嵌入式系統(tǒng)1(概述)課件

嵌入式系統(tǒng)概述

——計(jì)算機(jī)學(xué)院陳勉西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院21.課程簡(jiǎn)介什么是嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是＊＊＊＊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院3為什么要開(kāi)這門課程理性的分析它是一個(gè)系統(tǒng)涵蓋知識(shí)范圍極廣對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的系統(tǒng)總結(jié)感性的分析技術(shù)新市場(chǎng)大好就業(yè)學(xué)嵌入式有前途嗎?因?yàn)榍度胧焦こ處熉殬I(yè)發(fā)展好，薪資待遇高，所以是二十一世界最熱門的行業(yè)之一。參加嵌入式開(kāi)發(fā)培訓(xùn)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)：高薪木有問(wèn)題！升職木有問(wèn)題！跳槽木有問(wèn)題！——來(lái)源于互聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)可說(shuō)是麻雀雖小五臟俱全，雖然沒(méi)有PC和服務(wù)器那么復(fù)雜，但計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各種組成一樣也不缺。——來(lái)源于互聯(lián)網(wǎng)

西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院4本課程的目標(biāo)與任務(wù)使學(xué)生能夠掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的基本方法。了解包括嵌入式微控制/微處理器、嵌入式程序設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、設(shè)計(jì)方法學(xué)、軟件硬件協(xié)同設(shè)計(jì)、硬件建模和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等知識(shí)，并完成必要的實(shí)踐?！獊?lái)自大綱西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院5先修課程模擬電子技術(shù)數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)接口技術(shù)操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)匯編C西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院6課程內(nèi)容嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式微處理器(ARM)嵌入式程序設(shè)計(jì)(ARM)嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建(ARM)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(uC/OS)西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院7考核方式平時(shí)成績(jī)：10％實(shí)驗(yàn)成績(jī)：20％筆試（閉卷）：70％西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院8參考書(shū)目《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程》?馬洪連等編電子工業(yè)出版社《嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用》田澤編北京航空航天大學(xué)出版社《ARM體系結(jié)構(gòu)與編程》杜春雷編清華大學(xué)出版社《ARM嵌入式系統(tǒng)教程》張石等編機(jī)械工業(yè)出版社《嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ2》美Jean.Labrosse著邵貝貝等譯北航出《嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)μC/OS-Ⅱ和Linux》任哲等編北京航空航天大學(xué)出版社西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院9學(xué)習(xí)方法聽(tīng)課看參考設(shè)計(jì)讀示例代碼嘗試制作評(píng)估板參加產(chǎn)品設(shè)計(jì)請(qǐng)教、討論、交流循序漸進(jìn)、系統(tǒng)深入西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院102.嵌入式系統(tǒng)的引入由于信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展和后PC時(shí)代的到來(lái)，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛滲透到科學(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中。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的例子比比皆是?？梢哉f(shuō)，嵌入式系統(tǒng)無(wú)所不在、無(wú)處不在。西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院11應(yīng)用舉例（一）消費(fèi)電子西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院12應(yīng)用舉例（二）信息家電西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院13應(yīng)用舉例（三）汽車電子西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院14應(yīng)用舉例（四）機(jī)器人智能玩具工業(yè)機(jī)器人軍用機(jī)器人西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院15應(yīng)用舉例（五）工業(yè)國(guó)防西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院16嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍如此之廣，涉及面如此之大，以至于有些學(xué)者斷言嵌入式技術(shù)將成為后PC時(shí)代的主宰。

前景西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院17何為嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)單的講，就是嵌入到對(duì)象體中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)三要素：嵌入性：嵌入到對(duì)象體系中，有對(duì)象環(huán)境要求。專用性：軟、硬件按對(duì)象要求裁減。計(jì)算機(jī)：實(shí)現(xiàn)對(duì)象的智能化功能。西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院18

定義IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers）的定義：

devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants（用于控制、監(jiān)視或者輔助操作設(shè)備和機(jī)器的裝置）目前國(guó)內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：

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，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院193.嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)涵從技術(shù)角度嵌入式系統(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)。從系統(tǒng)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)。注：軟件+硬件西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院204.嵌入式系統(tǒng)外延廣義的講，凡是帶有智能處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可稱為嵌入式系統(tǒng)。西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院215.嵌入式系統(tǒng)組成西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院22

硬件抽象層早期的嵌入式系統(tǒng)包含3個(gè)部分：硬件平臺(tái)、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序；經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，在硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)之間演化出了新的一層——硬件抽象層；硬件抽象層屏蔽了底層硬件的多樣性，操作系統(tǒng)不再直接面對(duì)具體的硬件環(huán)境，而是由硬件抽象層代表的、邏輯上的硬件環(huán)境。板級(jí)支持包是大多數(shù)商用嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可移植性所采用的一種方案，是硬件抽象層的一種實(shí)現(xiàn)。西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院23嵌入式系統(tǒng)的硬件組成6.特點(diǎn)（對(duì)通用計(jì)算機(jī)）專用性采用專門的處理器功能算法的專用性系統(tǒng)對(duì)用戶是透明的，用戶無(wú)需了解內(nèi)部設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)小型化（資源有限）結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固可靠、計(jì)算資源有限軟硬件設(shè)計(jì)一體化硬件與軟件的依賴性強(qiáng)，一般需要協(xié)同設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件與操作系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)需要交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境本身資源受限，開(kāi)發(fā)由宿主機(jī)完成西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院24西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院257.嵌入式系統(tǒng)歷史20世紀(jì)70年代單片機(jī)的出現(xiàn)，這時(shí)的應(yīng)用只是使用8位的芯片執(zhí)行一些單線程的程序，還談不上“系統(tǒng)”的概念。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)商業(yè)級(jí)的嵌入式“操作系統(tǒng)”（一個(gè)實(shí)時(shí)核），并在其上編寫嵌入式應(yīng)用軟件。獲取更短的開(kāi)發(fā)周期

更高的開(kāi)發(fā)效率“嵌入式系統(tǒng)”真正出現(xiàn)20世紀(jì)90年代以后，隨著對(duì)實(shí)時(shí)性要求的提高，軟件規(guī)模不斷上升，實(shí)時(shí)核逐漸發(fā)展為實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS），并作為一種軟件平臺(tái)逐步成為目前國(guó)際嵌入式系統(tǒng)的主流。商業(yè)化的嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核開(kāi)始出現(xiàn)，如VTRX32，PSOS，VxWorks等西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院268.嵌入式系統(tǒng)的分類按表現(xiàn)形式分（硬件范疇）：系統(tǒng)級(jí)：各種類型的工控機(jī)、PC104模塊。板級(jí)：各種類型的帶CPU的主板及OEM產(chǎn)品。片級(jí)：各種以單片機(jī)、DSP、微處理器為核心的產(chǎn)品。西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院27嵌入式系統(tǒng)的分類按實(shí)時(shí)性要求分（軟件范疇）：非實(shí)時(shí)系統(tǒng)（PDA）軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)（消費(fèi)類產(chǎn)品）超時(shí)會(huì)導(dǎo)致性能下降硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)（工業(yè)和軍工系統(tǒng)）超時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失敗西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院289.處理器的分類和現(xiàn)狀 嵌入式系統(tǒng)硬件的核心部件是嵌入式處理器，按嵌入式處理器用途可分為：嵌入式微控制器（MicroControllerUnitMCU）嵌入式DSP（DigitalSignalProcessor）嵌入式微處理器（MicroProcessorUnitMPU）SOC（SystemOnChip）SOPC（SystemOnProgrammableChip）西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院29嵌入式微控制器嵌入式微控制器的典型代表是單片機(jī)。單片機(jī)芯片內(nèi)部集成了ROM/EPROM，RAM，總線，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，看門狗，I/O，串行口，脈寬調(diào)制輸出，A/D，D/A,FLASH,E2PROM等。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源豐富，適合用于控制，因此稱為微控制器。又如：ARMCortex-M3西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院30嵌入式DSP

DSP處理器是專門用于信號(hào)處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，具有很高的編譯效率和指令執(zhí)行速度。在數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等儀器上，DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。 特點(diǎn)：配有專用的硬件乘法-累加器

具有特殊的DSP指令 等等西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院31嵌入式微處理器 嵌入式微處理器是由通用計(jì)算機(jī)中的CPU演變而來(lái)。具有32位以上的總線，在實(shí)際嵌入式應(yīng)用中，它只保留與嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件以實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。目前主要的嵌入式處理器類型有ARM、MIPS、POWERPC等。與嵌入式微控制器的區(qū)別（大體上）微控制器——存儲(chǔ)器在片內(nèi)微處理器——存儲(chǔ)器在片外西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院32處理器發(fā)展舉例Intel4004MicroprocessorIntroducedin1970Firstmicroprocessor4bitarchitecture!2,250transistors12mm2Clock:108kHz西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院33Intel8085MicroprocessorIntroducedin19748-bitarchitectureStillusedinsomemicrocontrollerapplications!西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院34Intel8086MicroprocessorIntroducedin197929,000transistors33mm2Clock:5MHz16bitarchitecture西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院35Intel386MicroprocessorIntroducedin1985275,000transistors43mm2Clock:16MHz32bitarchitecture西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院36Intel486MicroprocessorIntroducedin19891,200,000transistors81mm2Clock:25MHz32bitarchitecture1stpipelinedimplementationofIA32西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院37IntelPentiumMicroprocessorIntroducedin19933,100,000transistors296mm2Clock:60MHz32bitarchitecture1stsuperscalarimplementationofIA32西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院38PentiumProcessorDetailsStateRegistersMemoryControlROMCombinationallogic西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院39SOC 將通用處理器的IP核和功能模塊的IP核按用戶要求組成系統(tǒng)，仿真后提交芯片廠商生產(chǎn)。（也可下載到FPGA中。百萬(wàn)門）絕大部分系統(tǒng)構(gòu)件都在系統(tǒng)內(nèi)部。（SOC技術(shù)與前三種嵌入式處理器是不一樣的）西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院40SOPC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(gè)芯片完成整個(gè)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(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院4110.嵌入式操作系統(tǒng)分類嵌入式系統(tǒng)軟件一般由嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件組成；操作系統(tǒng)是連接計(jì)算機(jī)硬件與應(yīng)用程序的系統(tǒng)程序，從實(shí)時(shí)性的角度來(lái)看，可分為：非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（如Linux等）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）：計(jì)算的正確性不僅取決于程序的邏輯正確性，更取決于結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間。（如VxWorks，μC/OS-II等）西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院4211.嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用工業(yè)控制交通管理