第1講嵌入式系統(tǒng)概述

第1章

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)

§1.1嵌入式系統(tǒng)簡介§1.2嵌入式處理器§1.3嵌入式操作系統(tǒng)第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)21.1嵌入式系統(tǒng)簡介§1.1.1嵌入式系統(tǒng)的定義§1.1.2嵌入式系統(tǒng)的組成§1.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點§1.1.4嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用§1.1.5嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)3什么是嵌入式系統(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(shè)備的裝置”（原文為devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)4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)對象的智能化功能就是嵌入到對象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:由三要素引出第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)5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。即以應(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)。嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的最高形式——片上系統(tǒng)（SOC）

第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)6嵌入式系統(tǒng)的組成

接口電路處理器系統(tǒng)電路系統(tǒng)專用電路圖1.1嵌入式系統(tǒng)的硬件組成嵌入式系統(tǒng)硬件電路一般有3個主要的組成部分：第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)7

硬件。處理器；存儲器（ROM、RAM）；輸入輸出設(shè)備；其他部分輔助系統(tǒng)完成功能。

應(yīng)用軟件

實時操作系統(tǒng)（Real-TimeOperatingSystem，RTOS）。該系統(tǒng)用來管理應(yīng)用軟件，并提供一種機制，使得處理器分時地執(zhí)行各個任務(wù)并完成一定的時限要求。

第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)8應(yīng)用領(lǐng)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(shù)的廣泛應(yīng)用中國正在成為世界制造大國，在消費電子、工業(yè)應(yīng)用、軍事國防、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域都有嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)9嵌入式技術(shù)刺激了許多新的應(yīng)用需求嵌入式技術(shù)發(fā)展又在不斷刺激新的技術(shù)產(chǎn)生－信息家電、醫(yī)療電子病歷、微小型智能武器消費電子嵌入式應(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)軍事國防電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)10工業(yè)控制、工業(yè)設(shè)備等機電產(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(shè)備監(jiān)測、石油化工系統(tǒng)等方面，大部分低端型設(shè)備主要采用是８位單片機。

隨著技術(shù)發(fā)展，目前許多設(shè)備除了進行實時控制，還須將設(shè)備狀態(tài)，傳感器的信息等在顯示屏上實時顯示。第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)11信息家電將成為嵌入式系統(tǒng)最大的應(yīng)用領(lǐng)域。只有按鈕、開關(guān)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(diào)等的網(wǎng)絡(luò)化、智能化等。信息家電——智能家居第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)12辦公信息化第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)13消費類電子—智能玩具、手持通訊的核心第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)14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(wù)方面，目前GPS設(shè)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(zhì)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、停車場管理第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)15嵌入式Internet應(yīng)用第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)16航天領(lǐng)域第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)17未來嵌入式系統(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）第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)181.2嵌入式處理器§1.2.1嵌入式系統(tǒng)的分類§1.2.2嵌入式處理器的分類§1.2.3ARM微處理器第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)19嵌入式系統(tǒng)的分類▲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▲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)）按表現(xiàn)形式分（硬件范疇）：按實時性要求分（軟件范疇）：第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)201.2.2嵌入式處理器的分類微控制器（MCU）數(shù)字信號處理器（DSP）片上系統(tǒng)（SOC）與SOPC微處理器（MPU）第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)21MCU（MicroControlUnit)

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(shè)備中仍然有著極其廣泛的應(yīng)用。單片機芯片內(nèi)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(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)22MCU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(yīng)用很困難，運行操作系統(tǒng)就更難。第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)23MPU嵌入式微處理器（MicroProcessorUnit)MPU嵌入式微處理器最早由通用計算機中的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(yīng)用中，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)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(yīng)用的特殊要求。

目前，MPU的代表是ARM系列處理器，如ARM系列、Cortex-M系列、Cortex-A系列第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)24DSPDSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進行了特殊設(shè)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(yīng)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。第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)25SOCSOC（片上系統(tǒng)）是IC設(shè)計的發(fā)展趨勢。采用SOC設(shè)計技術(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)的性能價格比。SOC芯片已經(jīng)成為提高移動通信、網(wǎng)絡(luò)、信息家電、高速計算、多媒體應(yīng)用及軍用電子系統(tǒng)性能的核心器件。第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)26SOPC——FPGA

用可編程邏輯技術(shù)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(shè)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。第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)271.2.3ARM處理器

ARM（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(shù)的名字。1991年ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)28ARM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(shè)計的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)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。基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75％以上的市場份額，ARM技術(shù)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(shè)計的基于ARM核的處理器。華為麒麟9354個高主頻的A53e核心2.2GHz*44個低主頻的A53核心1.5G*4A53即Cortex-A53，ARMv864/32-bit第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)29高通驍龍8104個高主頻的A57核心2GHz*44個低主頻的A53核心1.6G*4Cortex-A57/53，ARMv8-A第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)30ARM微處理器的特點采用RISC指令集低功耗、低成本、高性能使用大量的寄存器ARM/THUMB指令支持多級流水線第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)311.3嵌入式操作系統(tǒng)1.3.1操作系統(tǒng)的概念和分類1.3.2Linux1.3.3

C/OS1.3.4WindowsCE第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)32操作系統(tǒng)的概念和分類操作系統(tǒng)（OS，OperatingSystem）:是隱藏底層不同硬件的差異，向在其上運行的應(yīng)用程序提供一個統(tǒng)一的調(diào)用接口。操作系統(tǒng)主要完成三項任務(wù)：內(nèi)存管理、多任務(wù)管理和外圍設(shè)備管理。應(yīng)用程序操作系統(tǒng)系統(tǒng)界面驅(qū)動程序硬件硬件硬件硬件第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)33嵌入式操作系統(tǒng)（EmbeddedOperatingSystem）負責嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度、控制、協(xié)調(diào)；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具有以下特點: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(jié)構(gòu)；外設(shè)接口的統(tǒng)一性：提供各種設(shè)備驅(qū)動接口。第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)34

操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)用程序調(diào)用，包括：文件系統(tǒng)、內(nèi)存分配、I/O存取服務(wù)、中斷服務(wù)、任務(wù)（Task）服務(wù)、時間（Timer）服務(wù)等，設(shè)備驅(qū)動程序（DeviceDriver）則是要建立在I/O存取和中斷服務(wù)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。第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)35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(nèi)對程序調(diào)用（或外部事件）做出正確的反應(yīng)，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、NeutrinoRTOS、NucleusPlus、OS/9、VRTX、LinuxOS，RTLinux、BlueCatRT等。第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)36通用型操作系統(tǒng)：執(zhí)行性能與反應(yīng)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(wù)管理（TaskManagement）、任務(wù)調(diào)度（TaskScheduling）、進程間的通信（IPC）、內(nèi)存管理（MemoryManagement）。第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)37Linux嵌入式Linux具有適合于嵌入式系統(tǒng)的特點:

內(nèi)核精簡，高性能、穩(wěn)定；

良好的多任務(wù)支持；

適用于不同的CPU體系架構(gòu)：支持多種體系架構(gòu)，如X86、ARM、MIPS、ALPHA、SPARC等；

可伸縮的結(jié)構(gòu)：可伸縮的結(jié)構(gòu)使Linux適合于從簡單到復雜的各種嵌入式應(yīng)用；

外設(shè)接口統(tǒng)一：以設(shè)備驅(qū)動程序的方式為應(yīng)用提供統(tǒng)一的外設(shè)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(jié)構(gòu)靈活，適用面廣；

完整的技術(shù)文檔，便于用戶的二次開發(fā)。第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)38

C/OS-Ⅱ

C/OS-Ⅱ是JeanJ.Labrosse在1990年前后編寫的一個實時操作系統(tǒng)內(nèi)核。

C/OS-Ⅱ只是一個基于優(yōu)先級調(diào)度的搶占式實時內(nèi)核，其特點：提供任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間通信和同步等基本功能；

沒有提供輸入輸出管理、文