嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)

嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)第1頁(yè)/共70頁(yè)2課程目的理論與實(shí)踐相結(jié)合以嵌入式軟件的核心嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為重點(diǎn)，以應(yīng)用為目的，全面介紹嵌入式系統(tǒng)使大家既能對(duì)嵌入式系統(tǒng)及開(kāi)發(fā)有一個(gè)全景的把握，又能深入理解嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。配套μC/OS-II實(shí)驗(yàn)，提供豐富的實(shí)驗(yàn)和手冊(cè)第2頁(yè)/共70頁(yè)3課程大綱（26學(xué)時(shí)）課次學(xué)時(shí)形式內(nèi)容第4周2講課嵌入式系統(tǒng)概述第4周2講課嵌入式硬件基礎(chǔ)ARM微處理器體系結(jié)構(gòu)第5周2講課嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)概述第6周6講課操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度第7周4講課操作系統(tǒng)任務(wù)同步與通信第8周2講課uc/os-II移植第8周2講課嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法概述第9周4講課嵌入式系統(tǒng)接口第10周2講課典型案例分析第3頁(yè)/共70頁(yè)4實(shí)驗(yàn)（14學(xué)時(shí)）嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境ARM匯編基礎(chǔ)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的多任務(wù)及任務(wù)調(diào)度機(jī)制實(shí)時(shí)系統(tǒng)在ARM微處理器上的移植ARM的串行口實(shí)驗(yàn)A/D轉(zhuǎn)換及LCD驅(qū)動(dòng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)第4頁(yè)/共70頁(yè)5大家能夠期望的收獲掌握一種學(xué)習(xí)方法--理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐并重學(xué)習(xí)嵌入式軟硬件系統(tǒng)的基本概念、基本原理和設(shè)計(jì)方法獲得嵌入式開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)獲得學(xué)分為未來(lái)職場(chǎng)的發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)第5頁(yè)/共70頁(yè)6參考教材王田苗主編.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)例開(kāi)發(fā)（第三版）.清華大學(xué)出版社,2008任哲主編.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng).北京航空航天大學(xué)出版社，2005羅雷主編.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及應(yīng)用開(kāi)發(fā)（第2版），2007第6頁(yè)/共70頁(yè)7第一章嵌入式系統(tǒng)概述123嵌入式系統(tǒng)(EmbeddedSystem)簡(jiǎn)介嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域未來(lái)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)第7頁(yè)/共70頁(yè)81.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的三大領(lǐng)域服務(wù)器市場(chǎng)功能強(qiáng)利潤(rùn)最大的市場(chǎng)可用性強(qiáng)可擴(kuò)展性桌面市場(chǎng)最廣闊的市場(chǎng)嵌入式市場(chǎng)潛力最大的市場(chǎng)嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介第8頁(yè)/共70頁(yè)9嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介以往計(jì)算機(jī)分類：大型計(jì)算機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微計(jì)算機(jī)目前計(jì)算機(jī)分類：超級(jí)計(jì)算機(jī)，大型計(jì)算機(jī)、工作站、微計(jì)算機(jī)、亞微計(jì)算機(jī)亞微計(jì)算機(jī)(嵌入式計(jì)算機(jī))是以嵌入式系統(tǒng)的形式隱藏在各種裝置、產(chǎn)品和系統(tǒng)中嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介第9頁(yè)/共70頁(yè)10嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介

分時(shí)系統(tǒng)批處理系統(tǒng)單用戶系統(tǒng)分布式計(jì)算基于網(wǎng)絡(luò)的個(gè)人計(jì)算協(xié)同計(jì)算普適計(jì)算大型機(jī)小型機(jī)

微型機(jī)基于開(kāi)放系統(tǒng)的客戶/服務(wù)器

普適計(jì)算終端資源使用的靈活性計(jì)算的自由性

嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介第10頁(yè)/共70頁(yè)11協(xié)同計(jì)算：傳統(tǒng)的管理方式和工作方式正在經(jīng)受一場(chǎng)變革，社會(huì)逐步由個(gè)人工作時(shí)代邁入?yún)f(xié)同工作時(shí)代。先進(jìn)的技術(shù)，如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)、多媒體技術(shù)和群件技術(shù)共同構(gòu)成了協(xié)同計(jì)算環(huán)境，可以使不同地域、不同時(shí)間、不同文化背景的人們能夠協(xié)調(diào)一致地為某項(xiàng)任務(wù)而共同工作，這就是協(xié)同計(jì)算。我們也把支持上述協(xié)同工作的技術(shù)稱為協(xié)同計(jì)算。分布式計(jì)算：所謂分布式計(jì)算是一門計(jì)算機(jī)科學(xué)，它研究如何把一個(gè)需要非常巨大的計(jì)算能力才能解決的問(wèn)題分成許多小的部分，然后把這些部分分配給許多計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，最后把這些計(jì)算結(jié)果綜合起來(lái)得到最終的結(jié)果。普適計(jì)算所謂普適計(jì)算指的是，無(wú)所不在的、隨時(shí)隨地可以進(jìn)行計(jì)算的一種方式；無(wú)論何時(shí)何地，只要需要，就可以通過(guò)某種設(shè)備訪問(wèn)到所需的信息。普適計(jì)算是指使用小型計(jì)算設(shè)備、在位置不斷移動(dòng)的過(guò)程中或在地理位置分布很廣的范圍內(nèi)，在不穩(wěn)定的通信條件下實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)事務(wù)處理和企業(yè)核心數(shù)據(jù)訪問(wèn)。第11頁(yè)/共70頁(yè)12無(wú)處不在的計(jì)算機(jī)施樂(lè)公司PaloAlto研究中心主任MarkWeiser認(rèn)為：“從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，PC機(jī)和計(jì)算機(jī)工作站將衰落，因?yàn)橛?jì)算機(jī)變得無(wú)處不在：例如在墻里、在手腕上、在手寫電腦中(象手寫紙一樣)等等，隨用隨取、伸手可及”。嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介第12頁(yè)/共70頁(yè)13嵌入式技術(shù)無(wú)處不在嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介第13頁(yè)/共70頁(yè)自1997年10月15日發(fā)射以來(lái)，經(jīng)歷了7年35億公里航程的卡西尼號(hào)太空船在2004年7月1日10時(shí)30分進(jìn)入土星軌道，開(kāi)始進(jìn)行人類有史以來(lái)對(duì)土星及其31顆已知衛(wèi)星最詳盡的探測(cè)。土星探測(cè)嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介第14頁(yè)/共70頁(yè)即使遠(yuǎn)在火星面對(duì)6萬(wàn)年才有一次的機(jī)會(huì)，科學(xué)家們積極行動(dòng)起來(lái)———從6月開(kāi)始，先后有歐洲的“火星快車”、美國(guó)“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”等三顆火星探測(cè)器飛往火星，而日本一顆本已在太空“迷失方向”的火星探測(cè)器也在關(guān)鍵時(shí)刻及時(shí)“醒”來(lái)，開(kāi)始了久違的火星之旅?；鹦桥c地球，這一對(duì)在星空中遙遙相望的“兄弟”，將迎來(lái)6萬(wàn)年來(lái)“最親密的接觸”，在2003年8月27日這一天，火星距離地球最近達(dá)到55756622(5千多萬(wàn))公里。勇氣號(hào)第15頁(yè)/共70頁(yè)16“小鷹”號(hào)標(biāo)準(zhǔn)排水量為60100噸，滿載排水量達(dá)81123噸，艦長(zhǎng)323.6米，艦寬39.6米，吃水11.4米，是世界上最大的常規(guī)動(dòng)力航空母艦。艦員2930名，其中軍官155名；航空人員2480名，其中軍官320名。飛機(jī)：F-14D戰(zhàn)斗機(jī)20架，F(xiàn)/A-18戰(zhàn)斗機(jī)36架，E-2C預(yù)警機(jī)和EA-6B電子干擾機(jī)各4架，6架S-3B反潛機(jī)，6架直升機(jī)，2架ES-3A。嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介第16頁(yè)/共70頁(yè)17第17頁(yè)/共70頁(yè)181.1.2嵌入式系統(tǒng)定義IEEE(美國(guó)電氣電子工程師學(xué)會(huì)(InstituteofElectricalandElectronicEngineers))定義嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作的機(jī)器、設(shè)備或裝置”（原文為devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。通常執(zhí)行特定功能嵌入式系統(tǒng)的核心----嵌入式微處理器嚴(yán)格的時(shí)序和穩(wěn)定性要求全自動(dòng)操作循環(huán)嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介第18頁(yè)/共70頁(yè)19一般定義以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪,應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗和應(yīng)用環(huán)境有特殊要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。是將應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)硬件集成在一起的系統(tǒng)（技術(shù)角度）嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計(jì)完成復(fù)雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。（系統(tǒng)角度）術(shù)語(yǔ)嵌入式反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)（被稱之為嵌入的系統(tǒng)）的一個(gè)完整子系統(tǒng)。嵌入式的系統(tǒng)可以包含多個(gè)嵌入式系統(tǒng)。廣義定義任何一個(gè)非計(jì)算機(jī)的計(jì)算系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介第19頁(yè)/共70頁(yè)20與PC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少得多嵌入式系統(tǒng)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)嵌入式系統(tǒng)大都有成本、功耗的要求嵌入式系統(tǒng)得到多種微處理體系的支持嵌入式系統(tǒng)需要專用的開(kāi)發(fā)工具嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介第20頁(yè)/共70頁(yè)211.1.3嵌入式系統(tǒng)的組成

從組成上看，嵌入式系統(tǒng)可分為嵌入式硬件系統(tǒng)與嵌入式軟件系統(tǒng)兩大部分，如圖所示。

嵌入式硬件系統(tǒng)主要由嵌入式處理器和外圍接口電路及相關(guān)支撐硬件等組成。其中，嵌入式處理器在嵌入式硬件系統(tǒng)中處于核心地位，按照功能和用途劃分，它可以進(jìn)一步細(xì)分為嵌入式微控制器、嵌入式微處理器、嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和片上系統(tǒng)(SOC)等幾種類型。第21頁(yè)/共70頁(yè)22嵌入式系統(tǒng)的組成第22頁(yè)/共70頁(yè)23嵌入式軟件系統(tǒng)通?？蓜澐譃榍度胧讲僮飨到y(tǒng)和嵌入式應(yīng)用軟件兩部分。在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中，為了簡(jiǎn)化應(yīng)用開(kāi)發(fā)，還提供了一個(gè)中間層(嵌入式中間件層)。在早期的嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)的復(fù)雜性較低，這時(shí)的嵌入式系統(tǒng)通常不使用操作系統(tǒng)，而是由應(yīng)用軟件直接控制和管理硬件。例如，現(xiàn)在還大量存在的基于8位單片機(jī)的系統(tǒng)，一般僅完成單一的控制功能，其功能與硬件復(fù)雜度都較低，其軟件通常只有一個(gè)簡(jiǎn)單的控制程序，在這類簡(jiǎn)單系統(tǒng)中沒(méi)有使用操作系統(tǒng)的必要。隨著技術(shù)的進(jìn)步與復(fù)雜需求的出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)進(jìn)入了一個(gè)新的階段，這個(gè)階段的嵌入式系統(tǒng)硬件大多采用了32位的嵌入式SOC

(SystemonChip)芯片，軟件系統(tǒng)則增加了嵌入式操作系統(tǒng)。第23頁(yè)/共70頁(yè)24從上圖中可以看出，操作系統(tǒng)處于上層軟件與嵌入式硬件系統(tǒng)的中間，在整個(gè)嵌入式系統(tǒng)中處于重要的地位，起著至關(guān)重要的作用。它負(fù)責(zé)控制與管理嵌入式硬件系統(tǒng)，將硬件的復(fù)雜性隱藏起來(lái)，為上層軟件設(shè)計(jì)提供一個(gè)統(tǒng)一、易用的應(yīng)用程序編程接口，以降低應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性。同時(shí)，作為嵌入式系統(tǒng)軟、硬件資源的管理者，它負(fù)責(zé)系統(tǒng)軟、硬件資源的調(diào)度與分配，保證系統(tǒng)資源被有效、合理地使用?？偠灾度胧讲僮飨到y(tǒng)的出現(xiàn)與使用是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)重要的里程碑，它掩蓋了底層硬件的復(fù)雜性，提高了軟件的開(kāi)發(fā)效率和軟件的可維護(hù)性。第24頁(yè)/共70頁(yè)25現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)(例如手機(jī))的功能與硬件復(fù)雜度較原有的單片機(jī)系統(tǒng)大大提高，同時(shí)軟件開(kāi)發(fā)的復(fù)雜度也大大提高，這類復(fù)雜系統(tǒng)已無(wú)法使用原來(lái)單片機(jī)的開(kāi)發(fā)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其開(kāi)發(fā)模式發(fā)生了很大的變化。原來(lái)單片機(jī)的開(kāi)發(fā)通常是由一個(gè)電子工程師完成電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)軟件編程仿真和調(diào)試開(kāi)發(fā)等工作；嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要屬于電子工程領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)，它主要的工作是硬件設(shè)計(jì)，軟件的工作量并不大。而復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模式發(fā)生了極大的改變，不僅硬件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)比單片機(jī)復(fù)雜了許多，更重要的是在該系統(tǒng)中采用了嵌入式操作系統(tǒng)，其應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂貌僮飨到y(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)接口的計(jì)算機(jī)工程領(lǐng)域的應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。第25頁(yè)/共70頁(yè)26總之，復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模式已從原來(lái)單片機(jī)時(shí)代電子工程領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮庸こ毯陀?jì)算機(jī)工程的協(xié)同開(kāi)發(fā)。一個(gè)復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)不僅需要完成嵌入式硬件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，還需要完成嵌入式應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)，甚至需要嵌入式操作系統(tǒng)的定制與移植。第26頁(yè)/共70頁(yè)271.1.4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。嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介第27頁(yè)/共70頁(yè)28嵌入式系統(tǒng)的幾個(gè)重要特征（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。嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介第28頁(yè)/共70頁(yè)29嵌入式系統(tǒng)的幾個(gè)重要特征（３）系統(tǒng)精簡(jiǎn)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。嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介第29頁(yè)/共70頁(yè)30嵌入式系統(tǒng)的幾個(gè)重要特征（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。嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介第30頁(yè)/共70頁(yè)31嵌入式系統(tǒng)的幾個(gè)重要特征（5）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。嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介第31頁(yè)/共70頁(yè)32嵌入式系統(tǒng)的幾個(gè)重要特征（6）嵌入式系統(tǒng)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)往往有主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的概念，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。嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介第32頁(yè)/共70頁(yè)33第一章嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介123嵌入式系統(tǒng)(EmbeddedSystem)簡(jiǎn)介嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域未來(lái)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)第33頁(yè)/共70頁(yè)34交叉學(xué)科先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)半導(dǎo)體技術(shù)電子技術(shù)各個(gè)行業(yè)面向具體應(yīng)用第34頁(yè)/共70頁(yè)35應(yīng)用領(lǐng)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生了一些新的需求，同時(shí)促進(jìn)了嵌入式技術(shù)的廣泛應(yīng)用中國(guó)正在成為世界制造大國(guó)，在消費(fèi)電子、工業(yè)應(yīng)用、軍事國(guó)防、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域都有嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域第35頁(yè)/共70頁(yè)36嵌入式技術(shù)刺激了許多新的應(yīng)用需求嵌入式技術(shù)發(fā)展又在不斷刺激新的技術(shù)產(chǎn)生－信息家電、醫(yī)療電子病歷、微小型智能武器消費(fèi)電子嵌入式應(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)備工業(yè)軍事國(guó)防電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域第36頁(yè)/共70頁(yè)37工業(yè)控制工業(yè)設(shè)備是機(jī)電產(chǎn)品中最大一類過(guò)去在工業(yè)過(guò)程控制、數(shù)字機(jī)床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)、石油化工系統(tǒng)等方面，大部分低端型設(shè)備主要采用是８位單片機(jī)。隨著技術(shù)發(fā)展，目前許多設(shè)備除了進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，還須將設(shè)備狀態(tài)，傳感器的信息等在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域第37頁(yè)/共70頁(yè)38嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域第38頁(yè)/共70頁(yè)39信息家電信息家電將成為嵌入式系統(tǒng)最大的應(yīng)用領(lǐng)域。只有按鈕、開(kāi)關(guān)的電器顯然已經(jīng)不能滿足人們的日常需求。具有用戶界面，能遠(yuǎn)程控制，智能管理的電器是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，如冰箱、空調(diào)等的網(wǎng)絡(luò)化、智能化等。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域第39頁(yè)/共70頁(yè)40嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域第40頁(yè)/共70頁(yè)41嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域第41頁(yè)/共70頁(yè)42日本富士通公司的仿人形機(jī)器人HOAP-1

嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域第42頁(yè)/共70頁(yè)43交通管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)交通管理在車輛導(dǎo)航、流量控制、信息監(jiān)測(cè)與汽車服務(wù)方面，目前GPS設(shè)備已經(jīng)從尖端產(chǎn)品進(jìn)入了普通百姓的家庭水文資料實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防洪體系及水土質(zhì)量監(jiān)測(cè)、堤壩安全，地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)，實(shí)時(shí)氣象信息網(wǎng)，水源和空氣污染監(jiān)測(cè)。加油站、停車場(chǎng)管理嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域第43頁(yè)/共70頁(yè)44嵌入式Internet應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域第44頁(yè)/共70頁(yè)45軍事國(guó)防領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域阿富汗參加反恐作戰(zhàn)的“赫耳墨斯”價(jià)值4萬(wàn)美元，可攜帶2架攝像機(jī)，發(fā)揮了很好作用。第45頁(yè)/共70頁(yè)46航天領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域第46頁(yè)/共70頁(yè)47第一章嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介123嵌入式系統(tǒng)(EmbeddedSystem)簡(jiǎn)介嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域未來(lái)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)第47頁(yè)/共70頁(yè)48軟件設(shè)計(jì)比重日益突出組件設(shè)計(jì)技術(shù)SOC硬件軟件化第48頁(yè)/共70頁(yè)49—

經(jīng)濟(jì)性（POS開(kāi)發(fā)失敗，幾十萬(wàn)、幾萬(wàn)、5千、5百） 計(jì)算機(jī)要很便宜，讓更多的人能買得起；—

小型化（筆記本、PDA） 人們攜帶方便；—

可靠性（汽車VCD，挑動(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；—

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；—

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。第49頁(yè)/共70頁(yè)50嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的工作重點(diǎn)正在向軟件轉(zhuǎn)移。如：以機(jī)械控制系統(tǒng)為例，10年前機(jī)械、硬件和軟件在機(jī)電系統(tǒng)中所占的比重分別是65%、20%和15%，而在EMS中則是30%、15%和55%。嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)：實(shí)時(shí)性模塊化組件化可重用第50頁(yè)/共70頁(yè)51語(yǔ)言和工具

作為編程語(yǔ)言，C語(yǔ)言在目前和未來(lái)的項(xiàng)目中的使用規(guī)模越來(lái)越大(圖7和圖8)，大部分是以C++為代價(jià)。第51頁(yè)/共70頁(yè)521.2嵌入式處理器1.2.1嵌入式處理器的分類

嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器。目前據(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(guò)1000種，流行體系結(jié)構(gòu)有30多個(gè)系列，其中8051體系的占有多半。生產(chǎn)8051單片機(jī)的半導(dǎo)體廠家有20多個(gè)，共350多種衍生產(chǎn)品，僅Philips就有近100種?，F(xiàn)在幾乎每個(gè)半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器，越來(lái)越多的公司有自己的處理器設(shè)計(jì)部門。根據(jù)現(xiàn)狀，嵌入式計(jì)算機(jī)可以分成下面幾類。第52頁(yè)/共70頁(yè)531．嵌入式微處理器(EmbeddedMicroprocessorUnit，EMPU)

嵌入式微處理器有以下兩種類型：

(1)嵌入式系統(tǒng)中使用的通用處理器，它并不是專門用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，典型的代表有X86處理器(從80186、80386到PentiumM)。例如，研揚(yáng)科技公司生產(chǎn)的嵌入式主板PCM830里就用到了PentiumM處理器，該產(chǎn)品用于醫(yī)療器械和電力調(diào)度控制系統(tǒng)中。

(2)專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的處理器，因?yàn)槠溥\(yùn)算器、寄存器和總線的位寬長(zhǎng)，功耗低且含指令流水線，具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，所以兼有許多通用處理器的特點(diǎn)，典型的代表有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。第53頁(yè)/共70頁(yè)542．嵌入式微控制器(EmbeddedMicrocontrollerUnit,EMCU)

嵌入式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)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。

嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個(gè)系列的單片機(jī)具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲(chǔ)器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使單片機(jī)最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本。第54頁(yè)/共70頁(yè)55和嵌入式微處理器相比，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，因此稱微控制器。

嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外，還有許多半通用系列，如支持USB接口的8XC930/931、C540、C541，支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用和兼容系列。第55頁(yè)/共70頁(yè)56特別值得注意的是，近年來(lái)提供X86微處理器的著名廠商AMD公司，將Am186CC/CH/CU等嵌入式處理器稱為Microcontroller，Motorola公司把以PowerPC為基礎(chǔ)的PPC505和PPC555亦列入單片機(jī)行列。TI(TexasInstruments)公司亦將其TMS320C2XXX系列DSP作為微控制器進(jìn)行推廣。第56頁(yè)/共70頁(yè)573．嵌入式DSP處理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)

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)行速度也較快。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面，DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正在從通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能過(guò)渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器有兩個(gè)發(fā)展來(lái)源：一是DSP處理器經(jīng)過(guò)單片化、EMC改造、增加片上外設(shè)成為嵌入式DSP處理器，TI的TMS320C2000/C5000等屬于此范疇；二是在通用單片機(jī)或SOC中增加DSP協(xié)處理器，例如Intel的MCS-296和Infineon(Siemens)的TriCore。第57頁(yè)/共70頁(yè)58推動(dòng)嵌入式DSP處理器發(fā)展的另一個(gè)因素是嵌入式系統(tǒng)的智能化，例如各種帶有智能邏輯的消費(fèi)類產(chǎn)品，生物信息識(shí)別終端、帶有加/解密算法的鍵盤、ADSL接入、實(shí)時(shí)語(yǔ)音壓解系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)顯示等。這類智能化算法一般都是運(yùn)算量較大，特別是向量運(yùn)算、指針線性尋址等較多，而這些正是DSP處理器的長(zhǎng)處所在。第58頁(yè)/共70頁(yè)59嵌入式DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品是TI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、用于移動(dòng)通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經(jīng)發(fā)展出DSP56000、DSP56100、DSP56200和DSP56300等幾個(gè)不同系列的處理器。另外，Philips公司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)上制造的處理器，特點(diǎn)是具備雙Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加單元，應(yīng)用目標(biāo)是大批量消費(fèi)類產(chǎn)品。第59頁(yè)/共70頁(yè)604．片上系統(tǒng)(SystemonChip，SOC)

隨著EDA的推廣和VLSI設(shè)計(jì)的普及化，以及半導(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(lái)臨，這就是片上系統(tǒng)(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(kù)，和許多其他嵌入式系統(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Verilog、VHDL等硬件描述語(yǔ)言描述，存儲(chǔ)在器件庫(kù)中。用戶只需定義出其整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過(guò)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(wú)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，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。第60頁(yè)/共70頁(yè)61SOC可以分為通用和專用兩類。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(guò)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(yǔ)言的專用的SOC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)(如Internet)安全方面。第61頁(yè)/共70頁(yè)621.2.2ARM微處理器

ARM是AdvancedRISCMachines(高級(jí)精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)處理器)的縮寫，它既是一種微處理器知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)核，也是一個(gè)公司的名稱，它設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、低耗能的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。

ARM微處理器已廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信、工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等領(lǐng)域，并且保持持續(xù)增長(zhǎng)的勢(shì)頭。目前，基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場(chǎng)份額。采用RISC架構(gòu)的ARM微處理器一般具有如下特點(diǎn)：第62頁(yè)/共70頁(yè)63①體積小、功耗低、成本低、性能高；②支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集；③大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快④大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；⑤尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高；⑥指令長(zhǎng)度固定。第63頁(yè)/共70頁(yè)64ARM微處理器目前包括下面幾個(gè)系列，每一個(gè)系列的ARM微處理器都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。

(1)?ARM7系列：一般包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ幾種內(nèi)核。ARM7TDMI