嵌入式系统1(概述)课件

嵌入式系统嵌入式系统概述概述概述概述 计算机学院计算机学院 陈勉陈勉西安电子科技大学计算机学院21.课程程简介介什么是嵌入式系统什么是嵌入式系统q嵌入式系统是 的计算机系统。西安电子科技大学计算机学院3为什么要开什么要开这门课程程理性的分析理性的分析q它是一个系统q涵盖知识范围极广q对计算机基础课程的系统总结感性的分析感性的分析q技术新q市场大q好就业学嵌入式有前途吗学嵌入式有前途吗?因为嵌入式工程师职业发展好，薪资待遇高，所以是二十因为嵌入式工程师职业发展好，薪资待遇高，所以是二十一世界最热门的行业之一。参加嵌入式开发培训，你会发一世界最热门的行业之一。参加嵌入式开发培训，你会发现：高薪木有问题！升职木有问题！跳槽木有问题！现：高薪木有问题！升职木有问题！跳槽木有问题！来源于互联网来源于互联网嵌入式系统可说是麻雀虽小五脏俱全，虽嵌入式系统可说是麻雀虽小五脏俱全，虽然没有然没有PC和服务器那么复杂，但计算机和服务器那么复杂，但计算机系统的各种组成一样也不缺。系统的各种组成一样也不缺。来源于互联网来源于互联网 西安电子科技大学计算机学院4本本课程的目程的目标与任与任务使学生能够掌握嵌入式系统设计和应用的使学生能够掌握嵌入式系统设计和应用的基本方法基本方法。了解包括嵌入式微控制了解包括嵌入式微控制/微处理器、嵌入式微处理器、嵌入式程序设计、实时操作系统、设计方法学、程序设计、实时操作系统、设计方法学、软件硬件协同设计、硬件建模和计算机辅软件硬件协同设计、硬件建模和计算机辅助设计等知识，并完成必要的实践。助设计等知识，并完成必要的实践。来自大纲西安电子科技大学计算机学院5先修先修课程程模拟电子技术模拟电子技术数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计计算机组成原理计算机组成原理计算机接口技术计算机接口技术操作系统操作系统计算机程序设计计算机程序设计q汇编qC西安电子科技大学计算机学院6课程内容程内容嵌入式系统概述嵌入式系统概述嵌入式微处理器嵌入式微处理器(ARM)嵌入式程序设计嵌入式程序设计(ARM)嵌入式系统构建嵌入式系统构建(ARM)实时操作系统实时操作系统(uC/OS)西安电子科技大学计算机学院7考核方式考核方式平时成绩：平时成绩：10实验成绩：实验成绩：20笔试（闭卷）：笔试（闭卷）：70西安电子科技大学计算机学院8参考参考书目目嵌入式系统设计教程嵌入式系统设计教程q马洪连 等编 电子工业出版社嵌入式系统开发与应用嵌入式系统开发与应用q田泽 编 北京航空航天大学出版社ARM体系结构与编程体系结构与编程q杜春雷 编 清华大学出版社ARM嵌入式系统教程嵌入式系统教程q张石 等编 机械工业出版社嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统C/OS-2q美Jean.Labrosse著 邵贝贝 等译 北航出嵌入式操作系统基础嵌入式操作系统基础C/OS-和和Linuxq任哲 等编 北京航空航天大学出版社西安电子科技大学计算机学院9学学习方法方法 听课听课 看参考设计看参考设计 读示例代码读示例代码 尝试制作评估板尝试制作评估板 参加产品设计参加产品设计 请教、讨论、交流请教、讨论、交流 循序渐进、系统深入循序渐进、系统深入西安电子科技大学计算机学院10 2.嵌入式系嵌入式系统的引入的引入由于信息技术、网络技术的高速发展和后由于信息技术、网络技术的高速发展和后PC时代的到来，嵌入式系统已经广泛渗透时代的到来，嵌入式系统已经广泛渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术以及人们的日常生活产业和商业文化艺术以及人们的日常生活中。嵌入式系统应用的例子比比皆是。可中。嵌入式系统应用的例子比比皆是。可以说，嵌入式系统以说，嵌入式系统无所不在、无处不在无所不在、无处不在。西安电子科技大学计算机学院11应用用举例（一）例（一）消费电子消费电子西安电子科技大学计算机学院12应用用举例（二）例（二）信息家电信息家电西安电子科技大学计算机学院13应用用举例（三）例（三）汽车电子汽车电子西安电子科技大学计算机学院14应用用举例（四）例（四）机器人机器人q智能玩具q工业机器人q军用机器人西安电子科技大学计算机学院15应用用举例（五）例（五）工业国防工业国防西安电子科技大学计算机学院16嵌入式系统的应用范围如此之广，涉及面嵌入式系统的应用范围如此之广，涉及面如此之大，以至于有些学者如此之大，以至于有些学者断言断言嵌入式技术将成为后PC时代的主宰。前景前景西安电子科技大学计算机学院17何何为嵌入式系嵌入式系统简单的讲，就是嵌入到对象体中的专用计简单的讲，就是嵌入到对象体中的专用计算机系统。算机系统。嵌入式系统嵌入式系统三要素三要素 ：q嵌入性：嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求嵌入到对象体系中，有对象环境要求。q专用性：专用性：软、硬件按对象要求裁减。软、硬件按对象要求裁减。q计算机：算机：实现对象的智能化功能象的智能化功能 。西安电子科技大学计算机学院18 定定义IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）的定义）的定义 ：devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants（用于控制、监视或者辅助操作设备和机器的装置）目前国内一个普遍被认同的定义是：目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬 件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。西安电子科技大学计算机学院193.嵌入式系嵌入式系统的内涵的内涵从技术角度从技术角度q嵌入式系统是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统。从系统角度从系统角度q嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。注：软件注：软件+硬件硬件西安电子科技大学计算机学院204.嵌入式系嵌入式系统外延外延广义的讲，凡是带有智能处理器的广义的讲，凡是带有智能处理器的专用软专用软硬件系统硬件系统都可称为嵌入式系统。都可称为嵌入式系统。西安电子科技大学计算机学院215.嵌入式系嵌入式系统组成成西安电子科技大学计算机学院22 硬件抽象硬件抽象层早期的嵌入式系统包含早期的嵌入式系统包含3个部分：硬件平台、个部分：硬件平台、嵌入式实时操作系统和应用程序；嵌入式实时操作系统和应用程序；经过不断发展，在硬件平台和操作系统之经过不断发展，在硬件平台和操作系统之间演化出了新的一层间演化出了新的一层硬件抽象层；硬件抽象层；q硬件抽象层屏蔽了底层硬件的多样性，操作系统不再直接面对具体的硬件环境，而是由硬件抽象层代表的、逻辑上的硬件环境。q板级支持包是大多数商用嵌入式操作系统实现可移植性所采用的一种方案，是硬件抽象层的一种实现。西安电子科技大学计算机学院23嵌入式系嵌入式系统的硬件的硬件组成成6.特点（特点（对通用通用计算机）算机）专用性专用性q采用专门的处理器q功能算法的专用性q系统对用户是透明的，用户无需了解内部设计细节小型化（资源有限）小型化（资源有限）q结构紧凑、坚固可靠、计算资源有限软硬件设计一体化软硬件设计一体化q硬件与软件的依赖性强，一般需要协同设计q应用软件与操作系统的一体化设计需要交叉开发环境需要交叉开发环境q本身资源受限，开发由宿主机完成西安电子科技大学计算机学院24西安电子科技大学计算机学院257.嵌入式系嵌入式系统历史史20世纪世纪70年代单片机的出现，这时的应用只是使年代单片机的出现，这时的应用只是使用用8位的芯片执行一些单线程的程序，还谈不上位的芯片执行一些单线程的程序，还谈不上“系统系统”的概念。的概念。20世纪世纪80年代出现商业级的嵌入式年代出现商业级的嵌入式“操作系统操作系统”（一个实时核），并在其上编写嵌入式应用软，并在其上编写嵌入式应用软件。件。q获取更短的开发周期 q更高的开发效率q“嵌入式系统”真正出现20世纪世纪90年代以后，随着对实时性要求的提高，年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时核逐渐发展为实时多任软件规模不断上升，实时核逐渐发展为实时多任务操作系统（务操作系统（RTOS），并作为一种软件平台逐步），并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。成为目前国际嵌入式系统的主流。商业化的嵌入式实时内核开始出现，如VTRX32，PSOS，VxWorks等西安电子科技大学计算机学院268.嵌入式系嵌入式系统的分的分类按表现形式分（硬件范畴）按表现形式分（硬件范畴）：系统级：各种类型的工控机、PC104模块。板级：各种类型的带CPU的主板及OEM产品。片级：各种以单片机、DSP、微处理器为核心的产品。西安电子科技大学计算机学院27嵌入式系嵌入式系统的分的分类按实时性要求分（软件范畴）按实时性要求分（软件范畴）：非实时系统（PDA）软实时系统（消费类产品）q超时会导致性能下降硬实时系统（工业和军工系统）q超时会导致系统失败西安电子科技大学计算机学院289.处理器的分理器的分类和和现状状 嵌入式系统硬件的核心部件是嵌入式嵌入式系统硬件的核心部件是嵌入式处理器，按嵌入式处理器用途可分为：处理器，按嵌入式处理器用途可分为：嵌入式微控制器（Micro Controller Unit MCU）嵌入式DSP（Digital Signal Processor）嵌入式微处理器（Micro Processor Unit MPU）SOC（System On Chip）SOPC（System On Programmable Chip）西安电子科技大学计算机学院29嵌入式微控制器嵌入式微控制器嵌入式微控制器的典型代表是单片机。嵌入式微控制器的典型代表是单片机。单片机芯片单片机芯片内部内部集成了集成了ROM/EPROM，RAM，总线，总线，定时器定时器/计数器，看门狗，计数器，看门狗，I/O，串行口，脉宽调制输，串行口，脉宽调制输出，出，A/D，D/A,FLASH,E2PROM 等。等。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源丰富，适合用于控制，因微控制器的片上外设资源丰富，适合用于控制，因此称为微控制器。此称为微控制器。又如：又如：ARM Cortex-M3西安电子科技大学计算机学院30嵌入式嵌入式DSPDSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、令执行速度。在数字滤波、FFT、频谱分析、频谱分析等仪器上，等仪器上，DSP获得了大规模的应用获得了大规模的应用。特点：配有专用的硬件乘法-累加器 具有特殊的DSP指令 等等西安电子科技大学计算机学院31嵌入式微嵌入式微处理器理器嵌入式微处理器是由通用计算机中的嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来。具有演变而来。具有32位以上的总线，在位以上的总线，在实际嵌入式应用中，它只保留与嵌入式应实际嵌入式应用中，它只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件以实现嵌入式应用用紧密相关的功能硬件以实现嵌入式应用的特殊要求。目前主要的嵌入式处理器类的特殊要求。目前主要的嵌入式处理器类型有型有ARM、MIPS、POWER PC等。等。与嵌入式微控制器的区别（大体上）q微控制器微控制器存储器在片内存储器在片内q微处理器微处理器存储器在片外存储器在片外西安电子科技大学计算机学院32处理器理器发展展举例例Intel 4004 MicroprocessorqIntroduced in 1970First microprocessor4 bit architecture!q2,250 transistorsq12 mm2qClock:108 kHz西安电子科技大学计算机学院33Intel 8085 MicroprocessorIntroduced in 19748-bit architectureStill used in some microcontroller applications!西安电子科技大学计算机学院34Intel 8086 MicroprocessorIntroduced in 197929,000 transistors33 mm2Clock:5 MHz16 bit architecture西安电子科技大学计算机学院35Intel 386 MicroprocessorIntroduced in 1985275,000 transistors43 mm2Clock:16 MHz32 bit architecture西安电子科技大学计算机学院36Intel 486 MicroprocessorIntroduced in 19891,200,000 transistors81 mm2Clock:25 MHz32 bit architectureq1st pipelined implementation of IA32西安电子科技大学计算机学院37Intel Pentium MicroprocessorIntroduced in 19933,100,000 transistors296 mm2Clock:60 MHz32 bit architectureq1st superscalar implementation of IA32西安电子科技大学计算机学院38Pentium Processor DetailsStateqRegistersqMemoryControl ROMCombinational logic西安电子科技大学计算机学院39SOC将通用处理器的将通用处理器的IP核和功能模块的核和功能模块的IP核核按用户要求组成系统，仿真后提交芯片厂按用户要求组成系统，仿真后提交芯片厂商生产。（也可下载到商生产。（也可下载到FPGA中。百万门）中。百万门）绝大部分系统构件都在系统内部。（绝大部分系统构件都在系统内部。（SOC技术与前三种嵌入式处理器是不一样的）技术与前三种嵌入式处理器是不一样的）西安电子科技大学计算机学院40SOPC用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作作SOPC。可编程片上系统（可编程片上系统（SOPC）是一种特殊是一种特殊的嵌入式系统：的嵌入式系统：首先它是片上系统（首先它是片上系统（SOC），），即由单个芯片完成整即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。程的功能。西安电子科技大学计算机学院4110.嵌入式操作系嵌入式操作系统分分类嵌入式系统软件一般由嵌入式操作系统和嵌入式系统软件一般由嵌入式操作系统和应用软件组成应用软件组成 ；操作系统是连接计算机硬；操作系统是连接计算机硬件与应用程序的系统程序，从实时性的角件与应用程序的系统程序，从实时性的角度来看，可分为：度来看，可分为：q非实时操作系统（如Linux等）q实时操作系统（RTOS）：计算的正确性不仅取决于程序的逻辑正确性，更取决于结果产生的时间。（如VxWorks，C/OS-II等）西安电子科技大学计算机学院4211.嵌入式系嵌入式系统的的应用用工业控制工业控制交通管理交通管理信息家电信息家电家庭智能管理系统家庭智能管理系统POS网络及电子商务，电子政务网络及电子商务，电子政务环境检测环境检测机器人机器人西安电子科技大学计算机学院4312.嵌入式系嵌入式系统的的发展展趋势嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持具和操作系统的支持 互联网成为必然趋势互联网成为必然趋势 支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本低成本 提供精巧的多媒体人机界面提供精巧的多媒体人机界面 西安电子科技大学计算机学院44西安电子科技大学计算机学院45西安电子科技大学计算机学院46西安电子科技大学计算机学院47西安电子科技大学计算机学院48西安电子科技大学计算机学院49西安电子科技大学计算机学院50谢谢！