第1章嵌入式系統(tǒng)概述-2jm

主講人：趙宏偉學(xué)時：40

吉林大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

嵌入式系統(tǒng)課程意義課程設(shè)置的必要性：IT應(yīng)用范圍越來越廣應(yīng)用需求越來越復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微處理器技術(shù)快速發(fā)展與Internet結(jié)合的嵌入式技術(shù)成為后PC時代的發(fā)展核心課程內(nèi)容與目標：理解嵌入式系統(tǒng)的概念和基本要素掌握嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計的基本方法實踐嵌入式系統(tǒng)項目的開發(fā)流程為深入開展嵌入式系統(tǒng)相關(guān)科研項目奠定基礎(chǔ)。參考資料教材：賈智平,張瑞華,嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術(shù)（第2版）,清華大學(xué)出版社,2009參考材料：周立功,ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程,北京航空航天大學(xué)出版社,2005杜春雷,ARM體系結(jié)構(gòu)與編程,清華大學(xué)出版社,2003ARMLimited,ARMArchitectureReferenceManual，/ds_395.htm，2006.8.1網(wǎng)絡(luò)資源嵌入式資訊網(wǎng)，/嵌入式365網(wǎng)，/嵌入式聯(lián)盟，/main.asp嵌入式開發(fā)論壇，/bbs/21IC中國電子網(wǎng)，/深圳市英蓓特信息技術(shù)有限公司嵌入式開發(fā)網(wǎng)，/嵌入式世界網(wǎng)，/

嵌入式控制技術(shù)研究室，/Index.html第1章嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)的基本概念嵌入式系統(tǒng)的分類嵌入式處理器嵌入式系統(tǒng)的組成評估嵌入式系統(tǒng)處理器的主要指標嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

1.1嵌入式系統(tǒng)的基本概念1.1.1嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)本身是一個相對模糊的定義，人們很少會意識到他們往往隨身攜帶了好幾個嵌入式系統(tǒng)——MP3、手機或者智能卡等，而且人們在與汽車、電梯、廚房設(shè)備、電視、錄像機以及娛樂設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)交互時也往往對此毫無覺察。正是“看不見”這一特性將嵌入式計算機與通用PC計算機區(qū)分開來。嵌入式系統(tǒng)通常用在一些特定專用設(shè)備上，一般情況下這些設(shè)備的硬件資源（如處理器、存儲器等）非常有限，并且對成本很敏感，有時對實時響應(yīng)要求很高。嵌入式系統(tǒng)早期主要應(yīng)用于軍事、航空、航天等領(lǐng)域，后來逐步應(yīng)用到工業(yè)控制、儀器儀表、汽車、電子、通信和家用消費類等領(lǐng)域。隨著消費家電的智能化，嵌入式系統(tǒng)顯得更加重要。目前，嵌入式系統(tǒng)還沒有比較權(quán)威、比較統(tǒng)一的定義，人們從不同的角度來理解嵌入式系統(tǒng)，描述嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)-描述1嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。最常用的描述。嵌入式系統(tǒng)-描述2嵌入式系統(tǒng)是指嵌入式計算機及其應(yīng)用系統(tǒng)，是指嵌入各種設(shè)備及應(yīng)用產(chǎn)品內(nèi)部的計算機系統(tǒng)，它主要完成信號控制的功能，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，可作為一個部件埋藏于所控制的裝置中，它提供用戶接口、管理有關(guān)信息的輸入輸出、監(jiān)控設(shè)備工作，使設(shè)備及應(yīng)用系統(tǒng)有較高智能和性價比。嵌入性本質(zhì)是將一個計算機嵌入到一個對象體系中去，這是理解嵌入式系統(tǒng)的基本出發(fā)點。

嵌入式系統(tǒng)-描述3嵌入式系統(tǒng)是計算機技術(shù)，通信技術(shù)，半導(dǎo)體技術(shù)，微電子技術(shù)，語音圖象數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，甚至傳感器等先進技術(shù)和具體應(yīng)用對象相結(jié)合后的更新?lián)Q代產(chǎn)品，是技術(shù)密集，投資強度大，高度分散，不斷創(chuàng)新的知識密集型系統(tǒng)。反映當代最新技術(shù)的先進水平。嵌入式系統(tǒng)-描述4嵌入式系統(tǒng)是一個分散的工業(yè),充滿了競爭、機遇與創(chuàng)新,沒有哪一個系列的處理器和操作系統(tǒng)能夠壟斷全部市場。從某種意義上來說，通用計算機行業(yè)的技術(shù)是壟斷的。占整個計算機行業(yè)90%的PC產(chǎn)業(yè)，其中80%采用Intel的80x86體系結(jié)構(gòu)，芯片基本上出自Intel，AMD等幾家公司。在操作系統(tǒng)和文字處理器方面，Microsoft的Windows及Word占80～90%，憑借操作系統(tǒng)還可以搭配其它應(yīng)用程序。因此當代的通用計算機工業(yè)的基礎(chǔ)被認為是由Wintel（Microsoft和Intel90年代初建立的聯(lián)盟）壟斷的工業(yè)。嵌入式系統(tǒng)-描述5嵌入式系統(tǒng)面向用戶，面向產(chǎn)品，面向應(yīng)用。如果獨立于應(yīng)用，自行發(fā)展，則會失去市場。嵌入式處理器的功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面均受到應(yīng)用要求的制約,這也是各個半導(dǎo)體廠商之間競爭的熱點。嵌入式系統(tǒng)-描述6IEEE（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(shè)備的裝置”。嵌入式系統(tǒng)的理解角度（1）嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會具有生命力，才更具有優(yōu)勢。嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用緊密結(jié)合，具有很強的專用性，必須結(jié)合實際系統(tǒng)需求進行合理的裁剪、利用。（2）嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)以及各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，因此它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。（3）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。如果能建立相對通用的軟硬件基礎(chǔ)，然后在其上開發(fā)出適應(yīng)各種需要的系統(tǒng)，將會是一種比較好的發(fā)展模式。目前嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個只有幾KB到幾十KB內(nèi)存的微內(nèi)核，需要根據(jù)實際應(yīng)用進行功能擴展或者裁剪，而由于微內(nèi)核的存在，使得這種擴展或裁剪能夠非常順利地進行。嵌入式系統(tǒng)與通用PC對比特征通用計算機嵌入式系統(tǒng)形式和類型看得見的計算機。按其體系結(jié)構(gòu)、運算速度和結(jié)構(gòu)規(guī)模等因素分為大、中、小型機和微機。看不見的計算機。形式多樣，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，按應(yīng)用來分。組成通用處理器、標準總線和外設(shè)。軟件和硬件相對獨立。面向應(yīng)用的嵌入式微處理器，總線和外部接口多集成在處理器內(nèi)部。軟件與硬件是緊密集成在一起的。開發(fā)方式開發(fā)平臺和運行平臺都是通用計算機采用交叉開發(fā)方式，開發(fā)平臺一般是通用計算機，運行平臺是嵌入式系統(tǒng)。二次開發(fā)性應(yīng)用程序可重新編制可重新編程，不可重新編程硬件平臺比較設(shè)備名稱嵌入式系統(tǒng)PCCPUARM、MIPS等Pentium、Athlon等內(nèi)存SDRAM芯片SDRAM、DDR等存儲設(shè)備Flash芯片，CF卡，SD卡，USB硬盤硬盤輸入設(shè)備按鍵、觸摸屏、鼠標鼠標、鍵盤、麥克等輸出設(shè)備LCD顯示器、打印機\揚聲器聲音設(shè)備音頻芯片聲卡接口COM\USB\網(wǎng)絡(luò)PC104BUS等芯片主板集成其他設(shè)備USB芯片等主板集成或外接卡軟件平臺比較軟件名稱嵌入式系統(tǒng)PC引導(dǎo)代碼Bootloader主板BIOS操作系統(tǒng)WinCE、Vxworks、Linux，Symbian,Mobile等，需要移植Windows、Linux等，不需要移植驅(qū)動程序重新開發(fā)操作系統(tǒng)支持或廠家提供協(xié)議棧需要移植操作系統(tǒng)或第三方提供開發(fā)環(huán)境交叉編譯本機調(diào)試仿真器需要不需要1.1.2嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展史1．嵌入式應(yīng)用始于微型機時代電子數(shù)字計算機誕生于1946年，之后始終是供養(yǎng)在特殊的機房中，屬于大型昂貴設(shè)備。直到20世紀70年代微處理器的出現(xiàn)，計算機才出現(xiàn)了歷史性的變化，并迅速走出機房。微型機的智能化水平引起了控制專業(yè)人士的興趣，將微型機嵌入到一個對象體系中，實現(xiàn)對象體系的智能化控制。這樣，便產(chǎn)生了新的計算機應(yīng)用領(lǐng)域，并對計算機的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)和興起嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)和興起（1960-1970）：70年代出現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的概念，此時的嵌入式系統(tǒng)一般不采用操作系統(tǒng)，它們只是實現(xiàn)某個控制功能，使用循環(huán)程序處理外界的請求。第一臺機載專用數(shù)字計算機是奧托內(nèi)蒂克斯公司為美國海軍艦載轟炸機“民團團員”號研制的多功能數(shù)字分析器(Verdan)。同時嵌入式計算機開始應(yīng)用于工業(yè)控制。1962年一個美國乙烯廠實現(xiàn)了工業(yè)裝置中的第一個直接數(shù)字控制(DDC)。嵌入式系統(tǒng)開始走向繁榮嵌入式系統(tǒng)開始走向繁榮，軟件和硬件日臻完善（1971-1989）：

C語言使操作系統(tǒng)的開發(fā)變得更加簡單。從80年代開始，出現(xiàn)了各種各樣的商用嵌入式操作系統(tǒng)。1973年至1977年間各廠家推出了許多8位的微處理器，包括Intel8080/8085，Motorola的6800/6802，Zilog的Z80和Rockwell的6502。微處理器的廣泛應(yīng)用形成了一個廣闊的嵌入式應(yīng)用市場，計算機廠家除了要繼續(xù)以整機方式向用戶提供工業(yè)控制計算機系統(tǒng)外，開始大量地以插件方式向用戶提供OEM產(chǎn)品，再由用戶根據(jù)自己的需要構(gòu)成專用的工業(yè)控制微型計算機，嵌入到自己的系統(tǒng)設(shè)備中。80年代初開始出現(xiàn)了一批軟件公司，推出商品化的嵌入式實時操作系統(tǒng)和各種開發(fā)工具。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用走向縱深嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用走向縱深（1990年-現(xiàn)在）：90年代后，以計算機和軟件為核心的數(shù)字化技術(shù)取得了迅猛發(fā)展，掀起了一場數(shù)字化技術(shù)革命。進入20世紀90年代,在分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信和數(shù)字化家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統(tǒng)的硬件、軟件技術(shù)進一步加速發(fā)展、應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大。手機、數(shù)碼相機、VCD、數(shù)字電視、路由器、交換機等都是嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品。大多數(shù)豪華轎車每輛擁有約50個嵌入式微處理器。最新的波音777寬體客機上約有1000個微處理器。在不久的將來，一個家庭會有幾十到上百的嵌入式系統(tǒng)。現(xiàn)代計算機技術(shù)的兩大分支2．現(xiàn)代計算機技術(shù)的兩大分支通用計算機系統(tǒng)：

技術(shù)要求：高速、海量的數(shù)據(jù)計算

技術(shù)發(fā)展方向：總線速度的無限提升、存儲容量的無限擴大嵌入式系統(tǒng)：

技術(shù)要求：對象的智能化控制能力

技術(shù)發(fā)展方向：與對象體系密切相關(guān)的嵌入性能、控制能力與控制的可靠性。早期，將通用計算機系統(tǒng)進行改裝，在大型設(shè)備中實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用。然而，對于眾多的對象體系，無法嵌入通用計算機系統(tǒng)，況且嵌入式系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向完全不同，因此必須獨立地發(fā)展通用計算機系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)，這就形成了現(xiàn)代計算機技術(shù)發(fā)展的兩大分支。嵌入式技術(shù)的發(fā)展綜觀嵌入式技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了4個階段。第一階段：單芯片(芯片+匯編程序)第二階段：嵌入式CPU(芯片+簡單操作系統(tǒng)+C程序)第三階段：嵌入式操作系統(tǒng)(芯片+可裁減操作系統(tǒng)+混合編程)第四階段：Internet技術(shù)與嵌入式技術(shù)融合嵌入式系統(tǒng)發(fā)展--第一階段第一階段(1)核心技術(shù)：以單芯片為核心的可編程控制器系統(tǒng)。(2)操作系統(tǒng)：一般沒有操作系統(tǒng)的支持。(3)開發(fā)語言：匯編語言程序?qū)ο到y(tǒng)進行直接控制，運行結(jié)束后清除內(nèi)存。(4)應(yīng)用：一些專業(yè)性極強的工業(yè)控制系統(tǒng)中。

(5)主要特點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相對單一，處理效率較低，存儲容量較小，用戶接口少。由于這種嵌入式系統(tǒng)使用簡便、價格低廉，當時在國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍，但是已經(jīng)遠遠不能適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)控制和新興的信息家電等領(lǐng)域的需求。嵌入式系統(tǒng)發(fā)展--第二階段第二階段(1)核心技術(shù)：嵌入式CPU。(2)操作系統(tǒng)：簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。(3)開發(fā)語言：C語言。(4)應(yīng)用：主要用來控制系統(tǒng)負載以及監(jiān)控應(yīng)用程序運行。(5)主要特點：CPU種類繁多，通用性比較弱；系統(tǒng)開銷小，效率高；操作系統(tǒng)具有一定的兼容性和擴展性；應(yīng)用軟件較專業(yè)，用戶界面不夠友好。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用語言：據(jù)統(tǒng)計，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，最受歡迎的前3種編程語言分別是C(74.6%)、匯編(69.6%)和C++(50.1%)。嵌入式系統(tǒng)發(fā)展--第三階段第三階段(1)核心技術(shù)：以ARM技術(shù)為核心的嵌入式處理器。(2)操作系統(tǒng)：以可裁剪嵌入式操作系統(tǒng)為標志的嵌入式系統(tǒng)。(3)開發(fā)語言：EVC，EVB，Java。(4)應(yīng)用：分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信和信息家電。

(5)主要特點：嵌入式操作系統(tǒng)能運行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好；操作系統(tǒng)內(nèi)核精小、效率高，并且具有高度的模塊化和擴展性；具備文件和目錄管理、設(shè)備支持、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；具有大量的應(yīng)用程序接口（API），開發(fā)應(yīng)用程序簡單；嵌入式應(yīng)用軟件豐富。嵌入式系統(tǒng)發(fā)展--第四階段第四階段：以嵌入式Internet為標志的嵌入式系統(tǒng)，這是一個正在迅速發(fā)展的階段。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于Internet之外，但隨著Internet的發(fā)展以及Internet技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等結(jié)合日益密切，嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合將代表著嵌入式技術(shù)的真正未來。1.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點1．嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的嵌入式CPU與通用計算機的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設(shè)計的系統(tǒng)中，專用于某個或少數(shù)幾個特定的任務(wù)。

2．嵌入式系統(tǒng)功耗低、體積小、集成度高、成本低通用計算機有足夠大的內(nèi)部空間，具有良好的通風(fēng)能力，系統(tǒng)中的Pentium或AMD處理器也均配置龐大的散熱片和冷卻風(fēng)扇進行系統(tǒng)散熱；而許多嵌入式系統(tǒng)卻沒有如此充足的電能供應(yīng)，尤其是便攜式嵌入設(shè)備，即使有足夠的電源供應(yīng)，散熱設(shè)備的增加也很不方便。由于空間和各種資源相對不足，因此在設(shè)計嵌入式系統(tǒng)時應(yīng)盡可能降低功耗。整個嵌入式系統(tǒng)設(shè)計有嚴格的功耗預(yù)算，其硬件和軟件也必須圍繞這種特性高效率地設(shè)計，量體裁衣、去除冗余，最大限度地降低應(yīng)用成本，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能。嵌入式系統(tǒng)的特點13．嵌入式系統(tǒng)具有較長的生命周期嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機地結(jié)合在一起，其升級換代也是和具體的產(chǎn)品同步進行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場，便具有較長的生命周期。4．嵌入式系統(tǒng)具有固化的代碼為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存儲于磁盤等載體中，系統(tǒng)上電后程序開始執(zhí)行直至系統(tǒng)關(guān)閉，程序是不能被改變的，除非開發(fā)人員采用特定的方法才能對程序進行改進并重新寫入系統(tǒng)。所以，可以說嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件生命周期也和嵌入式產(chǎn)品一樣長。另外，各個行業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)、產(chǎn)品和通用計算機軟件不同，很少發(fā)生突然性跳躍，嵌入式系統(tǒng)中的軟件也因此更強調(diào)可繼承性和技術(shù)銜接性，發(fā)展比較穩(wěn)定。5．嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要專用開發(fā)工具和環(huán)境嵌入式系統(tǒng)的特點26．嵌入式系統(tǒng)軟件需要RTOS開發(fā)平臺通用計算機具有完善的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序接口（API），是計算機基本組成不可分割的一部分，應(yīng)用程序的開發(fā)以及完成后的軟件都在操作系統(tǒng)平臺上運行，但一般不是實時的。嵌入式系統(tǒng)則不同，其應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)而直接在芯片上運行；但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)，利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及專家?guī)旌瘮?shù)接口，嵌入式系統(tǒng)一般使用實時操作系統(tǒng)RTOS，使系統(tǒng)具有實時約束。用戶必須自行選配RTOS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。7．嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員以應(yīng)用專家為主嵌入式系統(tǒng)要和各個不同行業(yè)的應(yīng)用相結(jié)合的，要求更多的計算機以外的專業(yè)知識，其開發(fā)人員往往是應(yīng)用領(lǐng)域?qū)＜摇?．嵌入式系統(tǒng)是知識集成系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是將計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，是一門綜合技術(shù)學(xué)科。關(guān)注成本嵌入式系統(tǒng)通常需要注意的成本是系統(tǒng)成本，特別是量大的消費類數(shù)字化產(chǎn)品，其成本是產(chǎn)品競爭的關(guān)鍵因素之一。嵌入式的系統(tǒng)成本包括（研究費用+產(chǎn)品化費用）：1.一次性的開發(fā)成本NRE2.產(chǎn)品成本：硬件、外殼、包裝和軟件版稅等3.批量產(chǎn)品的總體成本=NRE成本+每個產(chǎn)品成本×產(chǎn)品總量4.每個產(chǎn)品的最后成本=總體成本/產(chǎn)品總量=NRE成本/產(chǎn)品總量+每個產(chǎn)品成本1.2嵌入式系統(tǒng)的分類根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜程度將其分為4類。1．單個微處理器這類嵌入式系統(tǒng)一般由單片嵌入式處理器組成，嵌入式處理器上集成了存儲器I/O設(shè)備、接口設(shè)備等。這類系統(tǒng)通常用于小型設(shè)備中，由供應(yīng)商根據(jù)設(shè)備的用途來設(shè)計。常用的嵌入式處理器有Philips的LPCxxx系列、Motorola的MC68系列等。2．嵌入式處理器可擴展的系統(tǒng)這類嵌入式系統(tǒng)使用的處理器根據(jù)需要可以擴展存儲器，也可以使用片上的存儲器，處理器一般容量在64KB左右，字長為8位或16位。在處理器上擴充少量的存儲器和外部接口，便構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)，通常用于過程控制、位置傳感器及閥門傳動器等。3．復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的嵌入式處理器一般是16位、32位等，用于大規(guī)模的應(yīng)用。由于軟件量大，因此需要擴展存儲器。擴展存儲器一般在1MB以上，外部設(shè)備接口一般仍然集成在處理器上。常用的嵌入式處理器有ARM系列、Motorola公司的PowerPC系列等。4．在制造或過程控制中使用的計算機系統(tǒng)對于這類系統(tǒng)，計算機與儀器、機械及設(shè)備相連來控制這些裝置的工作。這類系統(tǒng)包括自動倉儲系統(tǒng)和自動發(fā)貨系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，計算機用于總體控制和監(jiān)視，而不是對單個設(shè)備直接控制。1.3嵌入式處理器嵌入式系統(tǒng)硬件核心是嵌入式處理器。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界嵌入式處理器的品種數(shù)量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30多個，其中8051體系占大多數(shù)。生產(chǎn)8051單片機的半導(dǎo)體廠家有20多個，共350多種衍生產(chǎn)品，僅Philips就有近100種。目前嵌入式處理器的尋址空間可以從64KB到256MB，處理速度從0.1MIPS到2000MIPS。近年來嵌入式微處理器的主要發(fā)展方向是小體積、高性能、低功耗。專業(yè)分工也越來越明顯，出現(xiàn)了專業(yè)的IP（IntellectualPropertyCore，知識產(chǎn)權(quán)核）供應(yīng)商，如ARM、MIPS等，他們通過提供優(yōu)質(zhì)、高性能的嵌入式微處理器內(nèi)核，由各個半導(dǎo)體廠商生產(chǎn)面向各個應(yīng)用領(lǐng)域的芯片。嵌入式處理器分類嵌入式處理器可以分為四類：嵌入式微處理器EMPU

（EmbeddedMicroprocessorUnit）

嵌入式微控制器EMCU

（EmbeddedMicrocontrollerUnit）

嵌入式數(shù)字信號處理器EDSP

（EmbeddedDigitalSignalProcessor）

嵌入式片上系統(tǒng)ESoC

（EmbeddedSystemonChip）

嵌入式微處理器EMPU嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計算機中的CPU，即由通用計算機中的CPU演變而來。與通用計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的母板功能，去除了其他冗余的功能部分，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標準微處理器基本是一樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都作了各種增強。和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設(shè)等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術(shù)保密性也較差。嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設(shè)等安裝在一塊電路板上，稱為單板計算機，如STD-BUS、PC104等。近年來，德國、日本的一些公司又開發(fā)出了類似火柴盒式、名片大小的嵌入式計算機系列OEM產(chǎn)品。嵌入式微處理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。嵌入式微控制器EMCU嵌入式微控制器又稱單片機，顧名思義，就是將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中，這也是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，片上資源比較豐富（芯片內(nèi)部集成有ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)），適合控制，因此稱為微控制器。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個系列的單片機具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使單片機最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本。和嵌入式微處理器相比，嵌入式微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。目前嵌入式微控制器的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC××、68300等。另外還有許多半通用系列，如支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541；支持IIC、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU的兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70%的市場份額。特別值得注意的是，近年來提供X86微處理器的著名廠商AMD公司將Am186CC/CH/CU等嵌入式處理器稱之為Microcontroller，Motorola公司將以PowerPC為基礎(chǔ)的PPC505和PPC555也列入了單片機行列，TI公司亦將其TMS320C2XXX系列DSP作為MCU進行推廣。嵌入式數(shù)字信號處理器EDSP嵌入式DSP專門用來對離散時間信號進行極快的處理計算，提高編譯效率和執(zhí)行速度。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析、圖像處理等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。嵌入式DSP處理器有兩個發(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等即屬于此范疇；二是在通用單片機或SOC中增加DSP協(xié)處理器，例如Intel的MCS-296和Infineon（Siemens）的TriCore。推動嵌入式DSP處理器發(fā)展的主要因素是嵌入式系統(tǒng)的智能化，例如各種帶有智能邏輯的消費類產(chǎn)品，生物信息識別終端，帶有加解密算法的鍵盤，ADSL接入、實時語音壓解系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實顯示等。這類智能化算法一般都是運算量較大，特別是向量運算、指針線性尋址等較多，而這些正是DSP處理器的長處所在。代表性產(chǎn)品：TI公司的TMS320系列和Motorola公司的DSP56000系列。TMS320系列包括用于控制的C2000系列、移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。Motorola公司在DSP56000系列基礎(chǔ)上推出了DSP56100、DSP56200和DSP56300等多個不同系列，另外，Philips公司也推出了基于可重置嵌入式DSP結(jié)構(gòu)的、采用低成本、低功耗技術(shù)制造的R.E.A.LDSP處理器，其特點是具備雙Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加單元，應(yīng)用目標是大批量消費類產(chǎn)品。嵌入式片上系統(tǒng)ESoCESoC：在一個硅片上實現(xiàn)一個更為復(fù)雜的系統(tǒng)。SoC是一種基于IP（IntellectualProperty）核的嵌入式系統(tǒng)級芯片設(shè)計技術(shù)，它將許多功能模塊集成在一個芯片上。如ARMRISC、MIPSRISC、DSP或其他的微處理器核心，加上通信的接口單元，例如通用串行端口（USB）、TCP/IP通信單元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、藍牙模塊接口等，這些單元以往都是依照其各自功能做成一個個獨立的處理芯片。

各種通用處理器內(nèi)核將作為SoC設(shè)計公司的標準庫，成為VLSI設(shè)計中一種標準的器件，用標準的VHDL等語言描述。用戶只需定義出整個應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后，就可以將設(shè)計圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統(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，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。背景：源于微電子技術(shù)的快速發(fā)展。優(yōu)點：利于“減肥”；增加實時性；高度集成，增強可靠性1.4嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)是面向特定應(yīng)用的。實際應(yīng)用中，絕大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)是用戶針對特定任務(wù)而定制的，但就其組成而言，它們一般都是由硬件、軟件以及嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具和開發(fā)系統(tǒng)3部分組成的，如圖所示。1．嵌入式系統(tǒng)的硬件嵌入式系統(tǒng)的硬件是以嵌入式處理器為中心，由存儲設(shè)備、I/O設(shè)備、通信接口設(shè)備、擴展設(shè)備接口以及電源等必要的輔助接口構(gòu)成。嵌入式系統(tǒng)的硬件主要包括以下幾個模塊，如圖所示。2．嵌入式系統(tǒng)的軟件嵌入式系統(tǒng)的軟件：由嵌入式操作系統(tǒng)和相應(yīng)的各種應(yīng)用程序構(gòu)成。有時設(shè)計人員將這兩種軟件組合在一起，由應(yīng)用程序控制系統(tǒng)的動作和行為，而由操作系統(tǒng)控制應(yīng)用程序編程與硬件的交互。

因此，嵌入式系統(tǒng)的軟件包括：

系統(tǒng)軟件：嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)，嵌入式中間件（CORBA、Java）等等

應(yīng)用軟件：嵌入式應(yīng)用軟件手機軟件，路由器軟件，交換機軟件，飛控軟件等嵌入式軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)硬件應(yīng)用層驅(qū)動層操作系統(tǒng)層中間件層板級初始化FLASH驅(qū)動RTC/定時器驅(qū)動串口驅(qū)動以太網(wǎng)驅(qū)動LCD驅(qū)動鍵盤驅(qū)動其他驅(qū)動內(nèi)核TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)文件系統(tǒng)嵌入式GUI電源管理嵌入式CORBA嵌入式JAVA嵌入式DCOM面向應(yīng)用領(lǐng)域的中間件應(yīng)用任務(wù)1應(yīng)用任務(wù)2……應(yīng)用任務(wù)n……驅(qū)動層驅(qū)動層程序：嵌入式系統(tǒng)中不可缺少的重要部分，使用任何外部設(shè)備都需要有相應(yīng)驅(qū)動層程序的支持。它為上層軟件提供了設(shè)備的操作接口，上層軟件不用理會設(shè)備的具體內(nèi)部操作，只需調(diào)用驅(qū)動層程序提供的接口即可。驅(qū)動層程序包括：硬件抽象層HAL、板級支持包BSP、設(shè)備驅(qū)動程序。硬件抽象層：硬件抽象層（HardwareAbstractionLayer，HAL）是位于操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件電路之間的接口層，其目的在于將硬件抽象化。也就是說，可通過程序來控制所有硬件電路如CPU、I/O、Memory等的操作。這樣就使得系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序與硬件設(shè)備無關(guān)，從而大大提高了系統(tǒng)的可移植性。板級支持包：板級支持包（BoardSupportPackage，BSP）是介于主板硬件和操作系統(tǒng)中驅(qū)動層程序之間的一層，一般認為它屬于操作系統(tǒng)的一部分，主要是實現(xiàn)對操作系統(tǒng)的支持，為上層的驅(qū)動程序提供訪問硬件設(shè)備寄存器的函數(shù)包，使之能夠更好地運行于硬件主板。BSP是相對于操作系統(tǒng)而言的，不同的操作系統(tǒng)對應(yīng)于不同定義形式的BSP。設(shè)備驅(qū)動程序：系統(tǒng)中安裝設(shè)備后，只有在安裝相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序之后才能使用。驅(qū)動程序為上層軟件提供了設(shè)備的操作接口，上層軟件只需要調(diào)用驅(qū)動程序提供的接口，而不用理會設(shè)備內(nèi)部操作。驅(qū)動程序的好壞直接影響著系統(tǒng)的性能。BSP的概念BSP簡單地說，就是一段啟動代碼，和計算機主板的BIOS差不多，但提供的功能相差很大。BIOS主要負責(zé)在電腦開啟時檢測、初始化系統(tǒng)設(shè)備（設(shè)置棧指針，中斷分配，內(nèi)存初始化..）、裝入操作系統(tǒng)并調(diào)度操作系統(tǒng)向硬件發(fā)出的指令。盡管BSP的開始部分和BIOS所做的工作類似，但是BSP還包含和系統(tǒng)有關(guān)的基本驅(qū)動。BIOS程序用戶不能更改，只能對參數(shù)進行修改設(shè)置，但BSP可以修改。BSP的特點：硬件相關(guān)性、操作系統(tǒng)相關(guān)性BSP需要完成兩部分工作：嵌入式系統(tǒng)的初始化、設(shè)備驅(qū)動嵌入式系統(tǒng)的初始化過程：片級初始化（CPU初始化）、板級初始化（其他器件初始化、軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)）、系統(tǒng)級初始化（操作系統(tǒng)初始化）。操作系統(tǒng)層操作系統(tǒng)層包括：嵌入式內(nèi)核、嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、嵌入式文件系統(tǒng)、嵌入式GUI系統(tǒng)和電源管理等部分。其中嵌入式內(nèi)核是基礎(chǔ)和必備的部分，其他部分要根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的需要來確定。嵌入式操作系統(tǒng)大部分是實時操作系統(tǒng)（RTOS）。RTOS是一個可靠性和可信度很高的實時內(nèi)核，它將CPU時間、中斷、I/O、定時器等資源都封裝起來，留給用戶一個標準的API，并根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級合理地在不同任務(wù)之間分配CPU時間。RTOS是針對不同處理器優(yōu)化設(shè)計的高效率實時多任務(wù)內(nèi)核，一款性能優(yōu)異的、商品化的RTOS可面對幾十個系列的嵌入式MPU、MCU、DSP、SoC等提供類同的API接口，這是RTOS基于設(shè)備獨立的應(yīng)用程序開發(fā)的基礎(chǔ)。RTOS的商品化實現(xiàn)了操作系統(tǒng)軟件和用戶應(yīng)用軟件的分離，為工程技術(shù)人員開發(fā)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件帶來了極大的便利，大大縮短了嵌入式系統(tǒng)軟件的開發(fā)周期。中間件層中間件是一種獨立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序，分布式應(yīng)用軟件借助中間件在不同的技術(shù)之間共享資源。通過中間件，應(yīng)用程序可以工作于多平臺或OS環(huán)境。

目前在一些復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)中也開始采用中間件技術(shù)。主要包括：嵌入式CORBA、嵌入式Java、嵌入式DCOM和面向應(yīng)用領(lǐng)域的中間件軟件。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具和開發(fā)系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件處于嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品本身之中，開發(fā)工具則獨立于嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品之外。開發(fā)工具一般用于開發(fā)主機，包括語言編譯器、連接定位器、調(diào)試器等，這些工具一起構(gòu)成了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)系統(tǒng)和開發(fā)工具。1.5評估嵌入式系統(tǒng)處理器的主要指標嵌入式領(lǐng)域中有許多用來分析處理器性能的標準，例如測量處理器執(zhí)行一段指定程序的速度。1．MIPS測試基準計算在單位時間內(nèi)各類指令的平均執(zhí)行條數(shù)。2．Dhrystone測試基準基準是個簡單的C語言程序，可以被編譯成大約2000條匯編代碼，并且它不使用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)功能。3．EEMBC測試向量更具有實際價值的測試基準。EEMBC測試基于每秒鐘算法執(zhí)行的次數(shù)和編譯代碼大小的統(tǒng)計結(jié)果。EEMBC發(fā)展勢頭很好，并有可能成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員進行處理器和編譯器性能比較的工業(yè)標準。需要說明的是，雖然某些定量指標能夠幫助評價不同的嵌入式處理器，但是一次詳盡的分析比較仍然非常重要。這些需要仔細衡量的因素包括性能分析、功耗和效率分析、開發(fā)工具支持以及價格（必須從設(shè)備和系統(tǒng)角度全面考慮）。1.6嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用國防工業(yè)、軍事工業(yè)、兵器工業(yè)：各種武器控制（火炮控制、導(dǎo)彈控制、智能炸彈制導(dǎo)引爆裝置）、坦克、艦艇、轟炸機等陸海空各種軍用電子裝備，雷達、電子對抗軍事通信裝備，野戰(zhàn)指揮作戰(zhàn)用各種專用設(shè)備等。我國嵌入式計算機最早用于導(dǎo)彈控制。嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用領(lǐng)域2信息家電、民用設(shè)備：各種信息家電產(chǎn)品，如數(shù)字電視機、機頂盒，數(shù)碼相機，VCD、DVD音響設(shè)備，可視電話，家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，洗衣機，網(wǎng)絡(luò)冰箱，網(wǎng)絡(luò)空調(diào)，智能玩具，其他消費類電子產(chǎn)品等。嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用領(lǐng)域3工業(yè)：各種智能測量儀表、智能卡、數(shù)控裝置、可編程控制器、控制機、分布式控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線儀表及控制系統(tǒng)、工業(yè)機器人、智能機器人、智能傳感器、機電一體化機械設(shè)備、車載導(dǎo)航器、汽車電子設(shè)備、車輛與交通工程等。嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用領(lǐng)域4商業(yè)：各類收款機、電子秤、條形碼閱讀機、商用終端、銀行點鈔機、IC卡輸入設(shè)備、取款機、自動柜員機、自動服務(wù)終端、防盜系統(tǒng)、各種銀行專業(yè)外圍設(shè)備、智能金融器具、遠程教育。嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用領(lǐng)域5辦公自動化：復(fù)印機、打印機、傳真機、掃描儀、其他計算機外圍設(shè)備、掌上電腦、激光照排系統(tǒng)、安全監(jiān)控設(shè)備、媒體手機、移動電話、尋呼機、個人數(shù)字助理（PDA）、變頻空調(diào)設(shè)備、通信終端、程控交換機、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（路由器、交換機、Webserver、網(wǎng)絡(luò)接入盒等）、網(wǎng)絡(luò)工程、錄音錄象及電視會議設(shè)備、數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)等。嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用領(lǐng)域6醫(yī)療保健設(shè)備：各種醫(yī)療電子儀器，X光機、超聲診斷儀、計算機斷層成像系統(tǒng)、心臟起博器、監(jiān)護儀、輔助診斷系統(tǒng)、遠程醫(yī)療、專家系統(tǒng)等。其他領(lǐng)域：農(nóng)業(yè)技術(shù)、光學(xué)系統(tǒng)、氣象預(yù)報、衛(wèi)星通信網(wǎng)、數(shù)字通信、移動數(shù)據(jù)庫、語音處理。汽車電子控制示例汽車總成嵌入式系統(tǒng)發(fā)動機ECU硬件原理發(fā)動機ECUCAN控制器信號調(diào)理電路CAN控制器CAN控制器HSI80C196噴油量計算噴油正時計算故障檢測通訊程序EGR控制計算4DE2柴油機冷卻液溫度燃油溫度機油溫度大氣壓力進氣管壓力進氣溫度機油壓力腳踏板傳感器起動開關(guān)巡航開關(guān)功率/經(jīng)濟故障運行診斷儀接口儀表板標定系統(tǒng)其他ECU脈沖信號車速傳感器噴油泵ECU故障報警電控EGR巡航指示啟動預(yù)熱機油報警數(shù)字信號CAN控制器CAN控制器油耗顯示數(shù)字信號CAN控制器AMT控制原理機械動作電信號聲音感覺感覺駕駛員車速車輛換擋手柄和加速踏板環(huán)境換擋執(zhí)行機構(gòu)變速器離合器供油控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速離合器執(zhí)行機構(gòu)ECU發(fā)動機供油系統(tǒng)AMT系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)太空艙智能椅機器人仿生魚電源子系統(tǒng)CPLD脈寬調(diào)制系統(tǒng)單片機伺服電機組仿水魚外皮魚體骨架小魚子系統(tǒng)的實物圖智能家居系統(tǒng)創(chuàng)意設(shè)計嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)熱點11．嵌入式支撐軟件嵌入式瀏覽器嵌入式多媒體套件嵌入式GUI嵌入式中文系統(tǒng)嵌入式應(yīng)用套件嵌入式Java嵌入式無線通訊軟件嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)熱點22．嵌入式語音芯片嵌入式語音芯片基于嵌入式操作系統(tǒng)，采用語音識別和語音合成、語音學(xué)和文本處理等技術(shù)。

應(yīng)用場合：手持設(shè)備、智能家電玩具（聲控玩具、仿真寵物）車載通信設(shè)備移動通信設(shè)備嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)熱點33．嵌入式人機界面技術(shù)

嵌入式設(shè)備之所以為千家萬戶所接受，重要因素之一是它們與使用者之間的親和力，自然的人機交互界面，如司機操縱高度自動化的汽車主要還是通過習(xí)慣的方向盤、腳踏板和操縱桿。人們與信息終端交互是通過GUI屏幕。該項研究內(nèi)容還包括：手寫文字輸入、語音撥號上網(wǎng)、收發(fā)電子郵件、彩色圖形圖像處理。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)熱點44．汽車電子技術(shù)汽車電子應(yīng)用包括四部份：

汽車發(fā)動機控制：限速控制，燃料噴注控制

汽車舒適裝置：遙控防盜系統(tǒng)，自動空調(diào)系統(tǒng)，影音播放系統(tǒng)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

汽車操控和制動：剎車防抱死系統(tǒng)(ABS)，防滑系統(tǒng)(ASR)，電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP)

汽車總成控制：完成整車的優(yōu)化控制汽車的控制單元較多，采用的嵌入式微控制器各不相同，但都要求符合工業(yè)規(guī)格，能適應(yīng)汽車工作的惡劣環(huán)境，包括高溫、電源干擾、可靠度等。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)熱點55．與Internet相結(jié)合---物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的未來將向多媒體化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。將進一步緊密結(jié)合Internet和采用藍牙技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)。在智能化方面，基于知識的嵌入式系統(tǒng)也將是一個發(fā)展方向。1.7嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的發(fā)展：軍用、民用兩方面。軍用：20世紀的前沿要屬精確制導(dǎo)武器，21世紀的發(fā)展可能就是微型化武器，軍用嵌入式系統(tǒng)將在實時性、小型化與規(guī)模上發(fā)展到一個嶄新的階段。民用：相當廣泛，幾乎涉及現(xiàn)代生活的每一個方面。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢11．需要強大的硬件