第1章 嵌入式系統(tǒng)

第1章嵌入式系統(tǒng)概述

2023/2/4教學要點嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式處理器分類嵌入式操作系統(tǒng)計算機發(fā)展的三大階段第一階段：始于50年代的由IBM,Burroughs,Honeywell等公司率先研制的大型機。第二階段：始于70年代的個人計算機（PC機）。第三階段：計算機正邁入下一個充滿機遇的階段—“后PC時代”或“無處不在的計算機”階段。計算的發(fā)展過程

分時系統(tǒng)批處理系統(tǒng)單用戶系統(tǒng)大型機分布式計算小型機基于網(wǎng)絡的個人計算

微型機協(xié)同計算基于開放系統(tǒng)的客戶/服務器普適計算

普適計算終端資源使用的靈活性計算的自由性無處不在的計算機施樂公司PaloAlto研究中心主任MarkWeiser認為：“從長遠來看，PC機和計算機工作站將衰落，因為計算機變得無處不在：例如在墻里、在手腕上、在手寫電腦中(象手寫紙一樣)等等，隨用隨取、伸手可及”。無處不在的計算機全世界的計算機科學家正在形成一種共識:計算機不會成為科幻電影中的那種貪婪的怪物,而是將變得小巧玲瓏,無處不在.他們藏身在任何地方,又消失在所有地方,功能強大,確有無影無蹤.人們將這種思想命名為:“無所不在的計算機”。彼此互連無處不在的計算機面對6萬年才有一次的機會，科學家們積極行動起來———從6月開始，先后有歐洲的“火星快車”、美國“勇氣號”和“機遇號”等三顆火星探測器飛往火星，而日本一顆本已在太空“迷失方向”的火星探測器也在關鍵時刻及時“醒”來，開始了久違的火星之旅?；鹦桥c地球，這一對在星空中遙遙相望的“兄弟”，迎來6萬年來“最親密的接觸”，在2003年8月27日這一天，火星距離地球最近達到55756622(5千多萬)公里。勇氣號“小鷹”號標準排水量為60100噸，滿載排水量達81123噸，艦長323.6米，艦寬39.6米，吃水11.4米，是世界上最大的常規(guī)動力航空母艦。艦員2930名，其中軍官155名；航空人員2480名，其中軍官320名。飛機：F-14D戰(zhàn)斗機20架，F(xiàn)/A-18戰(zhàn)斗機36架，E-2C預警機和EA-6B電子干擾機各4架，6架S-3B反潛機，6架直升機，2架ES-3A。WearableComputing嵌入式設備無處不在，

但桌面系統(tǒng)還依然有用無處不在的計算機是計算機與使用者的比率達到和超過100:1的階段無處不在的計算機包括通用計算機和嵌入式計算機系統(tǒng)在100:1比例中95%以上都是嵌入式計算機系統(tǒng)，并非通用計算機通用計算機－看得見的計算機如：PC機、服務器、大型計算機等。顯示器主機鼠標鍵盤硬件軟件通用計算機－看得見的計算機通常，將嵌入式計算機系統(tǒng)簡稱為嵌入式系統(tǒng)。1嵌入式系統(tǒng)概述

嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的應用嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展1.1什么是嵌入式系統(tǒng)根據(jù)IEEE（國際電氣和電子工程師協(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備的裝置” （原文為devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術與各個行業(yè)的具體應用相結合后的產(chǎn)物。簡單地講嵌入性：嵌入到對象體系中，有對象環(huán)境要求；專用性：軟、硬件按對象要求裁減；計算機：實現(xiàn)對象的智能化功能。嵌入到對象體中的專用計算機系統(tǒng)。三要素：嵌入、專用、計算機。嵌入式系統(tǒng)的特點：廣義地說一個嵌入式系統(tǒng)就是一個具有特定功能或用途的計算機軟硬件集合體。嵌入式系統(tǒng)，是以應用為中心，以計算機技術為基礎，采用可剪裁軟硬件，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的最高形式——片上系統(tǒng)（SOC）歷史與現(xiàn)狀無操作系統(tǒng)階段：20世紀70年代匯編語言直接控制簡單操作系統(tǒng)階段：20世紀80年代基于簡單的OS開發(fā)嵌入式應用軟件實時操作系統(tǒng)階段：20世紀90年代實時多任務操作系統(tǒng)面向Internet階段：進入21世紀嵌入式設備與Internet結合嵌入式硬件平臺：嵌入式處理器；存儲器（ROM、RAM）；輸入輸出設備；嵌入式外圍設備。嵌入式操作系統(tǒng)（EmbeddedOS，EOS）：負責嵌入式系統(tǒng)全部軟、硬件資源的分配、調度、控制、協(xié)調；能夠通過加載/卸載某些模塊來達到系統(tǒng)所要求的功能。嵌入式應用軟件1.2嵌入式系統(tǒng)的體系結構復位及振蕩電路處理器定時器ROM、RAM串行口中斷控制并口輸入/輸出設備接口及驅動電路系統(tǒng)專用電路嵌入式系統(tǒng)硬件組成1.3應用領域社會經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生了一些新的需求，同時促進了嵌入式技術的廣泛應用。中國正在成為世界制造大國，在消費電子、工業(yè)應用、軍事、網(wǎng)絡設備等領域都有嵌入式系統(tǒng)的應用。嵌入式技術刺激了許多新的應用需求，如信息家電、電子病歷、微小型智能武器等。消費電子嵌入式應用信息家電智能玩具軍事電子通信設備移動存貯工控設備智能儀表汽車電子網(wǎng)絡設備工業(yè)軍事國防電子商務網(wǎng)絡(1)機電產(chǎn)品過去在工業(yè)過程控制、數(shù)字機床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設備監(jiān)測、石油化工系統(tǒng)等方面，大部分低端型設備主要采用是８位單片機。隨著技術發(fā)展，目前許多設備除了進行實時控制，還須將設備狀態(tài)，傳感器的信息等在顯示屏上實時顯示。

(2)信息家電信息家電將成為嵌入式系統(tǒng)最大的應用領域。只有按鈕、開關的電器顯然已經(jīng)不能滿足人們的日常需求。具有用戶界面，能遠程控制，智能管理的電器是未來的發(fā)展趨勢，如冰箱、空調等的網(wǎng)絡化、智能化等。(3)消費類電子智能玩具手持通訊機器人馬拉松機器人馬拉松機器人馬拉松(4)交通管理、環(huán)境監(jiān)測交通管理在車輛導航、流量控制、信息監(jiān)測與汽車服務方面，目前GPS設備已經(jīng)從尖端產(chǎn)品進入了普通百姓的家庭。水文資料實時監(jiān)測，防洪體系及水土質量監(jiān)測、堤壩安全，地震監(jiān)測網(wǎng)，實時氣象信息網(wǎng)，水源和空氣污染監(jiān)測。加油站、停車場管理。(5)嵌入式Internet應用(6)軍事領域(7)航天領域1.4嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢聯(lián)網(wǎng)成為必然趨勢小尺寸、微功耗和低成本提供精巧的多媒體人機界面“無所不在的智能”（AmbientIntelligence，AmI）2嵌入式處理器

嵌入式系統(tǒng)的分類嵌入式處理器的分類和現(xiàn)狀

ARM微處理器按表現(xiàn)形式分（硬件范疇）：芯片級嵌入（含程序或算法的處理器）模塊級嵌入（系統(tǒng)中的某個核心模塊）系統(tǒng)級嵌入按實時性要求分（軟件范疇）：

非實時系統(tǒng)（PDA）

軟實時系統(tǒng)（消費類產(chǎn)品）

硬實時系統(tǒng)（工業(yè)和軍工系統(tǒng)）2.1嵌入式系統(tǒng)的分類2.2嵌入式處理器的分類和現(xiàn)狀微控制器（MCU）數(shù)字信號處理器（DSP）片上系統(tǒng)（SOC）可編程片上系統(tǒng)（SOPC）MCU嵌入式微控制器的典型代表是單片機，這種８位的電子器件，目前在嵌入式設備中仍然有著極其廣泛的應用。單片機芯片內部集成ROM/EPROM、RAM、總線邏輯、定時/計數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各種必要功能和外設。MCU處理能力非常有限。MCU微控制器總線寬度一般為4位、8位或16位，處理速度有限，一般在幾個MIPS，進行一些復雜的應用很困難，運行操作系統(tǒng)就更難。嵌入式微處理器（MicroProcessorUnit)MPU嵌入式微處理器是由通用計算機中的CPU演變而來的，80386/80387與計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應用中，只保留和嵌入式應用緊密相關的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現(xiàn)嵌入式應用的特殊要求。MPUDSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結構和指令算法方面進行了特殊設計，在數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應用。DSP是運算密集處理器，一般用在快速執(zhí)行算法，做控制比較困難。為了追求高執(zhí)行效率，不適合運行操作系統(tǒng)，核心代碼使用匯編。DSPSOC（片上系統(tǒng)）是IC設計的發(fā)展趨勢。采用SOC設計技術，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)的性能價格比。SOC芯片已經(jīng)成為提高移動通信、網(wǎng)絡、信息家電、高速計算、多媒體應用及軍用電子系統(tǒng)性能的核心器件。SOC用可編程邏輯技術把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上，稱作SOPC?？删幊唐舷到y(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。SOPCARM（AdvancedRISCMachines），既可以認為是一個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術的名字。1991年ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設計技術的授權。2.3ARM處理器ARM公司的Chipless模式世界各大半導體生產(chǎn)商從ARM公司購買其設計的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應用領域，加入適當?shù)耐鈬娐?，從而形成自己的ARM微處理器芯片進入市場?；贏RM技術的微處理器應用約占據(jù)了32位RISC微處理器75％以上的市場份額，ARM技術正在逐步滲入到我們生活的各個方面。我國的中興集成電路、大唐電訊、中芯國際和上海華虹，以及國外的一些公司如德州儀器、意法半導體、Philips、Intel、Samsung等都推出了自己設計的基于ARM核的處理器。低功耗、低成本、高性能采用RISC指令集使用大量的寄存器ARM/Thumb指令支持三/五級流水線ARM微處理器的特點ARM微處理器系列通用處理器系列ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11SecurCore系列 安全產(chǎn)品應用Intel的StrongARM

ARMv4；消費類電子Intel的Xscale

ARMv5TE；DSP采用RISC體系結構采用RISC架構的ARM處理器一般具有如下特點：固定長度的指令格式，指令歸整、簡單、基本尋址方式有2～3種；使用單周期指令，便于流水線操作執(zhí)行；大量使用寄存器，數(shù)據(jù)處理指令只對寄存器進行操作，只有加載/存儲指令可以訪問存儲器，以提高指令的執(zhí)行效率。大量使用寄存器ARM處理器共有37個寄存器，被分為若干個組，這些寄存器包括：31個通用寄存器，包括程序計數(shù)器（PC指針），均為32位的寄存器；6個狀態(tài)寄存器，用以標識CPU的工作狀態(tài)及程序的運行狀態(tài)，均為32位。高效的指令系統(tǒng)ARM微處理器支持兩種指令集：ARM指令集和Thumb指令集。ARM指令為32位的長度，Thumb指令為16位長度。Thumb指令集為ARM指令集的功能子集，但與等價的ARM代碼相比較，可節(jié)省30％～40％以上的存儲空間，同時具備32位代碼的所有優(yōu)點。ARM微處理器的其他技術除此以外，ARM體系結構還采用了一些特別的技術，在保證高性能的前提下盡量縮小芯片的面積，并降低功耗：所有的ARM指令都可根據(jù)前面的執(zhí)行結果決定是否被執(zhí)行，從而提高指令的執(zhí)行效率?？捎眉虞d/存儲指令批量傳輸數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)的傳輸效率?？稍谝粭l數(shù)據(jù)處理指令中同時完成邏輯處理和移位處理。在循環(huán)處理中使用地址的自動增減來提高運行效率。3嵌入式操作系統(tǒng)LinuxC/OSWindowsCE

Symbian

VxWorksQNX部分遵循POSIX標準操作系統(tǒng)（OS，OperatingSystem）：是隱藏底層不同硬件的差異，向在其上運行的應用程序提供一個統(tǒng)一的調用接口。操作系統(tǒng)主要完成三項任務：內存管理、多任務管理和外圍設備管理。應用程序操作系統(tǒng)系統(tǒng)界面驅動程序硬件硬件硬件硬件操作系統(tǒng)的概念和分類嵌入式操作系統(tǒng)（EmbeddedOS，EOS）負責嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調度、控制、協(xié)調；能夠通過加載/卸載某些模塊來達到系統(tǒng)所要求的功能。EOS是相對于一般操作系統(tǒng)而言的，它除具備了一般操作系統(tǒng)最基本的功能，如任務調度、同步機制、中斷處理、文件處理等外，還有以下特點:強穩(wěn)定性，弱交互性：具有很強的穩(wěn)定性；較強的實時性：可伸縮性：開放、可伸縮性的體系結構；外設接口的統(tǒng)一性：提供各種設備驅動接口。操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)服務供應用程序調用，包括：文件系統(tǒng)、內存分配、I/O存取服務、中斷服務、任務（Task）服務、時間（Timer）服務等，設備驅動程序（DeviceDriver）則是要建立在I/O存取和中斷服務上的。有些嵌入式操作系統(tǒng)也會提供多種通信協(xié)議，以及用戶接口函數(shù)庫等。實時操作系統(tǒng)（Real-TimeOperatingSystem，RTOS），是指操作系統(tǒng)本身要能在一個固定時限內對程序調用（或外部事件）做出正確的反應，亦即對時序與穩(wěn)定性的要求十分嚴格。目前國際較為知名的有：VxWorks(WindRiver)、NeutrinoRTOS(QNX)、NucleusPlus(ATI)、MicrowareOS-9(RadiSys)、VRTX、LinuxOS，RTLinux、BlueCatRT等。通用型操作系統(tǒng)：執(zhí)行性能與反應速度比起實時操作系統(tǒng)，相對沒有那么嚴格。目前較知名的有：WindowsCE、PalmOS、TimeSysLinux/GPL、BlueCatLinux等。嵌入式操作系統(tǒng)的性能通常取決于核心程序，而核心的工作主要在任務管理（TaskManagement）、任務調度（TaskScheduling）、進程間的通信（IPC）、內存管理（MemoryManagement）。嵌入式Linux具有適合于嵌入式系統(tǒng)的特點:內核精簡，高性能、穩(wěn)定；良好的多任務支持；適用于不同的CPU體系架構：支持多種體系架構，如X86、ARM、MIPS、ALPHA、SPARC等；可伸縮的結構：可伸縮的結構使Linux適合于從簡單到復雜的各種嵌入式應用；外設接口統(tǒng)一：以設備驅動程序的方式為應用提供統(tǒng)一的外設接口；開放源碼，軟件資源豐富：廣泛的軟件開發(fā)者的支持，價格低廉，結構靈活，適用面廣；完整的技術文檔，便于用戶的二次開發(fā)。LinuxC/OS-Ⅱ是JeanJ.Labrosse在1990年前后編寫的一個實時操作系統(tǒng)內核。名稱C/OS-II來源于術語Micro-ControllerOperatingSystem（微控制器操作系統(tǒng)）。它通常也稱為MUCOS或者UCOS。C/OS-Ⅱ只是一個實時操作系統(tǒng)內核，其特點：提供任務調度、任務管理、時間管理、內存管理和任務間通信和同步等基本功能；沒有提供輸入輸出管理、文件管理、網(wǎng)絡等額外的服務；源碼開放及可擴展。C/OS-Ⅱ基于優(yōu)先級調度的搶占式實時內核，在內核之上提供最基本的系統(tǒng)服務，例如：信號量、郵箱、消息隊列、內存管理、中斷管理等。應用領域包括便攜式電話、運動控制卡、自動支付終端、交換機等。C/OS-Ⅱ具有良好的可移植性。C/OS-Ⅱ的大部分代碼都是用C語言寫成的，只有與處理器的硬件相關的一部分代碼用匯編語言編寫。目前C/OS-Ⅱ支持ARM、PowerPC、MIPS、68k/ColdFire和x86等多種體系結構。從多年前發(fā)表WindowsCE開始，微軟就開始涉足嵌入式操作系統(tǒng)領域，如