ARM嵌入式系統(tǒng) 第一講 嵌入式概述

嵌入式系統(tǒng)

教師：郭玉臣Mail:yuchenguo@第一講系統(tǒng)概述一、嵌入式系統(tǒng)二、嵌入式處理器三、嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)容11.1引言1.2嵌入式系統(tǒng)的定義1.3嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.4嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)、分類1.5嵌入式系統(tǒng)的歷史與未來1.6嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用1.7嵌入式軟件產(chǎn)業(yè)鏈互動(dòng)一、嵌入式系統(tǒng)21.1引言從幼苗茁壯成長到參天大樹經(jīng)過三十多年的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)從最開始的涓涓細(xì)流，發(fā)展壯大成了目前數(shù)量最多，使用范圍最廣的電子信息系統(tǒng)在人們的日常生活中，嵌入式設(shè)備幾乎隨處可見，已經(jīng)成為生活的重要組成部分雖然數(shù)量眾多，但卻不為人所知嵌入式系統(tǒng)一般隱藏在產(chǎn)品中在使用過程中主要完成無形的信息處理，用戶不容易感知到它的存在31.1引言(續(xù))幾十年的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在很大程度改變了人們的生活、工作和娛樂方式，而且這些改變還在加速。嵌入式系統(tǒng)具有無數(shù)的種類，每類都具有自己獨(dú)特的個(gè)性。例如，MP3、數(shù)碼相機(jī)與打印機(jī)就有很大的不同。汽車中更是具有多個(gè)嵌入式系統(tǒng)，使汽車更輕快、更干凈、更容易駕駛。嵌入式系統(tǒng)帶來的工業(yè)年產(chǎn)值已超過1萬億美元。用市場(chǎng)觀點(diǎn)來看，PC已經(jīng)從高速增長進(jìn)入到平穩(wěn)發(fā)展時(shí)期，其年增長率由20世紀(jì)90年代中期的35%逐年下降，使單純由PC機(jī)帶領(lǐng)電子產(chǎn)業(yè)蒸蒸日上的時(shí)代成為歷史。4現(xiàn)實(shí)中的嵌入式系統(tǒng)

即使不可見，嵌入式系統(tǒng)也無處不在。嵌入式系統(tǒng)在很多產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用并逐步改變著這些產(chǎn)業(yè)，包括工業(yè)自動(dòng)化、國防、運(yùn)輸和航天領(lǐng)域。例如神州飛船和長征火箭中肯定有很多嵌入式系統(tǒng)，導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)也是嵌入式系統(tǒng)，汽車中也有多達(dá)幾十個(gè)嵌入式系統(tǒng)。在日常生活中，人們使用各種嵌入式系統(tǒng)。事實(shí)上，幾乎所有帶有一點(diǎn)“智能”的家電（全自動(dòng)洗衣機(jī)、電腦電飯煲…）都是嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)廣泛的適應(yīng)能力和多樣性，使得視聽、工作場(chǎng)所甚至健身設(shè)備中到處都有嵌入式系統(tǒng)。5現(xiàn)實(shí)中的嵌入式系統(tǒng)（續(xù)）61.2嵌入式系統(tǒng)的定義計(jì)算機(jī)分類從通用性角度來分類：通用計(jì)算機(jī)和嵌入式計(jì)算機(jī)通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)服務(wù)器、工作站、臺(tái)式機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)坦克、導(dǎo)彈、飛機(jī)、軍艦、雷達(dá)DVD機(jī)、電視機(jī)、微波爐、洗衣機(jī)、電冰箱、熱水器手機(jī)、MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、機(jī)頂盒鍵盤、鼠標(biāo)、閃存盤、CD-ROM、交換機(jī)、路由器71.2嵌入式系統(tǒng)的定義（續(xù)）嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、重量、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)而言之，是含有處理器的專用軟硬件系統(tǒng)具有自主的信息處理能力（信息裝備）英國電機(jī)工程師協(xié)會(huì)的定義Devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants（用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置）81.2嵌入式系統(tǒng)的定義（續(xù)）微機(jī)學(xué)會(huì)的定義嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應(yīng)用為目的的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可分為系統(tǒng)級(jí)、模塊級(jí)、芯片級(jí)系統(tǒng)級(jí)：各種類型的工控機(jī)以標(biāo)準(zhǔn)總線互聯(lián)（背板結(jié)構(gòu)）的工控機(jī)：CPCI、PCI-ISA、VME、STD模塊級(jí)：各種類型的帶CPU的模塊嵌入式CPU模塊：PC104模塊、Biscuit板芯片級(jí)：各種以微控制器、DSP、嵌入式微處理器為核心的產(chǎn)品個(gè)性化設(shè)計(jì)9101.3嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)111.3嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（續(xù)）121.3嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（續(xù)）硬件層嵌入式處理器嵌入式微處理器、微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器SoC(SystemonChip)——FPGA、ASIC存儲(chǔ)器系統(tǒng)ROM、FLASH、E2PROM、SRAM、SDRAM等中斷控制器、DMAC、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器UART、USB控制器、LCD控制器其它I/O接口CAN、Zigbee、藍(lán)牙、ECC、3DES等等131.3嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（續(xù)）中間層（BSP）板級(jí)支持包（BoardSupportPackage）系統(tǒng)軟件與底層硬件隔離相關(guān)硬件的初始化數(shù)據(jù)的輸入輸出操作硬件設(shè)備的配置功能特點(diǎn)硬件相關(guān)性操作系統(tǒng)相關(guān)性141.3嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（續(xù)）操作系統(tǒng)層嵌入式操作系統(tǒng)（EOS）標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核（API）封裝資源——時(shí)鐘、定時(shí)器、中斷、DMA、I/O簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)、提高軟件系統(tǒng)可靠性文件子系統(tǒng)圖形子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)其它通用模塊CAN、藍(lán)牙、Zigbee、Modbus、LIN協(xié)議棧151.3嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（續(xù)）應(yīng)用層與應(yīng)用密切相關(guān)面向目標(biāo)和用戶完成特定的功能例如星載遙感圖像處理系統(tǒng)星載合成孔徑雷達(dá)機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)16171.4嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)嵌入專用嵌入式處理器與通用處理器的最大不同就是嵌入式處理器嵌入在針對(duì)特定應(yīng)用設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中綜合性強(qiáng)嵌入式系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、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、知識(shí)高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)高效可裁剪——嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余181.4嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)（續(xù)）程序固化軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或處理器本身中，這樣提高了系統(tǒng)的執(zhí)行速度和可靠性需要獨(dú)立的開發(fā)系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)生命周期長嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用結(jié)合在一起，其升級(jí)換代一般與具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，因此具有較長的生命周期可靠性高、成本低、資源受限、功耗低等等191.4嵌入式系統(tǒng)分類?按應(yīng)用領(lǐng)域–信息家電、移動(dòng)終端、通信產(chǎn)品、汽車電子、工業(yè)控制?按嵌入式微處理器的位數(shù)–4位～64位?按實(shí)時(shí)性能–實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)硬實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)（工業(yè)和軍工系統(tǒng)）軟實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)（消費(fèi)類產(chǎn)品）–非實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)（PDA）201.5嵌入式系統(tǒng)的歷史30年歷程，主要經(jīng)歷了4個(gè)階段。第1階段是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)。應(yīng)用于專業(yè)性強(qiáng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，一般沒有操作系統(tǒng)的支持，通過匯編語言編程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直接控制。特點(diǎn)是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)單一，處理效率較低，存儲(chǔ)容量較小，幾乎沒有用戶接口。由于這種嵌入式系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單、價(jià)格低，因此以前在國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍，但是現(xiàn)在已經(jīng)遠(yuǎn)不能適應(yīng)高效的、需要大容量存儲(chǔ)的現(xiàn)代工業(yè)控制和新興信息家電等領(lǐng)域的需求。第2階段是以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、以簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。特點(diǎn)是：CPU種類繁多，通用性比較弱；系統(tǒng)開銷小，效率高；操作系統(tǒng)達(dá)到一定的兼容性和擴(kuò)展性；應(yīng)用軟件較專業(yè)化，用戶界面不夠友好。211.5嵌入式系統(tǒng)的歷史（續(xù)）第3階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。主要特點(diǎn)是：嵌入式操作系統(tǒng)能運(yùn)行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好；操作系統(tǒng)內(nèi)核小、效率高，并且具有高度的模塊化和擴(kuò)展性；具備文件和目錄管理、支持多任務(wù)、支持網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、具備圖形窗口和用戶界面；具有大量的應(yīng)用程序接口API，開發(fā)應(yīng)用程序較簡(jiǎn)單；嵌入式應(yīng)用軟件豐富。第4階段是以Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。這是一個(gè)正在迅速發(fā)展的階段。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于Internet之外，但隨著Internet的發(fā)展以及Internet技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)結(jié)合日益密切，嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合將代表嵌入式系統(tǒng)的未來。221.5嵌入式系統(tǒng)的未來產(chǎn)品市場(chǎng)窗口現(xiàn)在預(yù)計(jì)翻番的周期狂熱到6～9個(gè)月。全球重新定義市場(chǎng)的機(jī)會(huì)和膨脹的應(yīng)用空間?；ヂ?lián)現(xiàn)在是一個(gè)需求而不是輔助性的，包括有線和無線技術(shù)。基于電子的產(chǎn)品更復(fù)雜化。互聯(lián)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生新的依賴網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用。微處理器的處理能力按莫爾定律（Moore’sLaw）預(yù)計(jì)的速度在增加。該定律認(rèn)為集成電路和晶體管個(gè)數(shù)每18個(gè)月翻一番。23軟硬件系統(tǒng)整合SOC設(shè)計(jì)體積小、散熱好、能耗低、可靠性高應(yīng)用程序開發(fā)內(nèi)容服務(wù)241.6嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用粗略分為兩大類：電子系統(tǒng)的智能化(工業(yè)控制、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、家用電器、汽車電子、測(cè)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集等)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的延伸(MP3、手機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備等)硬件主要有MCU的硬件最小系統(tǒng)、輸入／輸出外圍電路、人機(jī)接口設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)有固化軟件的設(shè)計(jì)，也可能含PC機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。行業(yè)知識(shí)需要通過協(xié)作、交流與總結(jié)獲得。2526①硬件最小系統(tǒng)(電源、晶振、復(fù)位、寫入調(diào)試接口)；②通用I／O(開關(guān)量輸入／輸出，涉及各種二值量檢測(cè)與控制)③模／數(shù)轉(zhuǎn)換(各種傳感器信號(hào)的采集與處理，如紅外、溫度、光敏、超聲波、方向等)；④數(shù)／模轉(zhuǎn)換(對(duì)模擬量設(shè)備利用數(shù)字進(jìn)行控制)}⑤通信(串行通信接口SCI、串行外設(shè)接口SPI、集成電路互聯(lián)總線12C、CAN、USB、嵌入式以太網(wǎng)、ZigBee技術(shù)等)；⑥顯示(LED、LCD等)；⑦控制(控制各種設(shè)備，包括PWM等控制技術(shù))，⑧數(shù)據(jù)處理(圖形、圖像、語音、視頻等的處理或識(shí)別)；⑨各種具體應(yīng)用。1.6嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軍事應(yīng)用航空航天工業(yè)控制機(jī)器人儀器儀表辦公設(shè)備家用電器消費(fèi)電子…………機(jī)載合成孔徑雷達(dá)2728坦克自行加榴炮步兵戰(zhàn)車29戰(zhàn)斗機(jī)防空導(dǎo)彈轟炸機(jī)30神舟六號(hào)31火星一無所有的荒漠“索杰納”６輪探測(cè)車“火星探路者”飛船32工業(yè)控制33機(jī)械腳示教34合成孔徑雷達(dá)實(shí)時(shí)成像多處理器波束成形XOUT=w*XIN目標(biāo)檢測(cè)XOUT=|XIN|>c濾波XOUT=FIR(XIN)映射35嵌入式系統(tǒng)示例——汽車控制系統(tǒng)36馬達(dá)控制器車燈嵌入式系統(tǒng)示例——汽車控制系統(tǒng)尾燈控制系統(tǒng)后車門控制系統(tǒng)前車門控制系統(tǒng)座椅控制系統(tǒng)發(fā)動(dòng)器控制系統(tǒng)所有的控制系統(tǒng)都是一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)371.7嵌入式軟件產(chǎn)業(yè)鏈互動(dòng)3839計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)40普適計(jì)算(ubiquitouscomputing)由MarkWeiser(1952-1999，Xerox)在1988年提出–Anintegrationofhumanfactors,computerscience,engineering,andsocialsciences?IBM在1999年創(chuàng)造了一個(gè)名詞，即“pervasivecomputing（普及計(jì)算）”–AnyContent–AnyPlace–AnyDevice–AnyTime412.1嵌入式處理器特點(diǎn)2.2嵌入式處理器分類2.3嵌入式微處理器（EMPU）2.4嵌入式微控制器（MCU）2.5數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）2.6嵌入式片上系統(tǒng)（SOC）二、嵌入式處理器42早期的嵌入式系統(tǒng)通常使用普通個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）中的通用處理器。近年來，隨著大量先進(jìn)的微處理器制造技術(shù)的發(fā)展，越來越多的嵌入式系統(tǒng)用嵌入式處理器建造，而不是用通用目的的處理器。這些嵌入式處理器可以大致分為以下幾類：注重嵌入式處理器的尺寸、能耗和價(jià)格。應(yīng)用于PDA等不注重計(jì)算的設(shè)備；注重嵌入式處理器的性能。應(yīng)用于路由器等計(jì)算密集型的設(shè)備；注重嵌入式處理器的性能、尺寸、能耗和價(jià)格。應(yīng)用于蜂窩電話等設(shè)備；43種類繁多、千花齊放據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個(gè)系列兩大主流體系結(jié)構(gòu)低檔8051（8位）體系結(jié)構(gòu)高檔ARM（32位）體系結(jié)構(gòu)嵌入式處理器的一些基本情況處理速度：0.1MIPS~2000MIPS尋址空間：64KB~256MB常用封裝：8個(gè)引腳~300個(gè)引腳

442.1嵌入式處理器的特點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)低檔處理器多采用哈佛結(jié)構(gòu)即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和程序存儲(chǔ)空間分離較大的程序存儲(chǔ)器（用于固化已調(diào)試好的控制程序）較小的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（用于存放少量的隨機(jī)數(shù)據(jù)——高速）高檔處理器多采用馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)典型的微型計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)采用的是馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)——也叫普林斯頓結(jié)構(gòu)452.1嵌入式處理器的特點(diǎn)（續(xù)）品種規(guī)格系列化同一產(chǎn)品系列不同型號(hào)處理器具有相同CPU內(nèi)核，相同或兼容指令系統(tǒng)I/O接口功能部件配置不一樣，形成不同型號(hào)處理器對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)的支持實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制、通信多任務(wù)有效的調(diào)度462.1嵌入式處理器的特點(diǎn)（續(xù)）可靠性高、功耗低、集成度高、性價(jià)比高可靠性高：冗余設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)功耗低：工作電壓1.2/1.8/2.5/3.3V，工作電流1mA（1μA）集成度高：SoC設(shè)計(jì)，高度集成價(jià)格低：以32位ARM系列芯片為例三星：44b0x（ARM7）——30元，2410（ARM9）——80元TI：Stellaris（ARMCortex-M3）系列32位微控制器——零售價(jià)格最低至11.5元

472.2嵌入式處理器分類嵌入式處理器可以分為以下幾大類：嵌入式微處理器；嵌入式微控制器；嵌入式DSP處理器；嵌入式片上系統(tǒng)（SOC）。482.3嵌入式微處理器嵌入式微處理器的基礎(chǔ)就是通用CPU為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器在功能上和通用微處理器基本一樣，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性、功耗等方面做了各種增強(qiáng)嵌入式計(jì)算機(jī)嵌入式微處理器+芯片組（總線仲裁器+中斷控制器+DMA控制器+存儲(chǔ)控制器+I/O接口）+外接存儲(chǔ)器嵌入式微處理器一般與存儲(chǔ)器、接口電路等安裝在一塊電路板上，稱為單板機(jī)，如PC/104、Biscuit板等典型芯片（32、64位）386EX、486EX、奔騰、PowerPC、68k、ARM性能：100～2000MIPS存儲(chǔ)器：SDRAM-2~256MB，F(xiàn)lash-1~128MB一般有操作系統(tǒng)：Vxworks、WINCE(2MB)、uCLinux(300KB)，EmbeddedLinux49嵌入式微處理器（續(xù)）PowerPC特點(diǎn)——可伸縮性好，方便靈活品種很多，有通用處理器、嵌入式處理器和CPU核通用處理器——主要型號(hào)是PowerPC750系列，主頻最高為700MHz嵌入式處理器——有PowerPC405（主頻最高為266MHz）和PowerPC440（主頻最高為550MHz）CPU核——用于各種集成的系統(tǒng)芯片（System-On-Chip，SOC）設(shè)備上生產(chǎn)公司：Freescale(IBM)、Motorola50嵌入式微處理器（續(xù)）PC/104、PC/104+單板機(jī)規(guī)范1996年6月公布了PC/104規(guī)范3.2版特點(diǎn)PC/104總線采用96mmx90mm的小板結(jié)構(gòu)低功耗，1~5瓦每模塊

，支持32位PCI連接緊湊加固性設(shè)計(jì)的PC/104工控機(jī)在軍工產(chǎn)品中得到采用，如火箭、導(dǎo)彈和戰(zhàn)斗機(jī)等PC/104總線工控機(jī)主流產(chǎn)品是486EX和586EX

51PC/104插槽功耗小于4.5瓦52摘自周立功網(wǎng)站53嵌入式微處理器（續(xù)）BiscuitPC單板機(jī)特點(diǎn)一體化計(jì)算機(jī)低成本形狀像餅干，俗稱餅干計(jì)算機(jī)分類迷你BiscuitPC（2.5”120x82mm）半尺寸BiscuitPC（3.5”145x102mm）全尺寸BiscuitPC（5.25“203x146mm）54迷你BiscuitPC（2.5”120x82mm）55半尺寸BiscuitPC（3.5”145x102mm）56全尺寸BiscuitPC（5.25“203x146mm）57Mini-ITX結(jié)構(gòu)170×170mmKINOAtom工業(yè)主板582.4微控制器微控制器又稱單片機(jī)顧名思義，就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)集成到一塊芯片中低檔微控制器CPU存儲(chǔ)控制器+片內(nèi)存儲(chǔ)器（ROM/E2PROM/Flash、SRAM）中斷控制器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、WatchDog、GPIO、UART、PWM、A/D、D/A等典型芯片8051系列（8位）、MSP430（16位）性能：1～100MIPS存儲(chǔ)器：SRAM-256B/2～128KB,Flash-8KB/64/512KB一般無操作系統(tǒng)或者簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)：uC/OS-II(幾KB～十幾KB)、FreeRTOS(幾KB)、RTX(幾KB)59微控制器（續(xù)）高檔微控制器CPU+總線仲裁器+DMA控制器+中斷控制器+I/O接口+存儲(chǔ)控制器+外接存儲(chǔ)器/少量片內(nèi)存儲(chǔ)器（Flash、SRAM、SDRAM）典型芯片（32位）ARM、MIPS

、PowerPC、68k與嵌入式微處理器比較微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高，但性能有所降低目前微控制器是嵌入式系統(tǒng)工業(yè)中的主流，在嵌入式系統(tǒng)占有約70％的市場(chǎng)份額性能：100～1000MIPS存儲(chǔ)器：SDRAM-4/8/16/32/64MB,Flash-2/4MB一般有操作系統(tǒng)：Vxworks、uCOSII、WINCE、uCLinux608位單片機(jī)示意圖CPUSRAMGPIOUARTFlash定時(shí)/計(jì)數(shù)器A/DD/ACANWatchdog核心部分USBI2CSPI6132位微控制器示意圖62Motorola3G手機(jī)E100063微控制器（續(xù)）MIPSMicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStagesMIPS公司于80年代初開始設(shè)計(jì)通用RISC處理器R2000（1986年），R3000（1988年），1991年推出第一款64位商用微處理器R4000R8000（1994年）、R10000（1996年）、R12000（1997年）新32位微控制器4kc（1999年）新64位微控制器5kc（1999年）、20kc（2000年）64微控制器（續(xù)）

652.5數(shù)字信號(hào)處理器特殊設(shè)計(jì)高效乘累加運(yùn)算、超標(biāo)量操作、指令流水線高效數(shù)據(jù)存取、硬件重復(fù)循環(huán)確定性操作（程序執(zhí)行時(shí)間可預(yù)測(cè)）應(yīng)用場(chǎng)合數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等方面代表性的產(chǎn)品TI的TMS320系列ADI的21xx系列Motorola的DSP56000系列66TI的TMS320系列C2000低成本系列16/32位，定點(diǎn)，最高150MIPS最低價(jià)格低于2.00美元應(yīng)用數(shù)字電機(jī)控制、數(shù)字電源和智能傳感器C6000高性能系列C62xx/C64xx系列——32位，定點(diǎn)C67xx系列——32位，浮點(diǎn)運(yùn)行頻率高達(dá)

1GHz應(yīng)用領(lǐng)域包括無線、數(shù)字視頻、電信和成像67TI的TMS320系列（續(xù)）C5000低功耗系列16位，定點(diǎn)性能高達(dá)900MIPS超低功耗，低至0.5mW/MHz適用于個(gè)人和便攜式產(chǎn)品，如數(shù)字音樂播放器、VoIP、GPS接收器和便攜式醫(yī)療設(shè)備OMAP多核系列與ARM核集成一拖二、四682.6嵌入式片上系統(tǒng)(SOC)

隨著EDA(ElectronicDesignAutomation，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)的推廣和VLSI設(shè)計(jì)的普及化及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)的時(shí)代已來臨，這就是SystemOnChip(SOC)。各種通用處理器內(nèi)核將作為SOC設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為VLSI設(shè)計(jì)中一種標(biāo)準(zhǔn)的器件，用標(biāo)準(zhǔn)的VHDL等語言描述，存儲(chǔ)在器件庫中。用戶只需定義出其整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(shè)計(jì)圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除個(gè)別無法集成的器件以外，整個(gè)嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡(jiǎn)潔，對(duì)于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。通用和專用兩類。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SoC一般專用于某個(gè)或某類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。一個(gè)有代表性的產(chǎn)品是Philips的SmartXA，它將XA單片機(jī)內(nèi)核和支持超過2048位復(fù)雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個(gè)可加載JAVA或C語言的專用的SOC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如Internet安全方面。691.嵌入式系統(tǒng)2.嵌入式處理器3.嵌入式操作系統(tǒng)三、嵌入式操作系統(tǒng)703.1嵌入式操作系統(tǒng)概述

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成，在發(fā)展初期沒有操作系統(tǒng)這個(gè)概念，用戶使用監(jiān)控程序來使用計(jì)算機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件、軟件資源也愈來愈豐富，監(jiān)控程序已不能適應(yīng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的要求。于是在六十年代中期監(jiān)控程序又進(jìn)一步發(fā)展形成了操作系統(tǒng)(OperatingSystem)。發(fā)展到現(xiàn)在，廣泛使用的有三種操作系統(tǒng)即多道批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。713.1嵌入式操作系統(tǒng)概述（續(xù)）監(jiān)控程序操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)多道批處理操作系統(tǒng)

時(shí)間先后適用于多個(gè)用戶共享系統(tǒng)資源適用于計(jì)算中心等較大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)適用于嵌入式設(shè)備和有實(shí)時(shí)性要求的系統(tǒng)中723.1嵌入式操作系統(tǒng)概述（續(xù)）監(jiān)控程序操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)多道批處理操作系統(tǒng)

時(shí)間先后適用于多個(gè)用戶共享系統(tǒng)資源適用于計(jì)算中心等較大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)適用于嵌入式設(shè)備和有實(shí)時(shí)性要求的系統(tǒng)中實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是我們介紹的重點(diǎn)733.2實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)

IEEE的實(shí)時(shí)UNIX分委會(huì)認(rèn)為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)具備以下的幾點(diǎn):異步的事件響應(yīng)切換時(shí)間和中斷延遲時(shí)間確定優(yōu)先級(jí)中斷和調(diào)度搶占式調(diào)度內(nèi)存鎖定連續(xù)文件同步

總的來說實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是事件驅(qū)動(dòng)的，能對(duì)來自外界的作用和信號(hào)在限定的時(shí)間范圍內(nèi)作出響應(yīng)。它強(qiáng)調(diào)的是實(shí)時(shí)性、可靠性和靈活性,與實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件相結(jié)合成為有機(jī)的整體起著核心作用,由它來管理和協(xié)調(diào)各項(xiàng)工作,為應(yīng)用軟件提供良好的運(yùn)行軟件環(huán)境及開發(fā)環(huán)境。從實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)來看實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以分為兩種：一般實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

一般實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的上位機(jī)和實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)等實(shí)時(shí)性較弱的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，并且提供了開發(fā)、調(diào)試、運(yùn)用一致的環(huán)境。

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求高的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，而且應(yīng)用程序的開發(fā)過程是通過交叉開發(fā)來完成的，即開發(fā)環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境是不一致。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有規(guī)模小(一般在幾K～幾十K內(nèi))、可固化使用實(shí)時(shí)性強(qiáng)(在毫秒或微秒數(shù)量級(jí)上)的特點(diǎn)

。743.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念基本概念

對(duì)基于芯片的開發(fā)來說，應(yīng)用程序一般是一個(gè)無限的循環(huán)，可稱為前后臺(tái)系統(tǒng)或超循環(huán)系統(tǒng)。很多基于微處理器的產(chǎn)品采用前后臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，例如微波爐、電話機(jī)、玩具等。在另外一些基于微處理器應(yīng)用中，從省電的角度出發(fā)，平時(shí)微處理器處在停機(jī)狀態(tài)，所有事都靠中斷服務(wù)來完成?！昂笈_(tái)系統(tǒng)75基本概念

中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分可以看成前臺(tái)行為，前臺(tái)也叫中斷級(jí)。時(shí)間相關(guān)性很強(qiáng)的關(guān)鍵操作一定是靠中斷服務(wù)程序來保證的。

循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這部分可以看成后臺(tái)行為，后臺(tái)也可以叫做任務(wù)級(jí)。這種系統(tǒng)在處理的及時(shí)性上比實(shí)際可以做到的要差。ISRISRISRISR后臺(tái)前臺(tái)中斷服務(wù)程序時(shí)間——前后臺(tái)系統(tǒng)763.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念基本概念

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)中最基本的程序。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中全部軟硬資源的分配與回收、控制與協(xié)調(diào)等并發(fā)的活動(dòng)；操作系統(tǒng)提供用戶接口，使用戶獲得良好的工作環(huán)境；操作系統(tǒng)為用戶擴(kuò)展新的系統(tǒng)功能提供軟件平臺(tái)。——操作系統(tǒng)硬件硬件驅(qū)動(dòng)操作系統(tǒng)用戶程序773.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念基本概念

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是一段在嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)后首先執(zhí)行的背景程序，用戶的應(yīng)用程序是運(yùn)行于RTOS之上的各個(gè)任務(wù)，RTOS根據(jù)各個(gè)任務(wù)的要求，進(jìn)行資源(包括存儲(chǔ)器、外設(shè)等)管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度、異常處理等工作。在RTOS支持的系統(tǒng)中，每個(gè)任務(wù)均有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，RTOS根據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，動(dòng)態(tài)地切換各個(gè)任務(wù)，保證對(duì)實(shí)時(shí)性的要求?！獙?shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）783.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念基本概念

多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù)，或者說為每個(gè)任務(wù)分配CPU時(shí)間，并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通信。內(nèi)核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。使用實(shí)時(shí)內(nèi)核可以大大簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是因?yàn)閷?shí)時(shí)內(nèi)核允許將應(yīng)用分成若干個(gè)任務(wù)，由實(shí)時(shí)內(nèi)核來管理它們。內(nèi)核需要消耗一定的系統(tǒng)資源，比如2％～5％的CPU運(yùn)行時(shí)間、RAM和ROM等。內(nèi)核提供必不可少的系統(tǒng)服務(wù)，如信號(hào)量、消息隊(duì)列、延時(shí)等?！獌?nèi)核793.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念基本概念

調(diào)度是內(nèi)核的主要職責(zé)之一。調(diào)度就是決定該輪到哪個(gè)任務(wù)運(yùn)行了。多數(shù)實(shí)時(shí)內(nèi)核是基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度法的。每個(gè)任務(wù)根據(jù)其重要程序的不同被賦予一定的優(yōu)先級(jí)?；趦?yōu)先級(jí)的調(diào)度法指CPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)先運(yùn)行。然而究竟何時(shí)讓高優(yōu)先級(jí)任務(wù)掌握CPU的使用權(quán)，有兩種不同的情況，這要看用的是什么類型的內(nèi)核，是非占先式的還是占先式的內(nèi)核?！{(diào)度803.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念基本概念

非占先式內(nèi)核要求每個(gè)任務(wù)自我放棄CPU的所有權(quán)。非占先式調(diào)度法也稱作合作型多任務(wù)，各個(gè)任務(wù)彼此合作共享一個(gè)CPU。異步事件還是由中斷服務(wù)來處理。中斷服務(wù)可以使一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)由掛起狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。但中斷服務(wù)以后控制權(quán)還是回到原來被中斷了的那個(gè)任務(wù)，直到該任務(wù)主動(dòng)放棄CPU的使用權(quán)時(shí)，那個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)才能獲得CPU的使用權(quán)。——非占先式內(nèi)核813.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念基本概念

當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間很重要時(shí)，要使用占先式內(nèi)核。因此絕大多數(shù)商業(yè)上銷售的實(shí)時(shí)內(nèi)核都是占先式內(nèi)核。最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦就緒，總能得到CPU的控制權(quán)。當(dāng)一個(gè)運(yùn)行著的任務(wù)使一個(gè)比它優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)進(jìn)入了就緒狀態(tài)，當(dāng)前任務(wù)的CPU使用權(quán)就被剝奪了，或者說被掛起了，那個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)立刻得到了CPU的控制權(quán)。如果是中斷服務(wù)子程序使一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，中斷完成時(shí)，中斷了的任務(wù)被掛起，優(yōu)先級(jí)高的那個(gè)任務(wù)開始運(yùn)行?！枷仁絻?nèi)核823.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念基本概念

任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是表示任務(wù)被調(diào)度的優(yōu)先程度。每個(gè)任務(wù)都具有優(yōu)先級(jí)。任務(wù)越重要，賦予的優(yōu)先級(jí)應(yīng)越高，越容易被調(diào)度而進(jìn)入運(yùn)行態(tài)?！蝿?wù)優(yōu)先級(jí)833.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念基本概念

中斷是一種硬件機(jī)制，用于通知CPU有個(gè)異步事件發(fā)生了。中斷一旦被識(shí)別，CPU保存部分（或全部）上下文即部分或全部寄存器的值，跳轉(zhuǎn)到專門的子程序，稱為中斷服務(wù)子程序（ISR）。中斷服務(wù)子程序做事件處理，處理完成后，程序回到：1.在前后臺(tái)系統(tǒng)中，程序回到后臺(tái)程序；2.對(duì)非占先式內(nèi)核而言，程序回到被中斷了的任務(wù)；3.對(duì)占先式內(nèi)核而言，讓進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)開始運(yùn)行?！袛?4前后臺(tái)系統(tǒng)3.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念基本概念——中斷ISR任務(wù)ISR非占先操作系統(tǒng)任務(wù)A任務(wù)B任務(wù)CISR占先操作系統(tǒng)任務(wù)A任務(wù)B任務(wù)C853.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念基本概念

時(shí)鐘節(jié)拍是特定的周期性中斷。這個(gè)中斷可以看作是系統(tǒng)心臟的脈動(dòng)。中斷之間的時(shí)間間隔取決于不同應(yīng)用，一般在10ms到200ms之間。時(shí)鐘的節(jié)拍式中斷使得內(nèi)核可以將任務(wù)延時(shí)若干個(gè)整數(shù)時(shí)鐘節(jié)拍，以及當(dāng)任務(wù)等待事件發(fā)生時(shí)，提供等待超時(shí)的依據(jù)。時(shí)鐘節(jié)拍率越快，系統(tǒng)的額外開銷就越大?！獣r(shí)鐘節(jié)拍863.4嵌入式操作系統(tǒng)使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的必要性

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應(yīng)用中用得越來越廣泛，尤其在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐大的應(yīng)用中顯得愈來愈重要。在嵌入式應(yīng)用中，只有把CPU嵌入到系統(tǒng)中，同時(shí)又把操作系統(tǒng)嵌入進(jìn)去，才是真正的計(jì)算機(jī)嵌入式應(yīng)用。使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)因素：嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性。提高了開發(fā)效率