板出來之前的軟件測(cè)試、硬件調(diào)試的電路板

1.5.3嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)的基本流程圖1-7嵌入式軟件開發(fā)流程圖鏈接器命令文件編譯預(yù)處理編譯器匯編器Archive工具鏈接器和定位器頭文件（*.h，*.hpp）可重定位目標(biāo)文件庫文件（*.a，*.lib）頭文件（*.h，*.hpp）C/C+