嵌入式系統(tǒng)概述

1、嵌入式系統(tǒng)設計大學教程第一章第一章 嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)概述課件制作人聲明 本課件共本課件共 9個個 Powerpoint 文件（每章一文件（每章一個）。教師可根據教學要求自由修改此課個）。教師可根據教學要求自由修改此課件（增加或刪減內容），但不能自行出版件（增加或刪減內容），但不能自行出版銷售。銷售。 對于課件中出現的缺點和錯誤，歡迎讀者對于課件中出現的缺點和錯誤，歡迎讀者提出寶貴意見，以便及時修訂。提出寶貴意見，以便及時修訂。課件制作人課件制作人 許大琴許大琴2008 年年 8 月月主要內容 1.1 什么是嵌入式系統(tǒng)什么是嵌入式系統(tǒng) 1.2 嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)的特點 1.3 嵌

2、入式系統(tǒng)的體系結構嵌入式系統(tǒng)的體系結構 1.4 嵌入式系統(tǒng)的分類嵌入式系統(tǒng)的分類 1.5 嵌入式系統(tǒng)的應用嵌入式系統(tǒng)的應用1.1 什么是嵌入式系統(tǒng) 電氣工程師協會（電氣工程師協會（IEEE）的定義：）的定義： 嵌入式系統(tǒng)是用來控制、監(jiān)視或輔助嵌入式系統(tǒng)是用來控制、監(jiān)視或輔助設備、機器或工廠操作的裝置。設備、機器或工廠操作的裝置。 我國微機學會的定義：我國微機學會的定義： 嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應用為目的的嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應用為目的的計算機系統(tǒng)?？煞譃橄到y(tǒng)級、板級、計算機系統(tǒng)?？煞譃橄到y(tǒng)級、板級、片級。片級。1.1 什么是嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)一般定義：嵌入式系統(tǒng)一般定義： 以應用為中心、以計

3、算機技術為基礎，軟以應用為中心、以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，應用系統(tǒng)對功能、可靠性、硬件可裁剪，應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗和應用環(huán)境有特殊要成本、體積、功耗和應用環(huán)境有特殊要求的專用計算機系統(tǒng)。求的專用計算機系統(tǒng)。 一個嵌入式系統(tǒng)就是一個硬件和軟件的集合體，一個嵌入式系統(tǒng)就是一個硬件和軟件的集合體，它包括它包括硬件和和軟件兩部分。兩部分。1.1 什么是嵌入式系統(tǒng) 從從技術角度技術角度說，嵌入式系統(tǒng)是將應用程序、操說，嵌入式系統(tǒng)是將應用程序、操作系統(tǒng)和計算機硬件集成在一起的系統(tǒng)。作系統(tǒng)和計算機硬件集成在一起的系統(tǒng)。 從從系統(tǒng)角度系統(tǒng)角度說，嵌入式系統(tǒng)是設計完成復雜功說，嵌入式

4、系統(tǒng)是設計完成復雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計算能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計算機系統(tǒng)。機系統(tǒng)。 從從廣義上廣義上講，凡是帶有微處理器的專用軟硬件講，凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可稱為嵌入式系統(tǒng)。系統(tǒng)都可稱為嵌入式系統(tǒng)。主要內容 1.1什么是嵌入式系統(tǒng)什么是嵌入式系統(tǒng) 1.2嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)的特點 1.3嵌入式系統(tǒng)的體系結構嵌入式系統(tǒng)的體系結構 1.4嵌入式系統(tǒng)的分類嵌入式系統(tǒng)的分類 1.5嵌入式系統(tǒng)的應用嵌入式系統(tǒng)的應用1.2 嵌入式系統(tǒng)的特點 1.系統(tǒng)內核小系統(tǒng)內核小 由于嵌入式系統(tǒng)一般是應用于小型電由于嵌入式系統(tǒng)一般是應用于小型電子裝置，系統(tǒng)資源相

5、對有限，所以子裝置，系統(tǒng)資源相對有限，所以內核較傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。內核較傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。1.2 嵌入式系統(tǒng)的特點 2.專用性強專用性強 嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定任務的，嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定任務的，相對于一般通用相對于一般通用PC計算平臺，嵌入計算平臺，嵌入式系統(tǒng)的個性化很強，其中軟件系式系統(tǒng)的個性化很強，其中軟件系統(tǒng)和硬件的結合非常緊密，一般要統(tǒng)和硬件的結合非常緊密，一般要針對硬件進行軟件系統(tǒng)的移植。針對硬件進行軟件系統(tǒng)的移植。1.2 嵌入式系統(tǒng)的特點 3.運行環(huán)境差異大運行環(huán)境差異大 嵌入式系統(tǒng)使用范圍極為廣泛，其嵌入式系統(tǒng)使用范圍極為廣泛，其運行環(huán)境差異很大。運行環(huán)境差異

6、很大。1.2 嵌入式系統(tǒng)的特點 4.可靠性要求高可靠性要求高 嵌入式系統(tǒng)不能像通用嵌入式系統(tǒng)不能像通用PC機一樣，機一樣，“死機死機”時通過手動重啟計算機予時通過手動重啟計算機予以容忍。嵌入式系統(tǒng)往往要長期在以容忍。嵌入式系統(tǒng)往往要長期在無人值守的環(huán)境下運行，甚至是常無人值守的環(huán)境下運行，甚至是常年運行，因此對可靠性的要求特別年運行，因此對可靠性的要求特別高。高。1.2 嵌入式系統(tǒng)的特點 5.系統(tǒng)精簡和高實時性操作系統(tǒng)系統(tǒng)精簡和高實時性操作系統(tǒng) 一是許多嵌入式系統(tǒng)應用具有實時性要求，一是許多嵌入式系統(tǒng)應用具有實時性要求，嵌入式任務往往是時間關鍵性約束的，嵌入式任務往往是時間關鍵性約束的，必須在

7、某個時間范圍內完成。必須在某個時間范圍內完成。二是由于嵌入式系統(tǒng)比通用二是由于嵌入式系統(tǒng)比通用PC系統(tǒng)資源少系統(tǒng)資源少得多，要求嵌入式操作系統(tǒng)核心部分的得多，要求嵌入式操作系統(tǒng)核心部分的體積必須盡可能地小。體積必須盡可能地小。三是為了適應各種應用需求的變化，嵌入三是為了適應各種應用需求的變化，嵌入式操作系統(tǒng)還應該具有可裁減性、可伸式操作系統(tǒng)還應該具有可裁減性、可伸縮性和易移植性的特點?？s性和易移植性的特點。1.2 嵌入式系統(tǒng)的特點 6.具有固化在非易失性存儲器中的代碼具有固化在非易失性存儲器中的代碼 為了系統(tǒng)的初始化，幾乎所有系統(tǒng)都要在為了系統(tǒng)的初始化，幾乎所有系統(tǒng)都要在非易失性存儲器中存放部

8、分代碼（啟動非易失性存儲器中存放部分代碼（啟動代碼）。為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠代碼）。為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，常常把所有代碼（或其壓縮代碼）性，常常把所有代碼（或其壓縮代碼）固化存放在存儲器芯片或處理器的內部固化存放在存儲器芯片或處理器的內部存儲器件中。存儲器件中。1.2 嵌入式系統(tǒng)的特點 7.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工作和環(huán)境嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工作和環(huán)境 由于嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力，由于嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力，即使設計完成以后，用戶通常也不能對即使設計完成以后，用戶通常也不能對其中的程序功能進行修改，因此必須有其中的程序功能進行修改，因此必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。一

9、套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。 主要內容 1.1 什么是嵌入式系統(tǒng)什么是嵌入式系統(tǒng) 1.2 嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)的特點 1.3 嵌入式系統(tǒng)的體系結構嵌入式系統(tǒng)的體系結構 1.4 嵌入式系統(tǒng)的分類嵌入式系統(tǒng)的分類 1.5 嵌入式系統(tǒng)的應用嵌入式系統(tǒng)的應用1.3 嵌入式系統(tǒng)的體系結構 早期嵌入式系統(tǒng)包含三個部分：早期嵌入式系統(tǒng)包含三個部分： 自底向上為：自底向上為： 硬件平臺硬件平臺 嵌入式實時操作系統(tǒng)（嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS） 嵌入式實時應用程序嵌入式實時應用程序1.3 嵌入式系統(tǒng)的體系結構早期嵌入式系統(tǒng)的體系結構早期嵌入式系統(tǒng)的體系結構1.3 嵌入式系統(tǒng)的體系結構 經過不斷的發(fā)展，

10、原先嵌入式系統(tǒng)的三層經過不斷的發(fā)展，原先嵌入式系統(tǒng)的三層結構逐步演化成為一種四層結構：結構逐步演化成為一種四層結構：新增加的中間層次位于操作系統(tǒng)和硬件之新增加的中間層次位于操作系統(tǒng)和硬件之間，通過特定的上層接口與操作系統(tǒng)進間，通過特定的上層接口與操作系統(tǒng)進行交互，向操作系統(tǒng)提供底層的硬件信行交互，向操作系統(tǒng)提供底層的硬件信息；并根據操作系統(tǒng)的要求完成對硬件息；并根據操作系統(tǒng)的要求完成對硬件的直接操作。的直接操作。 這個中間層次叫做這個中間層次叫做硬件抽象層硬件抽象層(Hardware Abstraction Layer，HAL)1.3 嵌入式系統(tǒng)的體系結構嵌入式系統(tǒng)的體系結構嵌入式系統(tǒng)的體系結

11、構1.3 嵌入式系統(tǒng)的體系結構1.3.1 硬件平臺硬件平臺嵌入式系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺硬件平臺以嵌入式處理器為以嵌入式處理器為核心，由存儲器、核心，由存儲器、I/O單元電路、通信模單元電路、通信模塊、外部設備等必要的輔助接口組成的。塊、外部設備等必要的輔助接口組成的。不同的應用通常有不同的硬件環(huán)境，硬件不同的應用通常有不同的硬件環(huán)境，硬件平臺的多樣性是嵌入式系統(tǒng)的一個主要平臺的多樣性是嵌入式系統(tǒng)的一個主要特點。特點。1.3嵌入式系統(tǒng)的體系結構嵌入式系統(tǒng)硬件基本組成嵌入式系統(tǒng)硬件基本組成 1.3嵌入式系統(tǒng)的體系結構1.3.2 硬件抽象層硬件抽象層硬件抽象層硬件抽象層（Hardware Abs

12、traction Layer，HAL）是位于操作系統(tǒng)內核與硬件電路）是位于操作系統(tǒng)內核與硬件電路之間的接口層，其目的是將硬件抽象化，之間的接口層，其目的是將硬件抽象化，即可以通過程序來控制所有硬件電路即可以通過程序來控制所有硬件電路（如（如CPU、I/O設備、存儲器等）的操作。設備、存儲器等）的操作。 硬件抽象層通過硬件抽象層接口向操作系硬件抽象層通過硬件抽象層接口向操作系統(tǒng)以及應用程序提供對硬件進行抽象后的統(tǒng)以及應用程序提供對硬件進行抽象后的服務。服務。 硬件抽象層一般應包含相關硬件的初始化、硬件抽象層一般應包含相關硬件的初始化、數據的輸入數據的輸入/輸出操作、硬件設備的配置操輸出操作、硬件

13、設備的配置操作等功能。作等功能。 1.3嵌入式系統(tǒng)的體系結構 硬件抽象層接口的特點：硬件抽象層接口的特點：硬件抽象層具有與硬件的密切相關性；硬件抽象層具有與硬件的密切相關性；硬件抽象層具有與操作系統(tǒng)的無關性；硬件抽象層具有與操作系統(tǒng)的無關性；接口定義的功能應包含硬件或系統(tǒng)所需接口定義的功能應包含硬件或系統(tǒng)所需硬件支持的所有功能；硬件支持的所有功能；具有定義簡單明了，太多接口函數會增具有定義簡單明了，太多接口函數會增加軟件模擬的復雜性；加軟件模擬的復雜性；具有可測性的接口設計有利于系統(tǒng)的軟具有可測性的接口設計有利于系統(tǒng)的軟硬件測試和集成。硬件測試和集成。1.3嵌入式系統(tǒng)的體系結構板級支持包板級支

14、持包（Board Support Package，BSP）是現有的大多數商用嵌入式操作系是現有的大多數商用嵌入式操作系統(tǒng)實現可移植性所采用的一種方案，是統(tǒng)實現可移植性所采用的一種方案，是硬件抽象層的一種實現。硬件抽象層的一種實現。BSP隔離了所支持的嵌入式操作系統(tǒng)與底隔離了所支持的嵌入式操作系統(tǒng)與底層硬件平臺之間的相關性，使嵌入式操層硬件平臺之間的相關性，使嵌入式操作系統(tǒng)能夠通用于作系統(tǒng)能夠通用于BSP所支持的硬件平臺，所支持的硬件平臺，從而實現嵌入式操作系統(tǒng)的可移植性和從而實現嵌入式操作系統(tǒng)的可移植性和跨平臺性，以及通用性、復用性?？缙脚_性，以及通用性、復用性。 1.3嵌入式系統(tǒng)的體系結構

15、BSP是相對于操作系統(tǒng)而言的，不同的操是相對于操作系統(tǒng)而言的，不同的操作系統(tǒng)對應于不同定義形式的作系統(tǒng)對應于不同定義形式的BSP。 BSP實現的功能主要有兩個方面：實現的功能主要有兩個方面：系統(tǒng)啟動時，完成對硬件的初始化系統(tǒng)啟動時，完成對硬件的初始化; 為驅動程序提供訪問硬件的手段。為驅動程序提供訪問硬件的手段。1.3嵌入式系統(tǒng)的體系結構1.3.3 實時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)實時多任務操作系統(tǒng)實時多任務操作系統(tǒng)（Real Time multi-tasking Operation System，RTOS）簡稱）簡稱實時操作系統(tǒng)，主要用來完成嵌入式實實時操作系統(tǒng)，主要用來完成嵌入式實時應用的任務調度

16、和控制等核心功能。時應用的任務調度和控制等核心功能。實時操作系統(tǒng)可根據實際應用環(huán)境的要求實時操作系統(tǒng)可根據實際應用環(huán)境的要求對內核進行裁剪和重新配置，根據不同對內核進行裁剪和重新配置，根據不同的應用，其組成有所不同。的應用，其組成有所不同。1.3嵌入式系統(tǒng)的體系結構RTOS的體系結構圖的體系結構圖 1.3嵌入式系統(tǒng)的體系結構1.3.4 實時應用程序實時應用程序實時應用程序運行于操作系統(tǒng)之上，利用實時應用程序運行于操作系統(tǒng)之上，利用操作系統(tǒng)提供的實時機制完成特定功能操作系統(tǒng)提供的實時機制完成特定功能的嵌入式應用。的嵌入式應用。不同的系統(tǒng)需要設計不同的嵌入式實時應不同的系統(tǒng)需要設計不同的嵌入式實時

17、應用程序。用程序。應用程序是面向被控對象和用戶的，當需應用程序是面向被控對象和用戶的，當需要用戶操作時，往往需要提供一個友好要用戶操作時，往往需要提供一個友好的人機界面。的人機界面。主要內容 1.1 什么是嵌入式系統(tǒng)什么是嵌入式系統(tǒng) 1.2 嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)的特點 1.3 嵌入式系統(tǒng)的體系結構嵌入式系統(tǒng)的體系結構 1.4 嵌入式系統(tǒng)的分類嵌入式系統(tǒng)的分類 1.5 嵌入式系統(tǒng)的應用嵌入式系統(tǒng)的應用1.4 嵌入式系統(tǒng)的分類1.4.1 按嵌入式微處理器的位數分類按嵌入式微處理器的位數分類嵌入式系統(tǒng)可分為嵌入式系統(tǒng)可分為4位、位、8位、位、16位、位、32位位和和64位等，其中，位等，其中，

18、4位、位、8位、位、16位嵌入位嵌入式系統(tǒng)已經獲得了大量應用，式系統(tǒng)已經獲得了大量應用，32位嵌入位嵌入式系統(tǒng)正成為主流發(fā)展趨勢，而一些高式系統(tǒng)正成為主流發(fā)展趨勢，而一些高度復雜和要求高速處理的嵌入式系統(tǒng)已度復雜和要求高速處理的嵌入式系統(tǒng)已經開始使用經開始使用64位嵌入式微處理器。位嵌入式微處理器。1.4 嵌入式系統(tǒng)的分類1.4.2 按軟件實時性需求分類按軟件實時性需求分類 嵌入式系統(tǒng)可分為：嵌入式系統(tǒng)可分為： 非實時系統(tǒng)非實時系統(tǒng)（如（如PDA）; 軟實時系統(tǒng)軟實時系統(tǒng)（如消費類產品）（如消費類產品）; 硬實時系統(tǒng)硬實時系統(tǒng)（如工業(yè)實時控制系統(tǒng)）。（如工業(yè)實時控制系統(tǒng)）。1.4 嵌入式系統(tǒng)的

19、分類硬實時系統(tǒng)硬實時系統(tǒng)是指系統(tǒng)對響應時間有嚴格要是指系統(tǒng)對響應時間有嚴格要求，如不能滿足響應時限、響應不及時求，如不能滿足響應時限、響應不及時或反應過早，都會引起系統(tǒng)崩潰或致命或反應過早，都會引起系統(tǒng)崩潰或致命錯誤，甚至導致災難性的后果。錯誤，甚至導致災難性的后果。 軟實時系統(tǒng)軟實時系統(tǒng)是指系統(tǒng)對響應的時間有一定是指系統(tǒng)對響應的時間有一定要求，如在系統(tǒng)負荷較重的時候，響應要求，如在系統(tǒng)負荷較重的時候，響應時間不能滿足，會導致系統(tǒng)性能退化，時間不能滿足，會導致系統(tǒng)性能退化，但不會造成太大的危害。但不會造成太大的危害。1.4 嵌入式系統(tǒng)的分類1.4.3 按嵌入式系統(tǒng)的復雜程度分類按嵌入式系統(tǒng)的復

20、雜程度分類 小型嵌入式系統(tǒng)小型嵌入式系統(tǒng)：采用一個采用一個8位或者位或者16位的微位的微控制器設計的，硬件和軟件復雜度很小，需要控制器設計的，硬件和軟件復雜度很小，需要進行板級設計。進行板級設計。 中型嵌入式系統(tǒng)中型嵌入式系統(tǒng)：采用一個采用一個16位或者位或者32位的微位的微控制器、控制器、DSP或者精簡指令集計算機（或者精簡指令集計算機（RISC）設計的；硬件和軟件復雜度都比較大。設計的；硬件和軟件復雜度都比較大。復雜嵌入式系統(tǒng)復雜嵌入式系統(tǒng)：軟件和硬件都非常復雜，軟件和硬件都非常復雜，需要可升級的處理器或者可配置的處理器和可需要可升級的處理器或者可配置的處理器和可編程邏輯陣列。編程邏輯陣列

21、。主要內容 1.1 什么是嵌入式系統(tǒng)什么是嵌入式系統(tǒng) 1.2 嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)的特點 1.3 嵌入式系統(tǒng)的體系結構嵌入式系統(tǒng)的體系結構 1.4 嵌入式系統(tǒng)的分類嵌入式系統(tǒng)的分類 1.5 嵌入式系統(tǒng)的應用嵌入式系統(tǒng)的應用1.5 嵌入式系統(tǒng)的應用嵌入式應用嵌入式應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備通信設備移動存貯移動存貯工控設備工控設備智能儀表智能儀表汽車電子汽車電子網絡設備網絡設備消費電子消費電子軍事國防軍事國防電子商務電子商務網絡網絡工業(yè)控制工業(yè)控制1.5 嵌入式系統(tǒng)的應用 工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制 網絡通信設備網絡通信設備 消費電子產品消費電子產品 航空航天

22、設備航空航天設備 軍事電子設備和現代武器軍事電子設備和現代武器一些典型的嵌入式系統(tǒng)應用實例MP3 機頂盒機頂盒 數碼相機數碼相機 手機手機 藍牙設備藍牙設備 一些典型的嵌入式系統(tǒng)應用實例 Kolibri黑寡婦黑寡婦MicroBat微型飛行器微型飛行器 一些典型的嵌入式系統(tǒng)應用實例“機遇機遇”號火星車號火星車美軍美軍packbotpackbot反狙擊機器人反狙擊機器人 本章小結 嵌入式系統(tǒng)是一個硬件和軟件的集合體，包括硬嵌入式系統(tǒng)是一個硬件和軟件的集合體，包括硬件和軟件兩部分。件和軟件兩部分。 嵌入式系統(tǒng)具有系統(tǒng)內核小、專用性強、運行環(huán)嵌入式系統(tǒng)具有系統(tǒng)內核小、專用性強、運行環(huán)境差異大、可靠性要求高、系統(tǒng)精簡、高實時性境差異