方彥軍 第1章 嵌入式系統(tǒng)引言

1、1嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì) 第一章 嵌入式系統(tǒng)概論2本章提要嵌入式系統(tǒng)的基本概念嵌入式系統(tǒng)的基本概念 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 嵌入式處理器和操作系統(tǒng)嵌入式處理器和操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)31.1 嵌入式系統(tǒng)的基本概念 “嵌入式系統(tǒng)”一般指非PC系統(tǒng)，有計(jì)算機(jī)功能但又不稱(chēng)之為計(jì)算機(jī)的設(shè)備或器材。它是以應(yīng)用為中心，軟硬件可縮擴(kuò)的，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成。41.1.1嵌入式系統(tǒng)的定義 根據(jù)IEEE（國(guó)際電氣和電子工程

2、師協(xié)會(huì)）的定義： 嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”（原文為devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。 可以看出此定義是從應(yīng)用上考慮的，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)電等附屬裝置。 5l嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應(yīng)用為目的的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?？煞譃橄到y(tǒng)級(jí)、板級(jí)、片級(jí)l系統(tǒng)級(jí)：各種類(lèi)型的工控器l板級(jí)：各種類(lèi)型的帶CPU的主板及OEM產(chǎn)品l片級(jí)：各種以單片機(jī)、DSP、微處理器為核心的產(chǎn)品6 定義上可從幾方面來(lái)理解嵌入式系統(tǒng)： 嵌入

3、式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強(qiáng)的專(zhuān)用性，必須結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)需求進(jìn)行合理的裁減利用。 嵌入式系統(tǒng)具有高實(shí)時(shí)性和高可靠性。 嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)軟硬件進(jìn)行裁剪，滿(mǎn)足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。71.1.2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) （1）功能特定性 一般嵌入式系統(tǒng)具有特定應(yīng)用、特定功能要求。 （2）規(guī)模可變性 嵌入式系統(tǒng)一般是以最小系統(tǒng)為核心，外圍器件可擴(kuò)充和裁減的系統(tǒng)。 （3）實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性 嵌入式系統(tǒng)在大多數(shù)領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)和穩(wěn)定性都有很高的要求，特別是在設(shè)計(jì)人身安全的控制領(lǐng)域、如航空、汽車(chē)控制等領(lǐng)域。8系統(tǒng)其他特性（1）操作系統(tǒng)內(nèi)核小l由于嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置 的，系

4、統(tǒng)資源相對(duì)有限，所以?xún)?nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。l比如ENEA公司的OSE分布式系統(tǒng)，內(nèi)核只有5K，而Windows的內(nèi)核則要大得多。9（）專(zhuān)用性強(qiáng) 嵌入式系統(tǒng)的個(gè)性化很強(qiáng)，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對(duì)硬件進(jìn)行系統(tǒng)的移植。l即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進(jìn)行修改。l同時(shí)針對(duì)不同的任務(wù)，往往需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行較大更改，程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結(jié)合，這種修改和通用軟件的“升級(jí)”是完全不同的概念。 10（）系統(tǒng)精簡(jiǎn)l嵌入式系統(tǒng)一般沒(méi)有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的明顯區(qū)分，不要求其功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)上過(guò)于復(fù)雜，這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，同時(shí)也利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全

5、。（）高實(shí)時(shí)性O(shè)Sl這是嵌入式軟件的基本要求，而且軟件要求固態(tài)存儲(chǔ)，以提高速度。軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性、實(shí)時(shí)性。 11（5）使用多任務(wù)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)l嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以沒(méi)有操作系統(tǒng)只接在芯片上運(yùn)行。l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)以及和專(zhuān)家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶(hù)必須自行選配RTOS （RealTime Operating System）開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，并減少開(kāi)發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。12（6）嵌入式系統(tǒng)需要開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境l由于其本身不具備自主開(kāi)發(fā)能力，即使設(shè)計(jì)完成以后，用戶(hù)通常也是不能對(duì)其中的程序功能進(jìn)行修改，必須有一套開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開(kāi)

6、發(fā)。l這些工具和環(huán)境一般是基于通用計(jì)算機(jī)上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀、混合信號(hào)示波器等。l開(kāi)發(fā)時(shí)往往有主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的概念，主機(jī)用于程序的開(kāi)發(fā)，目標(biāo)機(jī)作為最后的執(zhí)行機(jī)，開(kāi)發(fā)時(shí)需要交替結(jié)合進(jìn)行。 131.1.3嵌入式系統(tǒng)的分類(lèi)主要從實(shí)時(shí)性進(jìn)行劃分u硬實(shí)時(shí)系統(tǒng) 是指系統(tǒng)要確保在最壞情況下的服務(wù)時(shí)間，對(duì)于事件響應(yīng)時(shí)間的截止期限必須得到滿(mǎn)足。u軟實(shí)時(shí)系統(tǒng) 其時(shí)限是一個(gè)柔性靈活的，可以容忍偶然的超時(shí)錯(cuò)誤。失敗造成的后果并不嚴(yán)重。141.1.4 嵌入式系統(tǒng)的組成 嵌入式系統(tǒng)既然是一種專(zhuān)用的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，當(dāng)然也包括嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件兩大部分。由于嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，因此還有應(yīng)用中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用

7、于實(shí)現(xiàn)對(duì)其它設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。151.1.5 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域l工業(yè)控制l交通管理l信息家電l家庭智能管理系統(tǒng)lPOS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)l環(huán)境監(jiān)測(cè)l機(jī)器人161消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品應(yīng)用 如智能冰箱、流媒體電視等。如圖1-2所示，大家最熟悉的莫過(guò)于手機(jī)、PDA、電子辭典、數(shù)碼相機(jī)、MP3/MP4等。 2智能儀器、儀表類(lèi)應(yīng)用 這類(lèi)產(chǎn)品可能離日常生活有點(diǎn)距離，但是對(duì)于開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)卻是實(shí)驗(yàn)室里的必備工具，比如網(wǎng)絡(luò)分析儀、數(shù)字示波器、熱成像儀等。3通信信息類(lèi)產(chǎn)品應(yīng)用 這些產(chǎn)品多數(shù)應(yīng)用于通信機(jī)柜設(shè)備中，如路由器、交換機(jī)、家庭媒體網(wǎng)關(guān)等。4過(guò)程控制類(lèi)應(yīng)用 過(guò)程控制類(lèi)應(yīng)用主要指在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用。5

8、國(guó)防武器設(shè)備應(yīng)用 如雷達(dá)識(shí)別、軍用數(shù)傳電臺(tái)、電子對(duì)抗設(shè)備等。6生物微電子應(yīng)用 指紋識(shí)別、生物傳感器數(shù)據(jù)采集等應(yīng)用中也廣泛采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。17嵌入式應(yīng)用嵌入式應(yīng)用信息家電信息家電智能玩具智能玩具軍事電子軍事電子通信設(shè)備通信設(shè)備移動(dòng)存貯移動(dòng)存貯工控設(shè)備工控設(shè)備智能儀表智能儀表汽車(chē)電子汽車(chē)電子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備消費(fèi)電子消費(fèi)電子軍事國(guó)防軍事國(guó)防電子商務(wù)電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制工業(yè)控制1819PDA 可視電話(huà)可視電話(huà) 機(jī)器人機(jī)器人 SONY機(jī)器狗機(jī)器狗 20l手機(jī)、小靈通、智能手機(jī)、手機(jī)、小靈通、智能手機(jī)、3C3C合一合一21阿富汗參加反恐作戰(zhàn)的“赫耳墨斯”價(jià)值4萬(wàn)美元，可攜帶2架攝像機(jī)，發(fā)揮了很好作

9、用。嵌入式技術(shù)在國(guó)防武器設(shè)備的應(yīng)用22嵌入式系統(tǒng)高性能武器平臺(tái)的基礎(chǔ)23嵌入式Internet應(yīng)用24嵌入式系統(tǒng)與機(jī)器人技術(shù)嵌入式系統(tǒng)與機(jī)器人技術(shù)圖：卡耐基梅隆大學(xué)和瑞士圖：卡耐基梅隆大學(xué)和瑞士EPFLEPFL研制的機(jī)器人控制器研制的機(jī)器人控制器 （采用卡西歐（采用卡西歐PDAPDA和和Windows CEWindows CE） 25262728高高 48 cm48 cm重重: 6 kg: 6 kg靈活性：靈活性：20 DOF20 DOF操作系統(tǒng)操作系統(tǒng): RT-Linux: RT-Linux接口形式接口形式: USB 1.0 (12Mbps): USB 1.0 (12Mbps)響應(yīng)周期響應(yīng)周

10、期: 1ms: 1ms能源：能源： DC24V x 6.2A (150W)DC24V x 6.2A (150W)制造：富士通制造：富士通 293031機(jī)器魚(yú)的智能控制32尾鰭驅(qū)動(dòng)子尾鰭驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)系統(tǒng)GPSGPS導(dǎo)導(dǎo)航航子子系系統(tǒng)統(tǒng)羅羅盤(pán)盤(pán)定定位位子子系系統(tǒng)統(tǒng)上升下潛上升下潛子系統(tǒng)子系統(tǒng)水泵/水柜裝置水泵/水柜裝置機(jī)器魚(yú)關(guān)節(jié)電機(jī)器魚(yú)關(guān)節(jié)電機(jī)機(jī)基于ARM的嵌入式控制器基于ARM的嵌入式控制器測(cè)測(cè)距距傳傳感感器器壓壓力力深深度度傳傳感感器器無(wú)線(xiàn)通信無(wú)線(xiàn)通信模塊模塊智能機(jī)器魚(yú)的嵌入式控制器智能機(jī)器魚(yú)的嵌入式控制器主控計(jì)算主控計(jì)算機(jī)機(jī)基于ARM的嵌入式控制器方案設(shè)計(jì) 33模塊化機(jī)器人的智能控制 34機(jī)器

11、蛇的智能控制 35嵌入式系統(tǒng)在生物微電子應(yīng)用l在指紋識(shí)別、生物傳感器數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面，嵌入式系統(tǒng)得到了充分應(yīng)用。361.2 嵌入式處理器嵌入式處理器嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)。l嵌入式微處理器一般就具備以下4個(gè)特點(diǎn)： (1) 對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力。 (2) 具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。 (3) 可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)。 (4) 嵌入式微處理器必須功耗很低。l與其他類(lèi)型的操作系統(tǒng)相比，嵌入式操作系統(tǒng)具有以下一些特點(diǎn)。(1) 體積小。 (2) 實(shí)時(shí)性。 (3) 特殊的開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境。37嵌入式處理器可分為：l低端的微控制器（Microcontroller Unit

12、，MCU）；l中高端的嵌入式微處理器（Embedded Micro-Processor Unit ,EMPU）；l通信領(lǐng)域的DSP處理器(Digital Signal Processor ,DSP)；l高度集成的片上系統(tǒng)(System on Chip，SoC)。38嵌入式微處理器一般具有以下特點(diǎn)：l嵌入式微處理器在設(shè)計(jì)中考慮低功耗。l采用可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)。l具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。l提供豐富的調(diào)試功能。l對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)具有很強(qiáng)的支持能力。39典型嵌入式處理器 1.ARM/StrongARM2.MIPS3.PowerPC4.x865.68KColdfire401.3 嵌入式操作系統(tǒng) 操作系

13、統(tǒng)OS（Operation System）是一組計(jì)算機(jī)程序的集合，用來(lái)有效地控制和管理計(jì)算機(jī)的硬件和軟件資源，即合理地對(duì)資源進(jìn)行調(diào)度，并為用戶(hù)提供方便的應(yīng)用接口。它為應(yīng)用支持軟件提供運(yùn)行環(huán)境，即對(duì)程序開(kāi)發(fā)者提供功能強(qiáng)、使用方便的開(kāi)發(fā)環(huán)境。 功能：l 處理器管理l 存儲(chǔ)器管理l 設(shè)備管理l 文件管理l 用戶(hù)接口41類(lèi)型：l順序執(zhí)行系統(tǒng)。l分時(shí)操作系統(tǒng)。l實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。42 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的要求對(duì)內(nèi)核進(jìn)行裁減和重配置的操作系統(tǒng)。根據(jù)其面向?qū)嶋H應(yīng)用領(lǐng)域的不同其組成也有所不同。但一般都包括以下幾個(gè)重要組成部分：l實(shí)時(shí)內(nèi)核。l網(wǎng)絡(luò)組件。l文件系統(tǒng)。l圖形用戶(hù)界面。43軟硬件平臺(tái)的選擇

14、選擇處理器時(shí)要考慮的主要因素有以下幾個(gè)方面。l 處理性能l 技術(shù)指標(biāo)l 功耗l 軟件支持工具l 是否內(nèi)置調(diào)試工具l 供應(yīng)商是否提供評(píng)估板 44常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)1.VxWorks2.C/OS和C/OSII3.WindowsCE 4.嵌入式Linux5.PalmOS 6.QNX 7.Delta OS 8.Hopen OS 9.pSOS 451.4 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的特點(diǎn) 嵌入式系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)在以下幾個(gè)方面的差別比較明顯：l人機(jī)交互界面。l有限的功能。l時(shí)間關(guān)鍵性和穩(wěn)定性。 46嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)具有其自身的特點(diǎn)l需要交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境。l引入任務(wù)設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)以任務(wù)為基本的執(zhí)行

15、單元。l需要固化程序。l軟件開(kāi)發(fā)難度大。絕大多數(shù)的嵌入式應(yīng)用有實(shí)時(shí)性的要求，特別在硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)性至關(guān)重要。47軟件平臺(tái)的選擇 嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)流程，主要涉及代碼編程、交叉編譯、交叉連接、下載到目標(biāo)板和調(diào)試等幾個(gè)步驟，因此軟件平臺(tái)的選擇也涉及操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境3個(gè)方面。操作系統(tǒng)可以從以下幾點(diǎn)進(jìn)行考慮：l 操作系統(tǒng)提供的開(kāi)發(fā)工具。l 操作系統(tǒng)向硬件接口移植的難度。l 操作系統(tǒng)的內(nèi)存要求。l 開(kāi)發(fā)人員是否熟悉此操作系統(tǒng)及其提供的API。l 操作系統(tǒng)是否提供硬件的驅(qū)動(dòng)程序，如SD卡、LCD屏幕等。l 操作系統(tǒng)的可剪裁性。l 操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。48嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖所示，主要有6個(gè)步驟：491.5嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)l嵌入式系統(tǒng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域l硬件方面，底層系統(tǒng)和硬件平臺(tái)已經(jīng)相對(duì)比較成熟。l軟件方面，嵌入式軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，特別是嵌入式操作系統(tǒng)都有大量成熟的產(chǎn)品。l嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)越來(lái)越廣闊，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展空間很大。50嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)宏觀(guān)方面發(fā)展趨勢(shì): 經(jīng)濟(jì)性（POS開(kāi)發(fā)失敗，幾十萬(wàn)、幾萬(wàn)、5千、5百）l計(jì)算機(jī)要很便宜，讓更多的人能買(mǎi)得起； 小型化（筆記本、PDA）l人們攜帶方便； 可靠性（汽車(chē)VCD，挑動(dòng)問(wèn)題）l能夠在一般環(huán)境條件下或者