嵌入式系統(tǒng)基本概念

嵌入式系統(tǒng)基本概念第一頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日

嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分。

硬件:微處理器、存儲(chǔ)器及外圍設(shè)備器件和I／O端口、圖形控制器等。

軟件:嵌入式操作系統(tǒng)軟件（OS）（要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作）和應(yīng)用程序軟件。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作；而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。

2.嵌入式系統(tǒng)組成第二頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日（1）嵌入式微控制器嵌入式微控制器的典型代表是單片機(jī)，這種８位、16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(jī)芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash、RAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。第三頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日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。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。第四頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日（2）嵌入式DSP處理器

DSP處理器是專門用于信號(hào)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(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上，DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。

DSP的理論算法在70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專門的DSP處理器還未出現(xiàn)，所以這種理論算法只能通過MPU等由分立元件實(shí)現(xiàn)。1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。在語(yǔ)音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。DSP的運(yùn)算速度進(jìn)一步提高，應(yīng)用領(lǐng)域也從上述范圍擴(kuò)大到了通信和計(jì)算機(jī)方面。目前最為廣泛應(yīng)用的嵌入式DSP處理器是TI的TMS320C2000/C5000系列。第五頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日MPU是由通用計(jì)算機(jī)中的CPU演變而來的。與計(jì)算機(jī)處理器不同的是，在實(shí)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(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。（3）、嵌入式微處理器

（MicroProcessorUnit)第六頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。目前主要的嵌入式處理器類型有Am186/88、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等第七頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日SoC嵌入式系統(tǒng)微處理器是一種電路系統(tǒng)。它結(jié)合了許多功能區(qū)塊，將功能做在一個(gè)芯片上，如ARMRISC、MIPSRISC、DSP或是其他的微處理器核心，加上通信的接口單元，如通用串行端口（USB）、TCP/IP通信單元、GPRS通信接口、GSM通信接口、藍(lán)牙模塊接口等（這些單元以往都是依照各單元的功能做成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的處理芯片）。（4）嵌入式片上系統(tǒng)

(SystemOnChip)

第八頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日

SoC嵌入式系統(tǒng)微處理器所具有的其他優(yōu)點(diǎn)如下：利用改變內(nèi)部工作電壓，降低芯片功耗。減少芯片對(duì)外管腳數(shù)，簡(jiǎn)化制造過程。減少外圍驅(qū)動(dòng)接口單元及電路板之間的信號(hào)傳遞，可以加快微處理器數(shù)據(jù)處理的速度。內(nèi)嵌的線路可以避免外部電路板在信號(hào)傳遞時(shí)所造成系統(tǒng)雜訊。第九頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日嵌入式系統(tǒng)PC機(jī)嵌入式系統(tǒng)一般是專用系統(tǒng)，而PC是通用計(jì)算平臺(tái)嵌入式系統(tǒng)的資源比PC少得多嵌入式系統(tǒng)軟件故障帶來的后果比PC機(jī)大得多嵌入式系統(tǒng)一般采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)大都有成本、功耗的要求嵌入式系統(tǒng)得到多種微處理器體系的支持嵌入式系統(tǒng)需要專用的開發(fā)工具第十頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日嵌入式系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)目前嵌入式系統(tǒng)的主流是以32位嵌入式微處理器為核心的硬件設(shè)計(jì)和基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）的軟件設(shè)計(jì)；單片機(jī)系統(tǒng)多為4位、8位、16位機(jī)，不適合運(yùn)行操作系統(tǒng)，難以進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算及處理功能；嵌入式系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)基于平臺(tái)的設(shè)計(jì)、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，單片機(jī)大多采用軟硬件流水設(shè)計(jì)；嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是軟件設(shè)計(jì)（占70%左右的工作量），單片機(jī)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)所占比例基本相同。第十一頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日嵌入式系統(tǒng)的幾個(gè)重要特征(1)系統(tǒng)內(nèi)核小由于嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置的，系統(tǒng)資源相對(duì)有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。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。第十二頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日(2)專用性強(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。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。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。第十三頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日(3)系統(tǒng)精簡(jiǎn)嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(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。第十四頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日(4)高實(shí)時(shí)性O(shè)S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。第十五頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日(5)嵌入式軟件開發(fā)走向標(biāo)準(zhǔn)化嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運(yùn)行。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)以及和專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTOS（Real－TimeOperatingSystem）開發(fā)平臺(tái)，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，并減少開發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。第十六頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日(6)嵌入式系統(tǒng)需要專用開發(fā)工具和環(huán)境由于其本身不具備自主開發(fā)能力，即使設(shè)計(jì)完成以后，用戶通常也是不能對(duì)其中的程序功能進(jìn)行修改，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)。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。開發(fā)時(shí)往往有主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的概念，主機(jī)用于程序的開發(fā)，目標(biāo)機(jī)作為最后的執(zhí)行機(jī)，開發(fā)時(shí)需要交替結(jié)合進(jìn)行。第十七頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日§1.2嵌入式操作系統(tǒng)介紹嵌入式軟件的核心:嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS–realtimeoperationsystem)。嵌入式操作系統(tǒng)：支持嵌入式系統(tǒng)的工作的操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般具有實(shí)時(shí)特點(diǎn)，這里把嵌入式操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)不加區(qū)別對(duì)待。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的概念實(shí)時(shí)系統(tǒng)：系統(tǒng)的正確運(yùn)行要同時(shí)滿足特定的邏輯和時(shí)間關(guān)系。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS（realtimeoperationsystem)：是指能支持實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。第十八頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日硬實(shí)時(shí)(hard)與軟實(shí)時(shí)(soft)的概念硬實(shí)時(shí)：通過系統(tǒng)特定的時(shí)序得不到滿足，將會(huì)引起災(zāi)難性的后果。軟實(shí)時(shí)：通過系統(tǒng)特定的時(shí)序得不到滿足，系統(tǒng)的性能會(huì)嚴(yán)重下降。deadlinetime01HardSystemSoftSystem第十九頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日嵌入式操作系統(tǒng)的分類從嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用來分類，可以分為面向低端設(shè)備的嵌入式操作系統(tǒng)和面向高端設(shè)備的嵌入式操作系統(tǒng)。低端：各種工業(yè)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)外設(shè)、民用消費(fèi)品的微波爐、洗衣機(jī)、冰箱、ucos等高端：信息化家電、掌上電腦、機(jī)頂盒、WAP手機(jī)、路由器、VxWorks、QNX、wince、linux。第二十頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日從實(shí)時(shí)性的角度來分：具有強(qiáng)實(shí)時(shí)特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)：其系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在毫秒或微秒級(jí)（航空/航天控制裝配），如VxWORKS具有弱實(shí)時(shí)特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)：其系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在毫秒－幾秒的數(shù)量級(jí)上，其實(shí)時(shí)性的要求比強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)要差一些（電子菜譜的查詢）。沒有實(shí)時(shí)特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)。第二十一頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日常見的嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的種類繁多，大體上可分為兩種，商用型和免費(fèi)型。商用型的實(shí)操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，但往往價(jià)格昂貴。免費(fèi)型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在價(jià)格方面具有優(yōu)勢(shì)，目前主要有Linux和μC/OS，穩(wěn)定性與服務(wù)性存在挑戰(zhàn)。第二十二頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日VxWorksVxWorks操作系統(tǒng)是美國(guó)WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），具有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域牢牢占據(jù)著一席之地。VxWorks所具有的顯著特點(diǎn)是：

－可靠性、實(shí)時(shí)性和可裁減性。 －它支持多種處理器，如x86、i960、SunSparc、MotorolaMC68xxx、MIPS、POWERPC等等。大多數(shù)的VxWorksAPI是專有的，火星機(jī)器人。第二十三頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日WindowsEmbeddedWindowsCE3.0：一種針對(duì)小容量、移動(dòng)式、智能化、32位、連接設(shè)備的模塊化實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)。針對(duì)掌上設(shè)備、無(wú)線設(shè)備的動(dòng)態(tài)應(yīng)用程序和服務(wù)提供了一種功能豐富的操作系統(tǒng)平臺(tái)，WindowsCE嵌入但不夠?qū)崟r(shí)，屬于軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，由于其Windows背景，界面比較統(tǒng)一認(rèn)可。操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少200K的ROM。第二十四頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日PalmOSPalmOS是著名的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商3COM旗下的PalmComputing掌上電腦公司的產(chǎn)品。3COM、CISCO競(jìng)爭(zhēng)PalmOS在PDA市場(chǎng)上占有很大的市場(chǎng)份額，PalmOS的市場(chǎng)份額占到將近90%，最近下降70％，目前主要與WINCE進(jìn)行激烈競(jìng)爭(zhēng)。第二十五頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日

uC/OS

uC/OS是一個(gè)典型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。目前流行的是第二個(gè)版本,即:uC/OSII

。

該操作系統(tǒng)短小精悍，是研究和學(xué)習(xí)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的首選。

特點(diǎn):公開源代碼,代碼結(jié)構(gòu)清晰,注釋詳盡,組織有條理,可移植性好;可裁減,可固化等。第二十六頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日QNX

加拿大QNX公司的產(chǎn)品。

QNX是在X86體系上面開發(fā)出來的，這和別的RTOS不一樣，別的好多RTOS都是從68K的CPU上面開發(fā)成熟，然后再移植到X86體系上面來的。

QNX是一個(gè)實(shí)時(shí)的、可擴(kuò)充的操作系統(tǒng)，它部分遵循POSIX相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，由于QNX具有強(qiáng)大的圖形界面功能，因此很適合作為機(jī)頂盒、手持設(shè)備（手掌電腦、手機(jī)）、GPS設(shè)備的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使用。第二十七頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日嵌入式Linux嵌入式系統(tǒng)越來越追求數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。因此原來在某些設(shè)備或領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位的軟件系統(tǒng)越來越難以為繼，整個(gè)系統(tǒng)必須是開放的、提供標(biāo)準(zhǔn)的API，并且能夠方便地與眾多第三方的軟硬件溝通。Linux是開放源碼的，不存在黑箱技術(shù)，遍布全球的眾多Linux愛好者又是Linux開發(fā)的強(qiáng)大技術(shù)后盾。Linux的內(nèi)核小、功能強(qiáng)大、運(yùn)行穩(wěn)定、系統(tǒng)健壯、效率高，易于定制剪裁，在價(jià)格上極具競(jìng)爭(zhēng)力。Linux不僅支持x86CPU，還可以支持其他數(shù)十種CPU芯片。第二十八頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日

嵌入式Linux(EmbeddedLinux)是指對(duì)Linux經(jīng)過小型化裁剪后，能夠固化在容量只有幾百K字節(jié)或幾兆字節(jié)的存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)中，應(yīng)用于特定嵌入式場(chǎng)合的專用Linux操作系統(tǒng)。嵌入式Linux的開發(fā)和研究是目前操作系統(tǒng)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。主要有RTLinux和CLinux嵌入式Linux及應(yīng)用Linux優(yōu)點(diǎn)1.開放源代碼,豐富的軟件資源2.功能強(qiáng)大的內(nèi)核,性能高效、穩(wěn)定、多任務(wù)3.支持多種體系結(jié)構(gòu)4.完善的網(wǎng)絡(luò)通信、圖形和文件管理機(jī)制5.支持大量的硬件設(shè)備,驅(qū)動(dòng)豐富6.大小功能都可定制第二十九頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日

1.4嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境通用計(jì)算機(jī):可以直接安