嵌入式技術(shù)培訓(xùn)

嵌入式系統(tǒng)

2授課的主要內(nèi)容1、嵌入式系統(tǒng)的基本概念2、嵌入式DSP系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)（TMS320F28X）3、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)4、嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3第1章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)的定義

嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有了近40年的發(fā)展歷史，它是硬件和軟件交替雙螺旋式發(fā)展的。第一款微處理器是Intel的4004，它出現(xiàn)在1971年，然后是在80年代初，Intel又進(jìn)一步完善了8048，在它的基礎(chǔ)上研制成功了8051系列單片機(jī)。1981年發(fā)展了世界上第1個(gè)商業(yè)嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核（VTRX32），其內(nèi)部包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，包括任務(wù)管理、任務(wù)間通訊、同步與相互排斥、中斷支持、內(nèi)存管理等功能。隨后，出現(xiàn)了如VxWorks、WinCE，嵌入式Linux，uCOS，以及國(guó)內(nèi)的Hopen、DeltaOS等嵌入式操作系統(tǒng)。今天RTOS（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）已經(jīng)在全球形成了一個(gè)產(chǎn)業(yè)。4IEEE定義

什么是嵌入式系統(tǒng)：是將計(jì)算機(jī)硬件和軟件結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)專門的計(jì)算裝置，完成特定的功能和任務(wù)。它工作在一個(gè)與外界發(fā)生交互并受到時(shí)間約束的環(huán)境中，在沒(méi)有人工干預(yù)的情況下進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。由于被嵌入對(duì)象的體系結(jié)構(gòu)、應(yīng)用環(huán)境要求不同，因此嵌入式系統(tǒng)可分為有許多種類。

根據(jù)IEEE（國(guó)際電氣和電子工程師協(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devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。 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。

5一般定義

“以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁減，功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?！?/p>

嵌入式系統(tǒng)本身是一個(gè)相對(duì)模糊的定義。一個(gè)手持的MP3和一個(gè)PC104的微型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)都可以認(rèn)為是嵌入式系統(tǒng)?？傊度胧较到y(tǒng)是采用“量體裁衣”的方式把所需的功能嵌入到各種應(yīng)用系統(tǒng)中。61.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展趨勢(shì)

1.2.1嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也將獲得廣闊的發(fā)展空間。美國(guó)著名未來(lái)學(xué)家尼葛洛龐帝預(yù)言，嵌入式智能工具將是PC和Intel網(wǎng)之后最偉大的發(fā)明。硬件方面，不僅有各大公司的微處理器芯片，還有用于學(xué)習(xí)和研發(fā)的各種配套的軟件開(kāi)發(fā)包。目前底層系統(tǒng)和硬件平臺(tái)已經(jīng)相對(duì)比較成熟，實(shí)現(xiàn)各種功能的芯片應(yīng)有盡有。而且巨大的市場(chǎng)需求給我們提供了學(xué)習(xí)研發(fā)的資金和技術(shù)力量。

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軟件方面講，也有相當(dāng)多的成熟軟件系統(tǒng)。國(guó)外的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等產(chǎn)品。我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)軟件產(chǎn)品，如科銀京城(CoreTek)公司的開(kāi)發(fā)平臺(tái)DeltaSystem，中科院推出的Hopen嵌入式操作系統(tǒng)。讀者可以在網(wǎng)上找到各種各樣的免費(fèi)資源及各種驅(qū)動(dòng)程序源代碼。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下四個(gè)階段：無(wú)操作系統(tǒng)階段，如單片機(jī)。簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)，如PowerPC.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如DSP。面向Internet階段。81.2.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)控制、交通管理、信息家電、家庭智能管理系統(tǒng)、POS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和機(jī)器人。無(wú)線設(shè)備:無(wú)線設(shè)備（手機(jī)等）和PDA一類的無(wú)線設(shè)備中都采用了嵌入式技術(shù)。消費(fèi)電子:在數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)等應(yīng)用廣泛。汽車:包括駕駛、安全和車載娛樂(lè)等各種功能在內(nèi)的設(shè)備采用五、六個(gè)微處理器統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)。

嵌入式系統(tǒng)雖然是未來(lái)計(jì)算機(jī)科學(xué)的最要成員，但它并不能作為通用計(jì)算機(jī)的替代物。原因就是它的專用性。比如資源有限（存儲(chǔ)能力、運(yùn)算能力和I/O資源），沒(méi)有非常友好的人機(jī)交互界面等。

我們不僅擁有那種放在桌上處理文檔、進(jìn)行工作管理和生產(chǎn)控制的計(jì)算機(jī)“機(jī)器”，而且一個(gè)普通人也可能擁有從大到小的各種使用嵌入式技術(shù)的電子產(chǎn)品：MP3、PDA、手機(jī)、智能玩具等；電子病歷，數(shù)字血壓儀，無(wú)線收費(fèi)超市,物流，網(wǎng)絡(luò)家電等；智能車載電子設(shè)備，安全監(jiān)控、GPS、倒車?yán)走_(dá)等;在工業(yè)和服務(wù)領(lǐng)域中，大量嵌入式技術(shù)也已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)控制、數(shù)控機(jī)床、智能工具、工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人等各個(gè)行業(yè)，正在逐漸改變著傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和服務(wù)方式。10嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域示意圖嵌入式應(yīng)用信息家電智能玩具軍事電子通信設(shè)備移動(dòng)存貯工控設(shè)備智能儀表汽車電子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備消費(fèi)電子軍事國(guó)防電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制11goReaderInterneteBookSamsungAnyWebInternetScreenPhoneeRemoteIntelligentHomeControllerTektronixTDS7000DigitalOscilloscopesNixvueDigitalAlbumDigitalPhotoAlbum一些典型的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例12嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用家用方面：數(shù)字電視、信息家電、智能玩具、手持通訊、存儲(chǔ)設(shè)備的核心。13家庭智能管理系統(tǒng):社區(qū)建筑的水、電、煤氣表的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，安全防火、防盜系統(tǒng)，遠(yuǎn)程點(diǎn)菜器等。14社會(huì)發(fā)展方面：嵌入式Internet應(yīng)用15汽車電子:汽車電子產(chǎn)品（18個(gè)嵌入式控制模塊）——CAN總線網(wǎng)絡(luò)VOLVOS80汽車的CAN總線網(wǎng)絡(luò)微型飛行器---“黑寡婦”空中飛行器基于WinCE的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)基于RTLinux的仿人機(jī)器人

高48cm

重:6kg

靈活性：20DOF操作系統(tǒng):RT-Linux

接口形式:USB1.0(12Mbps)響應(yīng)周期:1ms

能源：DC24Vx6.2A(150W)制造：富士通基于VXworks的火星探路者2004年“勇氣號(hào)”再次登陸火星WayToInnovationWayToInnovationWayToInnovation24

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經(jīng)濟(jì)性計(jì)算機(jī)要很便宜，讓更多的人能買得起；

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小型化（筆記本、PDA）人們攜帶方便；

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可靠性（汽車VCD，跳動(dòng)問(wèn)題） 能夠在一般環(huán)境條件下或者是苛刻的環(huán)境條件下運(yùn)行；

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高速度（飛機(jī)剎車系統(tǒng)） 能夠迅速地完成數(shù)據(jù)計(jì)算或數(shù)據(jù)傳輸；

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智能性（知識(shí)推理、模糊查詢、識(shí)別、感知運(yùn)動(dòng)） 使人們用起來(lái)更習(xí)慣，對(duì)人們更有使價(jià)值。1.2.3嵌入式技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)嵌入式行業(yè)現(xiàn)在前景如何？目前全球嵌入式軟件市場(chǎng)的規(guī)模超過(guò)1000億美元，而且每年以超過(guò)30%的速度在增長(zhǎng)。在中國(guó)，嵌入式市場(chǎng)規(guī)模已超過(guò)500多億元，預(yù)計(jì)未來(lái)三年中國(guó)嵌入式軟件產(chǎn)業(yè)仍將有高達(dá)40%左右的年增長(zhǎng)率，而到2010年中國(guó)嵌入式軟件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1000億元。誘人的市場(chǎng)使得全球IT巨頭紛紛進(jìn)軍嵌入式市場(chǎng)，國(guó)家政策也對(duì)嵌入式軟件行業(yè)實(shí)行“增值稅優(yōu)惠”的政策傾斜。但調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，嵌入式開(kāi)發(fā)人才需求目前仍然是供不應(yīng)求，接近80%參與調(diào)查的工程師都表示，自己公司目前都急缺嵌入式開(kāi)發(fā)方面的人才。專業(yè)的嵌入式開(kāi)發(fā)人才已成為整個(gè)行業(yè)發(fā)展的一個(gè)瓶頸，如何培養(yǎng)適合企業(yè)需求的嵌入式開(kāi)發(fā)人才？如今嵌入式開(kāi)發(fā)人員的生存現(xiàn)狀到底如何？/content-869169.html26

（1）嵌入式應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)需要強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)工具和操作系統(tǒng)的支持

嵌入式開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，因此要求廠商不僅提供嵌入式軟硬件系統(tǒng)本身，同時(shí)還需要提供強(qiáng)大的硬件開(kāi)發(fā)工具和軟件包支持。為了滿足應(yīng)用功能的升級(jí)，設(shè)計(jì)師們一方面采用更強(qiáng)大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片或信號(hào)處理器DSP增強(qiáng)處理能力；同時(shí)還采用實(shí)時(shí)多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開(kāi)發(fā)工具技術(shù)來(lái)控制功能復(fù)雜性，簡(jiǎn)化應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、保障軟件質(zhì)量和縮短開(kāi)發(fā)周期。

目前，國(guó)外商品化的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，已進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)的有WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等產(chǎn)品。我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)軟件產(chǎn)品如科銀公司的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)DeltaSystem,此外，中科院也推出了Hopen嵌入式操作系統(tǒng)。

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（2）聯(lián)網(wǎng)成為必然趨勢(shì)

網(wǎng)絡(luò)化、信息化的要求隨著IntelNet技術(shù)的成熟、帶寬的提高而日益提高，使得以往單一功能的設(shè)備如電話、手機(jī)、冰箱、微波爐等功能不再單一，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，功能更強(qiáng)。為適應(yīng)嵌入式分布處理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上網(wǎng)需求，面向21世紀(jì)的嵌入式系統(tǒng)要求配備標(biāo)準(zhǔn)的一種或多種網(wǎng)絡(luò)通信接口。針對(duì)外部聯(lián)網(wǎng)要求，嵌入設(shè)備必需配有通信接口,相應(yīng)需要TCP/IP協(xié)議簇軟件支持；由于家用電器相互關(guān)聯(lián)(如防盜報(bào)警、燈光能源控制、影視設(shè)備和信息終端交換信息)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)儀器的協(xié)調(diào)工作等要求，新一代嵌入式設(shè)備還需具備IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同時(shí)也需要提供相應(yīng)的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動(dòng)軟件。為了支持應(yīng)用軟件的特定編程模式，如Web或無(wú)線Web編程模式，還需要相應(yīng)的瀏覽器，如HTML、WML等。28

（3）精簡(jiǎn)系統(tǒng)內(nèi)核、算法，設(shè)備實(shí)現(xiàn)小尺寸、微功耗和低成本

為滿足這種特性，要求嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)者相應(yīng)降低處理器的性能，限制內(nèi)存容量和復(fù)用接口芯片。這就相應(yīng)提高了對(duì)嵌入式軟件設(shè)計(jì)技術(shù)要求。如，選用最佳的編程模型和不斷改進(jìn)算法，采用Java編程模式，優(yōu)化編譯器性能。因此，既要軟件人員有豐富經(jīng)驗(yàn)，更需要發(fā)展先進(jìn)嵌入式軟件技術(shù)，如Java、Web和WAP等。

（4）提供精巧的多媒體人機(jī)界面

嵌入式設(shè)備之所以為億萬(wàn)用戶樂(lè)于接受，重要因素之一是它們與使用者之間的親和利，自然的人機(jī)交互界面，如司機(jī)操縱高度自動(dòng)化的汽車主要還是通過(guò)習(xí)慣的方向盤、腳踏板和操縱桿。人們與信息終端交互要求以GUI屏幕為中心的多媒體界面。手寫文字輸入、語(yǔ)音撥號(hào)上網(wǎng)、收發(fā)電子郵件以及彩色圖形、圖像已取得初步成效。目前一些先進(jìn)的PDA在顯示屏幕上已實(shí)現(xiàn)漢字寫入、短消息語(yǔ)音發(fā)布，但離掌式語(yǔ)言、同聲翻譯還有很大距離。301.3.1嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)是由嵌入式處理器、存儲(chǔ)器等硬件、嵌入式系統(tǒng)軟件和嵌入式應(yīng)用軟件所組成。處理器存儲(chǔ)器輸入輸出操作系統(tǒng)應(yīng)用程序軟件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)1.3嵌入式系統(tǒng)組成簡(jiǎn)介311.3.2嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的組成框架如下圖所示。1）嵌入式系統(tǒng)硬件系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)的硬件是以嵌入式處理器為核心，配置必要的外圍接口部件。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能選擇適用于系統(tǒng)功能接口的SoC/SOPC芯片，以最少的外圍部件構(gòu)成一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，滿足嵌入式系統(tǒng)的特殊要求。一般包括有：嵌入式處理器;存儲(chǔ)器;I/O系統(tǒng)和外設(shè)2）嵌入式系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)包括：操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具（1）硬件開(kāi)發(fā)工具包括：仿真器等；其它（示波器等）（2）軟件開(kāi)發(fā)工具包括：編譯、連接、定位軟件，通常使用C語(yǔ)言；調(diào)試軟件。321.3.3嵌入式系統(tǒng)的軟/硬件框架33

中間層它將系統(tǒng)軟件與底層硬件部分格里，使得系統(tǒng)的底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與硬件無(wú)關(guān)。具體包括硬件抽象層HAL和板極支持包BSP。

HAL是位于操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件電路之間的接口層。其目的是將硬件抽象化，既可以通過(guò)程序來(lái)控制所有硬件電路入CPU、I/O、存儲(chǔ)器等的操作，提高了系統(tǒng)的可移植性。HAL一般包含相關(guān)硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入輸出操作硬件設(shè)備的配置操作等功能。

BSP介于主板硬件和操作系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)程序之間，一般認(rèn)為它屬于操作系統(tǒng)的一部分，主要是先對(duì)操作系統(tǒng)的支持，為上層的驅(qū)動(dòng)程序提供訪問(wèn)硬件設(shè)備寄存器函數(shù)包，方便主板運(yùn)行。BSP一般實(shí)現(xiàn)1）系統(tǒng)啟動(dòng)是完成對(duì)硬件的初始化；2）為驅(qū)動(dòng)程序提供訪問(wèn)硬件的手段，即為上層的驅(qū)動(dòng)程序提供訪問(wèn)硬件設(shè)備寄存器的函數(shù)包。341.3.4嵌入式系統(tǒng)的重要特征（1）系統(tǒng)內(nèi)核小嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(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。這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。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。35（２）專用性強(qiáng)嵌入式CPU與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點(diǎn)，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于小型化，移動(dòng)能力大大增強(qiáng)，跟網(wǎng)絡(luò)的耦合也越來(lái)越緊密。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。

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一個(gè)嵌入式系統(tǒng)通常只能重復(fù)執(zhí)行一個(gè)特定的功能，例如一臺(tái)尋呼機(jī)永遠(yuǎn)是尋呼機(jī)；而臺(tái)式系統(tǒng)可以執(zhí)行各種程序，如電子數(shù)據(jù)表、字處理和游戲，還經(jīng)常加入其他新程序。當(dāng)然也有例外：一種情況是嵌入式系統(tǒng)中的程序的新版本程序更新，例如，有些手機(jī)（移動(dòng)電話）就是這樣更新的；另一種情況是，由于系統(tǒng)大小的限制，使得幾個(gè)程序只能輪流輸入到系統(tǒng)中，例如，有些導(dǎo)彈在巡航模式下執(zhí)行一個(gè)程序，在鎖定目標(biāo)時(shí)又執(zhí)行另一個(gè)程序。即便如此，這些嵌入式系統(tǒng)仍只具有特定的功能。

（３）系統(tǒng)精簡(jiǎn)和高實(shí)時(shí)性O(shè)S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。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。很多嵌入式系統(tǒng)都需要不斷地對(duì)所處環(huán)境的變化做出反應(yīng)，而且要實(shí)時(shí)地得出計(jì)算結(jié)果，不能延遲。38（４）高效率地設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(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。這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。

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，力爭(zhēng)在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中對(duì)處理器的選擇更具有競(jìng)爭(zhēng)力。（5）創(chuàng)新性和有效性嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，它的升級(jí)換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng)，具有較長(zhǎng)的生命周期。

為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。40

（6）嵌入式軟件開(kāi)發(fā)走向標(biāo)準(zhǔn)化嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以沒(méi)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(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。41

（7）嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境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)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(kāi)發(fā)時(shí)往往有宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的概念，宿主機(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。421.3.5嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

采用32位RISC嵌入式微處理器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)組成的嵌入式控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)和基于PC的控制方式相比，具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：性能方面：采用32位RISC結(jié)構(gòu)微處理器，主頻從30MHz到1200MHz以上，處理能力大大超出單片機(jī)系統(tǒng)，接近PC機(jī)的水平，但體積更小，能夠真正地“嵌入”到設(shè)備中；實(shí)時(shí)性方面：嵌入式機(jī)控制器內(nèi)嵌實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），能夠完全保證控制系統(tǒng)的強(qiáng)實(shí)時(shí)性；人機(jī)交互方面：嵌入式控制器可支持大屏幕的液晶顯示器，提供功能強(qiáng)大的圖形用戶界面，這方面與PC機(jī)相比略要遜色一些；系統(tǒng)升級(jí)方面：嵌入式控制器可為控制系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)，其功能專一，成本較低，而且開(kāi)放的用戶程序接口（API）保證了系統(tǒng)能夠快速升級(jí)和更新。43通常是面向特定應(yīng)用的；空間和各種資源相對(duì)不足，必須高效率地設(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余；產(chǎn)品升級(jí)換代和具體產(chǎn)品同步，具有較長(zhǎng)的生命周期；軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片；不具備自舉開(kāi)發(fā)能力，必須有一套開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)1.3.6嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)441.3.7嵌入式系統(tǒng)與單片機(jī)、PC機(jī)的區(qū)別1.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)，它們不適合運(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。452.嵌入式系統(tǒng)與PC之間的區(qū)別嵌入式系統(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；軟件故障帶來(lái)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)；有成本、功耗的要求；得到多種微處理體系的支持；需要專用的開(kāi)發(fā)工具。通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要求的是高速、海量的數(shù)值運(yùn)算。在技術(shù)發(fā)展上追求總線速度不斷提升、存儲(chǔ)容量不斷擴(kuò)大。而嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要求的是對(duì)象體系的智能化控制能力，在技術(shù)發(fā)展方向追求對(duì)特定對(duì)象系統(tǒng)的嵌入性、專用性和智能化。這種技術(shù)發(fā)展的分歧導(dǎo)致20世紀(jì)末計(jì)算機(jī)進(jìn)入了兩大分支并行發(fā)展的時(shí)期，人們稱之為后PC機(jī)時(shí)代。46

嵌入式系統(tǒng)一般包括硬件和軟件兩部分:

硬件包括處理器／微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和I／O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件（OS）（要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作）和應(yīng)用程序編程。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為；而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。值得注意的是嵌入式系統(tǒng)中的系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序一般是渾然一體的，這些程序被編譯連接成一個(gè)可以執(zhí)行的二進(jìn)制映象文件，最后被固化在目標(biāo)系統(tǒng)當(dāng)中，在目標(biāo)系統(tǒng)復(fù)位后會(huì)自動(dòng)執(zhí)行。如果在做嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中應(yīng)注意，也就是說(shuō)嵌入式開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)并不完全相同，開(kāi)發(fā)的時(shí)候是需要交叉編譯系統(tǒng)和適當(dāng)?shù)恼{(diào)試環(huán)境的。

471.4典型嵌入式系統(tǒng)的硬件組成MPU微處理器電源模塊時(shí)鐘復(fù)位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外圍電路Other外設(shè)481.4.1嵌入式系統(tǒng)基本硬件架構(gòu)嵌入式系統(tǒng)基本硬件架構(gòu)主要包括有處理器、外圍電路及接口和外部設(shè)備三大部分。其中外圍電路一般包括有時(shí)鐘、復(fù)位電路、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和電源模塊等部件組成。外部設(shè)備一般應(yīng)配有USB、顯示器、鍵盤和其他等設(shè)備及接口電路。硬件架構(gòu)的核心部件是微處理器。在一片嵌入式微處理器基礎(chǔ)上增加電源電路、時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)器電路（ROM和RAM等），就構(gòu)成了一個(gè)嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以固化在ROM中。49

嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式處理器，嵌入式處理器一般就具備以下4個(gè)特點(diǎn):對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度。具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)也有利于軟件診斷?？蓴U(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以能最迅速地開(kāi)發(fā)出滿足應(yīng)用的最高性能的嵌入式微處理器。嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無(wú)線及移動(dòng)的計(jì)算和通信設(shè)備中，靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mW或W級(jí)。

1.4.2嵌入式處理器簡(jiǎn)介1.4.3

嵌入式處理器分類微處理器(MicroprocessorUnit,MPU)

微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)

嵌入式DSP(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)

片上系統(tǒng)(SystemOnChip)

51（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。目前通常使用單片機(jī)芯片內(nèi)部集成FlashROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出等必要功能和外設(shè)。由于MCU低廉的價(jià)格，優(yōu)良的功能，所以擁有的品種和數(shù)量最多。并且還有支持I2C、CAN-Bus、LCD、A/D和D/A及眾多專用MCU和兼容系列。比較有代表性的8位通用系列單片機(jī)是MCS-51系列等，16位的通用單片機(jī)有MSP430系列等。52

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。微控制器目前在工業(yè)中的應(yīng)用還是很多，由于適合于控制，因此稱為微控制器。53（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處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。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(guò)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。54有代表性的產(chǎn)品是TexasInstruments的

TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列，移動(dòng)通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。Motorola公司的DSP56000已經(jīng)發(fā)展成為DSP56000，DSP56100,DSP56200和DSP56300等幾個(gè)不同系列的處理器。PHILIPS公司今年來(lái)也推出了基于可重置嵌入式DSP結(jié)構(gòu)低成本、低功耗技術(shù)上制造的DSP處理器，特點(diǎn)是具備雙Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加器單元，應(yīng)用目標(biāo)是大批量消費(fèi)類電子產(chǎn)品。55EMPU（或MPU）嵌入式微處理器是由通用計(jì)算機(jī)中的CPU演變而來(lái)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。功能與和標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本類似，在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強(qiáng)。與工業(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)。與單片機(jī)相比，功能更為強(qiáng)大。主流芯片ARM、PowerPC、68000、MIPS系列等。

（3）嵌入式微處理器56ARM2410

三星公司S3C2410的最小系統(tǒng)提供Linux系統(tǒng)內(nèi)核系統(tǒng)穩(wěn)定工作在202MHz主頻上模塊包括64MBSDRAM、128MBflashRAM模塊給出了S3C2410幾乎所有的信號(hào)，32位的數(shù)據(jù)總線，保留充分?jǐn)U展空間為嵌入式技術(shù)愛(ài)好者提供了一個(gè)廉價(jià)的中高端平臺(tái)57SoC技術(shù)是一種高度集成化、固件化的系統(tǒng)集成技術(shù)。其核心思想就是要把整個(gè)應(yīng)用電子系統(tǒng)全部集成在一個(gè)芯片中。如將ARMRISC、MIPSRISC、DSP等微處理器核，加上一些通用的接口單元集成在一起。如信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、處理等功能模塊，通用串行端口（USB），TCP/IP通信單元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、藍(lán)牙模塊接口等等。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。SoC是追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件，SOC最大的特點(diǎn)是成功實(shí)現(xiàn)了軟硬件無(wú)縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。（4）嵌入式片上系統(tǒng)(SystemOnChip)

58嵌入式片上系統(tǒng)(SOC)結(jié)構(gòu)圖59

由于SOC往往是專用的，將在聲音、圖像、影視、網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)邏輯等應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。SoC微處理器所具有的其他好處可以分為下列幾點(diǎn)：1、利用改變內(nèi)部工作電壓，降低芯片功耗；2、減少芯片對(duì)外管腳數(shù)，簡(jiǎn)化制造過(guò)程；3、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；4、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。

601.4.4嵌入式系統(tǒng)的軟件組成

嵌入式系統(tǒng)的軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)和相應(yīng)的各種應(yīng)用程序。嵌入式操作系統(tǒng)

通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。具有編碼體積小，面向應(yīng)用，可裁剪和移植，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，專用性強(qiáng)等特點(diǎn)。相應(yīng)的各種應(yīng)用程序嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具一般用于開(kāi)發(fā)主機(jī)（如微機(jī)），包括語(yǔ)言編譯器、連接定位器、調(diào)試器等。

嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)一般有4部分組成：硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)工具。

注意：嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件位于嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品本身，開(kāi)發(fā)工具則獨(dú)立于嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品之外。61

1.4.5操作系統(tǒng)的分類方法1）按其應(yīng)用對(duì)象不同，有如下4類：（1）基于Windows兼容，可包括有WindowsCE、嵌入式Linux等；（2）工業(yè)和通信類，包括有VxWorks、Psos、QNX等；（3）單片機(jī)類，包括有uC/OS、CMX、iRMX；（4）面向Intelnet類包括有Plam、Visor、Hopen、PPSM。62

2）依據(jù)操作系統(tǒng)的類型劃分，

主要有實(shí)時(shí)系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)、順序執(zhí)行系統(tǒng)。（1）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)有