嵌入式系統(tǒng)設計-李秀娟-課件-第1章

1嵌入式系統(tǒng)設計2第1章嵌入式系統(tǒng)基礎你所要知道的嵌入式系統(tǒng)，就在你的身邊，就在你的手頭本章內(nèi)容31.1嵌入式系統(tǒng)簡介11.2嵌入式系統(tǒng)的歷史與發(fā)展21.3嵌入式操作系統(tǒng)31.4嵌入式操作系統(tǒng)的選型原則44本章主要內(nèi)容主要內(nèi)容：什么是嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的組成與特點嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史與應用領域常見的幾種典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹如何進行嵌入式系統(tǒng)選型的?；疽螅赫J識、理解嵌入式系統(tǒng)無處不在的特點，初步掌握嵌入式系統(tǒng)的組成結構，激發(fā)學習嵌入式系統(tǒng)的興趣。本章主要內(nèi)容51.1嵌入式系統(tǒng)簡介什么是嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)的分類嵌入式系統(tǒng)與PC機的區(qū)別1.1嵌入式系統(tǒng)簡介61.1.1什么是嵌入式系統(tǒng)（1）廣義上對嵌入式系統(tǒng)的定義：凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可以稱為嵌入式系統(tǒng)。（2）根據(jù)IEEE(國際電氣電子工程師協(xié)會)對嵌入式系統(tǒng)的定義：“用于控制、監(jiān)視或者輔助設備、機器或甚至工廠操作的裝置”（原文為：DevicesUsedtoControl,MonitororAssisttheOperationofEquipment,MachineryorPlants）。（3）國內(nèi)普遍認同的嵌入式系統(tǒng)的定義：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適合于應用系統(tǒng)對其功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。（4）應用上對嵌入式系統(tǒng)通俗的定義：嵌入式系統(tǒng)是一種專用于某個應用或者產(chǎn)品的基于計算機的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以結合處理器的系統(tǒng)電路和專屬軟件，成為一個獨立的系統(tǒng)或者更大的系統(tǒng)的一部分。71.1.2嵌入式系統(tǒng)的組成從宏觀上講，嵌入式系統(tǒng)也是由硬件結構和軟件結構組成。硬件結構包括核心處理器、定時器、存儲器等一系列微電子芯片與器件，軟件結構是由嵌入在存儲器中的嵌入式操作系統(tǒng)（EmbeddedOperatingSystem，簡稱EOS）和控制應用軟件組成。從應用上講，嵌入式系統(tǒng)是硬件和軟件結構相結合的綜合體，共同實現(xiàn)諸如實時控制、監(jiān)視、管理、移動計算、數(shù)據(jù)處理等各種自動處理任務。簡言之，嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應用軟件系統(tǒng)等組成，它是可獨立工作的“器件”。1.1.2嵌入式系統(tǒng)的組成8嵌入式系統(tǒng)的組成結構9嵌入式系統(tǒng)硬件結構嵌入式系統(tǒng)硬件結構的核心是嵌入式處理器，其作用是控制、輔助系統(tǒng)運行的硬件單元。嵌入式處理器分為：嵌入式微處理器(MicroProcessorUnit，MPU)嵌入式微控制器(Micro

ControllerUnit，

MCU)嵌入式DSP(DigitalSignalProcessor)嵌入式片上系統(tǒng)（SystemOnChip，SOC）10嵌入式處理器分類11（1）嵌入式微處理器（MPU）相同點：MPU的作用與通用計算機中的CPU類似不同點：在具體應用時只保留了與嵌入式應用緊密相關的功能硬件，去除了冗余功能在實際應用中，MPU裝配在專門設計的電路板上俗稱“核心板”優(yōu)點體積小、重量輕、成本低、可靠性高流行類型有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等。12（2）嵌入式微控制器（MCU）MCU俗稱單片機，是將微處理器、存儲器(少量的RAM，

ROM或兩者都有)和其它外設封裝在同一片集成電路內(nèi)MCU的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。有代表性微控制器有MCS-8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167系列以及

MCU8XC930/931、C540、C541系列，還有支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。13（3）嵌入式DSPDSP是專門用于信號處理方面的嵌入式處理器DSP特點是對離散時間信號進行極快地處理與計算，提高了編譯效率和執(zhí)行速度。DSP已經(jīng)在數(shù)字濾波、FFT、譜分析、圖像處理等領域發(fā)揮著巨大作用。廣泛應用的是TI公司的TMS320C2000/C5000／C6000系列，Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應用對象。14（4）嵌入式片上系統(tǒng)（SOC）SOC指的是在單個芯片上集成嵌入式處理器內(nèi)核、存儲器以及外圍電路等構成一個完整的嵌入式系統(tǒng)，包含了嵌入式軟件的全部內(nèi)容。SOC最大特點是直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊，成功實現(xiàn)了軟硬件無縫結合，系統(tǒng)特別簡潔。SOC芯片在聲音、圖像、影視、網(wǎng)絡及系統(tǒng)邏輯等應用領域中的作用巨大典型的SOC產(chǎn)品是Philips的SmartXA，Siemens的TriCore，Motorola的M-Core等。15嵌入式處理器小結硬件可裁減特性，方便擴展處理器結構，軟件固化特性，具有很強的存儲區(qū)保護功能，避免了在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤，同時也有利于軟件診斷；支持實時和多任務能力，較短的中斷響應時間，內(nèi)部代碼運行時間和實時操作系統(tǒng)的執(zhí)行時間可減少到最低限度；低功耗，功耗能達到mW級。16ARM簡介ARM（AdvancedRISCMachines）是嵌入式系統(tǒng)業(yè)界著名品牌和技術。專門從事基于RISC技術芯片設計開發(fā)的公司名字，該公司主要出售芯片設計技術的授權。在全世界有幾十家大的半導體公司都使用ARM公司的授權，也代表了嵌入式處理技術。ARM技術獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，使整個系統(tǒng)成本降低，產(chǎn)品更容易進入市場被消費者所接受，具有競爭力。ARM微處理器約占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場份額。ARM微處理器已遍及消費類電子產(chǎn)品、工業(yè)控制、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場。17嵌入式系統(tǒng)軟件結構嵌入式操作系統(tǒng)和應用軟件。嵌入式操作系統(tǒng)不僅起到管理協(xié)調(diào)嵌入式處理器、存儲器、電源等硬件資源的作用，還為應用軟件提供統(tǒng)一服務。嵌入式應用軟件則是根據(jù)對象設備或產(chǎn)品編制出來的解決具體任務的專用代碼，由用戶直接開發(fā)或提出開發(fā)要求。嵌入式系統(tǒng)上的應用軟件通常是暫時不變的，所以常稱為“固件”。181.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入性。是指在某個對象體系中嵌入了計算機系統(tǒng)內(nèi)核。

專用性。是指嵌入式系統(tǒng)只是被用于解決一項或者幾項特殊任務，每個嵌入式系統(tǒng)都面向一個特定應用?？刹眉粜?。是軟硬件設計高效、可裁減的完整的計算機體系結構。集成性。是各種先進技術和各行業(yè)具體應用相結合的產(chǎn)物。精簡性。系統(tǒng)內(nèi)核小，沒有明顯的系統(tǒng)軟件與應用軟件區(qū)分。交叉編譯。不具備自舉開發(fā)能力，需要開發(fā)工具和環(huán)境支持。開發(fā)過程中利用宿主機和目標機思想。生命周期長。嵌入式系統(tǒng)與具體應用有機結合在一起，產(chǎn)品升級換代也是同步進行。1.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點191.1.4嵌入式系統(tǒng)的分類根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的規(guī)模和復雜度將嵌入式系統(tǒng)分為小型嵌入式系統(tǒng)、中型嵌入式系統(tǒng)和復雜嵌入式系統(tǒng)。小型嵌入式系統(tǒng)一般采用8位或者16位微控制器設計，硬件與軟件復雜度很小，需要進行板級設計，可以電池驅動。軟件開發(fā)時可以使用控制器自帶專用編輯器、匯編器和交叉匯編器。像各類智能IC卡、醫(yī)用電子器械、鼠標、打印機控制器、工業(yè)溫度記錄儀等。1.1.4嵌入式系統(tǒng)的分類201.1.4嵌入式系統(tǒng)的分類中型嵌入式系統(tǒng)是采用一個16位或者32位的微控制器、微處理器ARM或者DSP設計，硬件與軟件復雜度都比較大，硬件擴充了總線接口、網(wǎng)絡接口，以解決硬件復雜性的問題。對于軟件開發(fā)如物理和虛擬設備驅動程序、任務調(diào)度優(yōu)化、中斷處理機制等程序，可以使用專用的編程工具如C語言、RTOS、源代碼設計工具、調(diào)試器和集成開發(fā)環(huán)境(ODE)和軟件調(diào)試工具。像計算機互聯(lián)網(wǎng)上的各種路由器、交換機、中繼器，圖像處理、模式識別機，手持設備PAD，上網(wǎng)筆記本、銀行系統(tǒng)的ATM機等。211.1.4嵌入式系統(tǒng)的分類復雜嵌入式系統(tǒng)的軟件與硬件都非常復雜，采用可升級的處理器或者片上系統(tǒng)SOC和可編程邏輯陣列FPGA，需要硬件和軟件協(xié)同設計?？绍浖不缂用芎徒饷芩惴ā㈦x散余弦變換和逆變換算法，TCP/IP協(xié)議棧和網(wǎng)絡驅動程序功能；也可將某些硬件資源的功能用軟件實現(xiàn)。除了必要的編程工具如C語言、RTOS和其他編程工具等外，這樣的系統(tǒng)還需要十分昂貴開發(fā)工具，甚至還必須為這些系統(tǒng)開發(fā)專門的編譯器。像實時視頻嵌入式系統(tǒng)、高速網(wǎng)絡接口、無線LAN設備、太空救生艙等。221.1.5嵌入式系統(tǒng)與PC機的區(qū)別最根本的區(qū)別是嵌入式系統(tǒng)是專用系統(tǒng)，而PC機是公共平臺。在系統(tǒng)資源方面，嵌入式系統(tǒng)資源緊缺，沒有編譯器等相關開發(fā)工具；而PC機系統(tǒng)資源充足，有豐富的編譯器、集成開發(fā)環(huán)境、調(diào)試器等。在組成結構上，嵌入式系統(tǒng)是面向特定應用的處理器，總線和外設一般集成在處理器內(nèi)部，軟硬件緊密結合；而PC機是通用處理器、標準總線和外設，軟硬件相對獨立。在軟件危機方面，嵌入式系統(tǒng)應用軟件一般不能重新編程開發(fā)，而PC機應用程序可以重新編程。嵌入式系統(tǒng)軟件故障導致的故障后果比PC大得多。1.1.5嵌入式系統(tǒng)與PC機的區(qū)別231.1.5嵌入式系統(tǒng)與PC機的區(qū)別在效率性能方面，嵌入式系統(tǒng)大都有成本、功耗和實時性要求，而PC機一般沒有實時性要求；在開發(fā)平臺與開發(fā)方式方面，嵌入式系統(tǒng)需要專用的開發(fā)工具，采用交叉編譯方式，開發(fā)平臺一般是通用計算機，運行平臺是嵌入式系統(tǒng)；而PC機開發(fā)平臺和運行平臺都是通用計算機。在外觀形式類型上，嵌入式系統(tǒng)是“看不見”的嵌入了計算智能的電子裝置或設備，且形式多樣、應用領域廣，以應用領域分類；而PC機是實實在在的計算機，按其體系結構、運算速度和規(guī)?？煞譃榇笮蜋C、中型機、小型機和微機。241.2嵌入式系統(tǒng)的歷史與發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的歷史嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1.2嵌入式系統(tǒng)的歷史與發(fā)展251.2.1嵌入式系統(tǒng)的歷史嵌入式系統(tǒng)誕生于微型機時代，可以追溯到20世紀七十年代單片機的產(chǎn)生時期；1976年Intel公司生產(chǎn)出了第一個單片機8048開始，Motorola公司同時推出了68HC05，Zilog公司也推出了Z80系列，嵌入式系統(tǒng)時期；到了80年代初，Intel成功研制了MCS-51單片機，開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展時代；90年代以后，隨著嵌入式系統(tǒng)實時性要求的提高和軟件規(guī)模的不斷上升，實時多任務操作系統(tǒng)（RTOS）逐步成為國際嵌入式系統(tǒng)的主流。1.2.1嵌入式系統(tǒng)的歷史261.2.2嵌入式系統(tǒng)的應用領域信息家電家庭智能管理系統(tǒng)POS網(wǎng)絡及電子商務工業(yè)控制交通管理環(huán)境工程與自然機器人1.2.2嵌入式系統(tǒng)的應用領域271.2.3嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢嵌入式系統(tǒng)智能化自然友好的人機界面規(guī)?；缧袠I(yè)協(xié)作進一步的網(wǎng)絡支持小尺寸、微功耗、低成本物聯(lián)網(wǎng)的應用1.2.3嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢28嵌入式系統(tǒng)應用的趨勢291.3嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式軟件系統(tǒng)是將所有程序，包括操作系統(tǒng)、驅動程序、應用程序等等的程序代碼全部都燒進一個RAM里，即固化。因此，有人把嵌入式軟件系統(tǒng)形象的比喻為庫(Library)函數(shù)，可以在系統(tǒng)執(zhí)行過程中直接調(diào)用，不能修改操作系統(tǒng)的作用301.3嵌入式操作系統(tǒng)Android系統(tǒng)中文俗稱安卓。Android操作系統(tǒng)的內(nèi)核屬于Linux內(nèi)核的一個分支，具有典型的Linux周期和功能，是半開源操作系統(tǒng)。

Google公司免費開源代碼。Android從高層到低四層架構體系：應用程序層。包含了許多應用程序。應用程序框架層。Android開發(fā)的基礎。系統(tǒng)運行庫層。系統(tǒng)庫、核心庫與Dalvik虛擬機。系統(tǒng)庫包含一些C/C++庫，通過

Android應用程序框架為開發(fā)者提供服務。Android運行時的核心庫是Android的一些核心API，Dalvik虛擬機被設計一個設備，每一個Android應用程序都擁有一個獨立的Dalvik虛擬機實例。linux核心層。Android是基于Linux2.6內(nèi)核，其核心系統(tǒng)服務如安全性、內(nèi)存管理、進程管理、網(wǎng)路協(xié)議以及驅動模型都依賴于Linux內(nèi)核。Android311.3嵌入式操作系統(tǒng)Linux是是自由和開放源碼的類Unix操作系統(tǒng)，用C語言寫成，目前存在著多種Linux版本都是基于Linux內(nèi)核。Linux內(nèi)核提供對多種處理器的支持，支持跨平臺，支持多用戶、多任務，是一個先進的操作系統(tǒng)。世界上運算最快的10臺超級計算機運行的都是Linux操作系統(tǒng)，Linux也可以安裝在各種嵌入式系統(tǒng)設備中。Linux321.3嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II是專門為嵌入式應用設計的實時操作系統(tǒng)。

μC/OS-II絕大部分的代碼是用C語言編寫的，包含一小部分匯編代碼，使之可供不同架構的微處理器使用。

μC/OS-II也是源碼公開，便于移植和維護。μC/OS-II331.3嵌入式操作系統(tǒng)WindowsCE是微軟公司嵌入式移動計算平臺的基礎，也是一個可定制，可裁剪的嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設備操作系統(tǒng)。WindowsCE不開源?；赪indowsCE構建的嵌入式系統(tǒng)大致可以分為四個層次，其中硬件層和OEM層由硬件OEM廠商提供，操作系統(tǒng)層由微軟公司提供，應用層由獨立軟件開發(fā)商提供。自底層向上依次是：硬件層OEM層操作系統(tǒng)層應用層341.3嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設計開發(fā)的一款嵌入式實時操作系統(tǒng)，是由400多個相對獨立、短小精悍的目標模塊組成，其核心模塊甚至可以微縮到8KB。

VxWorks具有可裁剪微內(nèi)核結構，高效的任務管理與通訊，支持多種物理介質及標準的、完整的TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議等。VxWorks操作系統(tǒng)本身以及開發(fā)環(huán)境都是專有的，價格一般都比較高。早期主要用于軍事領域。VxWorks351.3嵌入式操作系統(tǒng)PalmOS是一種32位的嵌入式操作系統(tǒng)，早期由U.S.Robotics研制的專門用于掌上電腦產(chǎn)品Palm的操作系統(tǒng)，后來IBM、Sony、Handspring等廠商取得授權，在各自旗下產(chǎn)品中使用。PalmOS運行要求內(nèi)存與處理器資源較小，速度也很快，但不支持多線程，長遠發(fā)展受到限制。PalmOS361.4嵌入式系統(tǒng)的選型原則嵌入式系統(tǒng)選型主要依據(jù)它們在硬件、操作系統(tǒng)、應用軟件及適用場合等方面進