第1章 嵌入式系統(tǒng)概述

嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用第1章嵌入式系統(tǒng)概述1嵌入式系統(tǒng)基本概念2嵌入式系統(tǒng)硬件3嵌入式系統(tǒng)軟件4本章總結(jié)5課后作業(yè)嵌入式系統(tǒng)定義和特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)發(fā)展嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)本節(jié)小結(jié)1.1嵌入式系統(tǒng)基本概念1.定義1.1.1嵌入式系統(tǒng)定義和特點(diǎn)IEE（國際電機(jī)工程師協(xié)會）定義：“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置”(devicesusedtocontro1，monitor，orassisttheoperationofequipment，machineryorplants)國內(nèi)定義：以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，以應(yīng)用為中心，軟件硬件可剪裁，適合應(yīng)用系統(tǒng)對功能可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。2.特點(diǎn)1.1.1嵌入式系統(tǒng)定義和特點(diǎn)（1）技術(shù)密集：嵌入式系統(tǒng)是以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，是一個(gè)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)。（2）以應(yīng)用為中心：嵌入式系統(tǒng)是針對各行業(yè)的具體應(yīng)用而開發(fā)的專用系統(tǒng)，不具備通用性，升級換代也和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，具有較長的生命周期。（3）軟硬件可剪裁：嵌入式系統(tǒng)的軟件和硬件都必須高效率地設(shè)計(jì)，結(jié)合具體應(yīng)用，量體裁衣，去除冗余，力爭在相同的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能。（4）高可靠高實(shí)時(shí)性：嵌入式系統(tǒng)一般嵌入到具體設(shè)備中，對可靠性、成本、體積、功耗、電磁兼容等有嚴(yán)格要求，嵌入式軟件存儲在微控制器中，要求具有高可靠性和高實(shí)時(shí)性。1.嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷史1.1.2嵌入式系統(tǒng)發(fā)展嵌入式系統(tǒng)從無操作系統(tǒng)、簡單操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，發(fā)展到面向Internet階段。（1）無操作系統(tǒng)：使用8位的CPU芯片來執(zhí)行一些單線程的程序，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，幾乎沒有用戶接口。使用簡便、價(jià)格低廉，曾經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了非常廣泛的應(yīng)用，但卻無法滿足現(xiàn)今對執(zhí)行效率、存儲容量等要求較高的智能控制、信息家電等場合的需要。（2）簡單操作系統(tǒng)：20世紀(jì)80年代，隨著微電子工藝水平的提高，IC制造商開始把嵌入式應(yīng)用中所需要的微處理器、I／O接口、串行接口以及RAM、ROM等部件統(tǒng)統(tǒng)集成到一片VLSI中，制造出面向I／0設(shè)計(jì)的微控制器，并一舉成為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中異軍突起的新秀。與此同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)的程序員也開始基于一些簡單的操作系統(tǒng)開發(fā)嵌入式應(yīng)用軟件，大大縮短了開發(fā)周期、提高了開發(fā)效率。1.嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷史1.1.2嵌入式系統(tǒng)發(fā)展嵌入式系統(tǒng)從無操作系統(tǒng)、簡單操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，發(fā)展到面向Internet階段。（3）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：20世紀(jì)9O年代，在分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統(tǒng)進(jìn)一步飛速發(fā)展，而面向?qū)崟r(shí)信號處理算法的DSP產(chǎn)品則向著高速度、高精度、低功耗的方向發(fā)展。隨著硬件實(shí)時(shí)性要求的提高，嵌入式系統(tǒng)的軟件規(guī)模也不斷擴(kuò)大，逐漸形成了實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS)，并開始成為嵌入式系統(tǒng)的主流。（4）面向網(wǎng)絡(luò)：21世紀(jì)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，其與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等的結(jié)合日益緊密，為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展帶來了巨大的機(jī)遇，同時(shí)也對嵌入式系統(tǒng)廠商提出了新的挑戰(zhàn)。目前，嵌入式技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合正在推動著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展。1.嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷史1.1.2嵌入式系統(tǒng)發(fā)展傳統(tǒng)應(yīng)用：MCU作為主控新應(yīng)用：MCU+RF+Sensor+Algorithm2007~20132013~至今2.嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢1.1.2嵌入式系統(tǒng)發(fā)展（1）小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化（2）云計(jì)算、可重構(gòu)、虛擬化等技術(shù)被進(jìn)一步應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)（3）嵌入式軟件開發(fā)平臺化、標(biāo)準(zhǔn)化，系統(tǒng)可升級、代碼可復(fù)用更受重視（4）低功耗、綠色環(huán)保和信息安全性1.1.3嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用1.消費(fèi)電子嵌入式系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于智能消費(fèi)電子，如智能手機(jī)、平板電腦、家庭音響、玩具等。2.工業(yè)控制嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)設(shè)備中應(yīng)用廣泛，如打印機(jī)、工業(yè)過程控制、數(shù)字機(jī)床、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測等。3.醫(yī)療設(shè)備嵌入式系統(tǒng)已在醫(yī)療設(shè)備中取得廣泛應(yīng)用，如血糖儀、血氧計(jì)、人工耳蝸、心電監(jiān)護(hù)儀等。4.家庭智能管理系統(tǒng)家庭智能管理系統(tǒng)將是嵌入式系統(tǒng)未來最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一，如水、電、煤氣表的遠(yuǎn)程自動抄表，以及安全防水、防盜系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng)等。1.1.3嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用5.環(huán)境工程嵌入式系統(tǒng)在環(huán)境工程中的應(yīng)用也很廣泛，如水文資源實(shí)時(shí)監(jiān)測、防洪體系及水土質(zhì)量檢測、堤壩安全、地震監(jiān)測網(wǎng)、實(shí)時(shí)氣象信息網(wǎng)、水源和空氣污染監(jiān)測。6.機(jī)器人嵌入式芯片的發(fā)展將使機(jī)器人在微型化、高智能方面優(yōu)勢更加明顯，同時(shí)會大幅度降低機(jī)器人的價(jià)格，使其在工業(yè)領(lǐng)域和服務(wù)領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。1.1.3嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式學(xué)以致用，科技報(bào)國1.1.4嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)本節(jié)小結(jié)1.掌握嵌入式系統(tǒng)定義；2.理解嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)；3.了解嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷史及趨勢；4.理解嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用；5.了解嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)。嵌入式系統(tǒng)硬件架構(gòu)嵌入式處理器1.2嵌入式系統(tǒng)硬件ARM微控制器本節(jié)小結(jié)1.2.1嵌入式系統(tǒng)硬件架構(gòu)1.2.2嵌入式處理器2.嵌入式處理器分類1.2.2嵌入式處理器3.ARM微控制器1.2.2嵌入式處理器3.ARM微控制器構(gòu)架核心v1ARM1v2ARM2v2aARM2As,ARM3v3ARM6,ARM600,ARM610,ARM7,ARM700,ARM710v4StrongARM,ARM8,ARM10v4TARM7TDMI,ARM720T,ARM740T,ARM9TDMI,ARM920T,ARM940Tv5TEARM9E-S,ARM10TDMI,AEM1020Ev6ARM1136J(F)-S,ARM1176JZ(F)-S,ARM11v6T2ARM1156T2(F)-Sv7ARMCortex-M0/3/4/7,ARMCortex-R4/5/7/8,ARMCortex-A5/7/8/9/15/17v8ARMCortex-M23/33,ARMCortex-R52,ARMCortex-A32/35/53/55/57/72/73/751.2.2嵌入式處理器3.ARM微控制器系列核心架構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域Cortex-ACortex-A8/9/55/73/75ARMv7/8用于高檔消費(fèi)電子和無線產(chǎn)品，可運(yùn)行大型操作系統(tǒng)。Cortex-RCortex-R5/52ARMv7/8用于實(shí)時(shí)性高的產(chǎn)品，運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。Cortex-MCortex-M3/4/7ARMv7中低檔控制應(yīng)用，是當(dāng)前8//16單片機(jī)的換代產(chǎn)品。本節(jié)小結(jié)1.掌握嵌入式系統(tǒng)硬件架構(gòu)；2.了解ARM微控制器架構(gòu)。嵌入式系統(tǒng)軟件架構(gòu)嵌入式系統(tǒng)編程思想1.3嵌入式系統(tǒng)軟件本節(jié)小結(jié)1.3.1嵌入式系統(tǒng)軟件架構(gòu)嵌入式系統(tǒng)軟件架構(gòu)是嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的綱領(lǐng)，規(guī)定了軟件的組成部分及層級關(guān)系，良好的軟件架構(gòu)不僅能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，而且結(jié)構(gòu)清晰，便于代碼復(fù)用，能夠極大地提高了開發(fā)效率，在嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中具有舉足輕重的地位。三種常見的嵌入式系統(tǒng)軟件架構(gòu)有順序執(zhí)行的前后臺架構(gòu)、基于前后臺的時(shí)間片輪詢架構(gòu)和多任務(wù)操作系統(tǒng)架構(gòu)。1.3.1嵌入式系統(tǒng)軟件架構(gòu)1.順序執(zhí)行的前后臺架構(gòu)溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求如下：（1）間隔50ms采集溫度信息；（2）通過LCD顯示溫度；（3）可通過按鍵設(shè)置溫度報(bào)警閾值；（4）溫度超過閾值進(jìn)行聲光報(bào)警。1.3.1嵌入式系統(tǒng)軟件架構(gòu)1.順序執(zhí)行的前后臺架構(gòu)1.3.1嵌入式系統(tǒng)軟件架構(gòu)2.基于前后臺的時(shí)間片輪詢架構(gòu)1.3.1嵌入式系統(tǒng)軟件架構(gòu)3.多任務(wù)操作系統(tǒng)架構(gòu)1.3.1嵌入式系統(tǒng)軟件架構(gòu)4.如何選擇在一些邏輯清晰、功能單一的應(yīng)用中適合選擇順序執(zhí)行的前后臺架構(gòu)，這個(gè)軟件架構(gòu)往往能夠滿足大部分需求，如電飯煲、電磁爐、燈光控制等。在一些資源缺乏的單片機(jī)并且對系統(tǒng)可靠性要求較高的情況下，建議采用基于前后臺的時(shí)間片輪詢架構(gòu)，因?yàn)檫@種架構(gòu)的系統(tǒng)耗費(fèi)比較小，但需要對時(shí)間片進(jìn)行深思熟慮的劃分。在一些功能復(fù)雜、邏輯控制較為困難的系統(tǒng)中，適合選擇多任務(wù)操作系統(tǒng)架構(gòu)，比如視頻監(jiān)控系統(tǒng)、無人機(jī)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等應(yīng)用場景。1.3.2嵌入式系統(tǒng)編程思想分層模塊化只能上層調(diào)用下層的函數(shù)接口，