嵌入式系统1课件

嵌入式系统原理及应用E-mail:L6/15/20241嵌入式系统原理及应用7/28/202312整体概述THEFIRSTPARTOFTHEOVERALLOVERVIEW,P L E A S E S U M M A R I Z E T H E C O N T E N T第一部分2整体概述第一部分23课程目的n本课程介绍了嵌入式系统的前沿技术和发展趋势，重点讲述了基于ARMARM微处理器的嵌入式硬件平台、嵌入式处理器的指令系统、嵌入式操作系统。使学生熟悉开发环境与开发流程、能够掌握嵌入式系统设计的基本方法。6/15/20243课程目的本课程介绍了嵌入式系统的前沿技术和发展趋势，重点讲述4n“嵌入式课程是软、硬结合、实践性很强的课。越来越软之后,学生不敢动硬件,敲键盘的人烧不了机器。同学们对硬件、软件都要掌握了解,否则计算机越来越软之后很危险。”清华大学计算机科学与技术系的杨士强老师在谈到嵌入式系统时说。6/15/20244“嵌入式课程是软、硬结合、实践性很强的课。越来越软之后,学生5n采用仿真软件SkyEyeSkyEye（天目）。“这是清华大学博士做的一个工作,XScale,XScale已经都做上去了,我们开实验也用到了。”n北航出版社源码开放的嵌入式系统软件分析与实践基于SkyEyeSkyEye和ARMARM开发平台,“,“这样在微机上就可以做一部分的嵌入式系统实验,在实验箱较少的情况下可以辅助教学”。6/15/20245采用仿真软件SkyEye（天目）。“这是清华大学博士做的6需要的基础知识n先导课程计算机操作系统（LinuxLinux）微机原理汇编语言C/CC/C语言（包括算法）现代嵌入式逐渐向网络方面发展，计算机网络。n需要了解的基础知识了解操作系统、单片机和微机原理的基本概念，能够熟练使用C/CC/C语言。6/15/20246需要的基础知识先导课程7/28/202367n掌握一种学习方法-理论学习和实践并重n学习嵌入式软硬件系统的基本概念、基本原理和设计方法n为未来职场的发展奠定技术基础n前景非常好，现在这方面的人才短缺。而且做这方面的越有经验就越高薪，一般不存在程序员3535岁失去优势的问题。不过相对来说，嵌入式需要的软、硬件知识比较多，所以显得门槛较高。大家能够期望的收获6/15/20247掌握一种学习方法-理论学习和实践并重大家能够期望的收获7/81.1.马维华 编著.嵌入式系统原理与应用.北京：北京邮电大学出版社，200620062.2.李驹光 编著.ARM.ARM应用系统开发详解.北京：北京航空航天大学出版社，2004 2004 3.3.怯肇乾 编著.嵌入式硬件体系设计.北京：机械工业出版社，20072007参考教材6/15/202481.马维华编著.嵌入式系统原理与应用.参考教材7/2891C H A P T E R绪论6/15/202491CHAPTER绪论7/28/20210主要内容1 13 32 24 4嵌入式系统简介嵌入式处理器嵌入式操作系统嵌入式系统的典型应用6/15/202410主要内容1324嵌入式系统简介嵌入式处理器嵌入式操作系统嵌入11嵌入式系统简介n计算机系统的三大领域n服务器市场n功能强n利润最大的市场n可用性强n可扩展性n桌面市场n最广阔的市场n嵌入式市场n潜力最大的市场6/15/202411嵌入式系统简介计算机系统的三大领域7/28/20231112嵌入式系统简介n以往计算机分类：n巨型机、大型计算机、中型机、小型机和微计算机n目前计算机分类：超级计算机，大型计算机、工作站、微计算机、亚微计算机6/15/202412嵌入式系统简介以往计算机分类：7/28/20231213n电子计算机就其规模或系统功能而言，可分为巨型、大型、中型、小型、微型计算机和单片机。综合起来说，计算机的分类是这样的：n按照性能指标分类n 巨型机：高速度、大容量n 大型机：速度快、应用于军事技术科研领域 n 小型机：结构简单、造价低、性能价格比突出 微型机：体积小、重量轻、价格低 6/15/202413电子计算机就其规模或系统功能而言，可分为巨型、大型、中型、小14n超级计算机：通常是指由数百数千甚至更多的处理器（机）组成的、能计算普通PCPC机和服务器不能完成的大型复杂课题的计算机。n工作站：是一种以个人计算机和分布式网络计算为基础，主要面向专业应用领域，具备强大的数据运算与图形、图像处理能力，为满足工程设计、动画制作、科学研究、软件开发、金融管理、信息服务、模拟仿真等专业领域而设计开发的高性能计算机。亚微计算机(嵌入式计算机)是以嵌入式系统的 形式隐藏在各种装置、产品和系统中。6/15/202414超级计算机：通常是指由数百数千甚至更多的处理器（机）组成的、15嵌入式系统简介n 一般定义n以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪,应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有特殊要求的专用计算机系统。是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统（技术角度）n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。（系统角度）n广义定义n任何一个非计算机的计算系统6/15/202415嵌入式系统简介一般定义7/28/20231516nIEEEIEEE定义n嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作的机器、设备或装置”（原文为devices used devices used to control,monitor,or assist the to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or operation of equipment,machinery or plantsplants）。n通常执行特定功能n嵌入式系统的核心-嵌入式微处理器n严格的时序和稳定性要求n全自动操作循环嵌入式系统简介6/15/202416IEEE定义嵌入式系统简介7/28/20231617nInstitute of Electrical and Electronics Institute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE)Engineers(IEEE)美国电气和电子工程师协会n美国电气和电子工程师协会(IEEE)(IEEE)是一个国际性的电子技术与信息科学工程师的协会，是世界上最大的专业技术组织之一（成员人数），拥有来自175175个国家的3636万会员(到20052005年)。nIEEEIEEE是非盈利机构，活动经费来源主要是会费。nIEEEIEEE设有近2020个奖励项目，部分是IEEEIEEE的资金；有的是公司赞助，如IBMIBM、LucentLucent、日立、东芝等。nIEEEIEEE有600600多个义务工作者从事认证工作，充分利用互联网的优势发布各种最新技术信息。6/15/202417InstituteofElectricalandEl18嵌入式系统的特点n专用性强n由于嵌入式系统通常是面向某个特定应用的，所以嵌入式系统的硬件和软件，尤其是软件，都是为特定用户群来设计的，它通常都具有某种专用性的特点。n可靠性高 n由于有些嵌入式系统所承担的计算任务涉及产品质量、人身设备安全、国家机密等重大事务，加之有些嵌入式系统的宿主对象要工作在无人值守的场合，例如危险性高的工业环境中、内嵌有嵌入式系统的仪器仪表中、在人际罕至的气象检测系统中以及为侦察敌方行动的小型智能装置中等。所以与普通系统相比较，对嵌入式系统可靠性的要求极高。6/15/202418嵌入式系统的特点专用性强7/28/20231819嵌入式系统的特点n实时性好n目前，嵌入式系统广泛应用于生产过程控制、数据采集、传输通信等场合，主要用来对宿主对象进行控制，所以都对嵌入式系统有或多或少的实时性。n例如，对嵌入在武器装各中的嵌入式系统、在火箭中的嵌入式系统、一些工业控制装置中的控制系统等应用中的实时性要求就极高。也正因为这种要求，在硬件上嵌人式系统极少使用存取速度慢的磁盘等存储器，在软件上更是加以精心设计，从而可使嵌入式系统快速地响应外部事件。n当然，随着嵌入式系统应用的扩展，有些系统对实时性要求也并不是很高，例如近年来发展速度比较快的手持式计算机、掌上电脑等。但总体来说，实时性是对嵌入式系统的普遍要求，是设计者和用户重点考虑的一个重要指标。6/15/202419嵌入式系统的特点实时性好7/28/20231920嵌入式系统的特点n可裁剪性好n从嵌入式系统专用性的特点来看，作为嵌入式系统的供应者，理应提供各式各样的硬件和软件以各选用。但是，这样做势必会提高产品的成本。n为了既不提高成本，又满足专用性的需要，嵌入式系统的供应者必须采取相应措施使产品在通用和专用之间进行某种平衡。n目前的做法是，把嵌人式系统硬件和操作系统设计成可裁剪的，以便使嵌入式系统开发入员根据实际应用需要来量体裁衣，去除冗余，从而使系统在满足应用要求的前提下达到最精简的配置。6/15/202420嵌入式系统的特点可裁剪性好7/28/20232021嵌入式系统的特点n功耗低n有很多嵌入式系统的宿主对象都是一些小型应用系统，例如移动电话、pdapda、mp3 mp3、飞机、舰船、数码相机等，这些设各不可能配各容量较大的电源，因此低功耗一直是嵌入式系统最求的目标。n当然也是为了降低系统的功耗，嵌入式系统中的软件一般不存储于磁盘等载体中，而都固化在存储器芯片或单片系统的存储器之中。n嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。6/15/202421嵌入式系统的特点功耗低7/28/20232122嵌入式系统的特点n不可垄断性nPCPC有WinTelWinTel垄断n嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软件产品开发。n产品相对稳定性n普通处理器1818月n嵌入式处理器8 81010年6/15/202422嵌入式系统的特点不可垄断性7/28/20232223嵌入式系统的发展n嵌入式系统的出现至今已经有3030多年的历史，近几年来，计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已成为一个研究热点。纵观嵌入式技术的发展过程，大致经历四个阶段。6/15/202423嵌入式系统的发展嵌入式系统的出现至今已经有30多年的历史，近24第一阶段n以单片机为核心低级嵌入式系统系统n以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。n这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简单、价格低。n以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业控制和新兴信息家电等领域的需求。6/15/202424第一阶段以单片机为核心低级嵌入式系统系统7/28/2023225第二阶段n以嵌入式CPUCPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。n主要特点是：CPUCPU种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统达到一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业化，用户界面不够友好。6/15/202425第二阶段以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系26第三阶段n以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。n主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口APIAPI，开发应用程序较简单；嵌入式应用软件丰富。6/15/202426第三阶段以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。7/28/20227nAPI(Application Programming Interface,API(Application Programming Interface,应用程序编程接口)是一些预先定义的函数，目的是提供应用程序与开发人员基于某软件或硬件的以访问一组例程的能力，而又无需访问源码，或理解内部工作机制的细节，API API 接口属于一种操作系统或程序接口。n API API除了有应用“应用程序接口”的意思外，还特指 API API的说明文档，也称为帮助文档。另外，也是美国石油协会、空气污染指数、医药、空中位置指示器的英文简称。6/15/202427API(ApplicationProgrammingIn28nAPI API 分为四种类型：n远程过程调用（RPCRPC）：通过作用在共享数据缓存器上的过程（或任务）实现程序间的通信。n标准查询语言（SQLSQL）：是标准的访问数据的查询语言，通过通用数据库实现应用程序间的数据共享。n文件传输：文件传输通过发送格式化文件实现应用程序间数据共享。n信息交付：指松耦合或紧耦合应用程序间的小型格式化信息，通过程序间的直接通信实现数据共享。n 6/15/2024287/28/20232829n图形用户接口（GUIGUI）nGUI GUI 是Graphic User InterfaceGraphic User Interface，是图形用户接口，主要提供可视化界面方面的接口 ，属于直接用户接口 6/15/202429图形用户接口（GUI）7/28/20232930第四阶段n以InternetInternet为标志的嵌入式系统。n这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于InternetInternet之外，但随着InternetInternet的发展以及InternetInternet技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与InternetInternet的结合将代表嵌入式系统的未来6/15/202430第四阶段以Internet为标志的嵌入式系统。7/28/20312 2、未来嵌入式系统的发展趋势n信息时代，数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机，为嵌入式市场展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战，从中我们可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势：6/15/2024312、未来嵌入式系统的发展趋势信息时代，数字时代使得嵌入式产32n1 1嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。n目前很多厂商已经充分考虑到这一点，在主推系统的同时，将开发环境也作为重点推广。n比如三星在推广Arm7Arm7，Arm9Arm9芯片的同时还提供开发板和版及支持包（BSPBSP），而WindowCEWindowCE在主推系统时也提供Embedded VCEmbedded VC作为开发工具，还有VxworksVxworks的TonadoTonado开发环境，当然，这也是市场竞争的结果。6/15/2024321嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提33n2 2网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高，使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂。n这就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能，为了满足应用功能的升级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如3232位、6464位RISCRISC芯片或信号处理器DSPDSP增强处理能力，同时增加功能接口，如USBUSB，扩展总线类型加强对多媒体、图形等的处理，逐步实施片上系统（SOCSOC）的概念。n软件方面采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。6/15/2024332网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益34n3 3网络互联成为必然趋势。n未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网络通信接口。传统的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口，除了支持TCPTCPIPIP协议，还有的支持IEEE1394IEEE1394、USBUSB、CANCAN、BluetoothBluetooth通信接口中的一种或者几种，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。n软件方面系统系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入WebWeb浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网。6/15/2024343网络互联成为必然趋势。7/28/20233435n4 4提供友好的多媒体人机界面 n嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面。图像界面，灵活的控制方式，使得人们感觉嵌入式设备就象是一个熟悉的老朋友。n这方面的要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面，多媒体技术上痛下苦功。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使使用者获得自由的感受。n目前一些先进的PDAPDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，但一般的嵌入式设备距离这个要求还有很长的路要走 6/15/2024354提供友好的多媒体人机界面7/28/20233536嵌入式系统的应用领域嵌入式应用信息家电智能玩具军事电子通信设备移动存贮工控设备智能仪表汽车电子网络设备消费电子军事国防电子商务网络工业控制6/15/202436嵌入式系统的应用领域嵌入式应用信息家电智能玩具军事电子通信设38嵌入式系统的应用n家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。6/15/202438嵌入式系统的应用家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持39嵌入式视频服务器6/15/202439嵌入式视频服务器7/28/20233940现代化家庭6/15/202440现代化家庭7/28/20234041嵌入式Internet应用6/15/202441嵌入式Internet应用7/28/20234142嵌入式系统在信息家电中的应用n信息家电(Information Appliance(Information Appliance）n一般可认为，那些低单价、操作简单、可通过因特网发送或获取信息，将逐步分割或替代PCPC的某些功能，并能与其它信息产品交换资料或讯息的产品可统称为信息家电。6/15/202442嵌入式系统在信息家电中的应用信息家电(Information43信息家电的分类及特点n信息家电的分类n网络电视（NetTVNetTV）n网上游戏机（Internet gaming deviceInternet gaming device）n智能掌上型设备(Internet smart handheld device)(Internet smart handheld device)n网络电话（Internet screen PhoneInternet screen Phone）nConsumer NC clientConsumer NC client等。n信息家电技术特点n处理器发展趋向低成本、高整合性与低耗能。n整合数字与模拟处理的技术。n较PCPC更强调通讯能力。n利用软件增加产品的差异性(高附加价值的关键)6/15/202443信息家电的分类及特点信息家电的分类7/28/20234344典型的信息家电产品信息家电定义代表性产品网络电视具有机顶盒或内建网络连接的电视Microsoft WebTVMicrosoft WebTV网络可视电话具有集成网络接入的屏幕电话InfoGear iPhoneInfoGear iPhone网络游戏机具有集成网络接入的游戏操纵台Sega DreamcastSega Dreamcast网络智能手持器件蜂窝电话、个人数据助理（PDAPDA）和其它集成网络接入的便携式器件3Com Palm AT&T PocketNet 3Com Palm AT&T PocketNet Phone Phone Nokia 9000,9000I,9110,7110Nokia 9000,9000I,9110,7110NCNC委托（clientsclients）提供网络接入以及能下载应用软件的器件IBM NetStationIBM NetStationPC-PC-中间器件通过PCPC接入网络以下载内容的器件DIAMON Multimedia Rio DIAMON Multimedia Rio Player Player Nuvomedia Rocket e-BookNuvomedia Rocket e-BookAudible Mobile PlayerAudible Mobile PlayerSource:IDC,Hambrecht&Quist6/15/202444典型的信息家电产品定义代表性产品网络电视具有机顶盒或内建网络45信息家电数字机顶盒6/15/202445信息家电数字机顶盒7/28/20234546汽车电子产品（18个嵌入式控制模块）CAN总线网络VOLVOS80汽车的CAN总线网络嵌入式应用汽车电子6/15/202446汽车电子产品（18个嵌入式控制模块）CAN总线网络VOL47智能玩具与机器人6/15/202447智能玩具与机器人7/28/20234748嵌入式技术应用工业控制n工业方面：机床、冶金、电子、交通、航空航天等行业技术升级的重要基础6/15/202448嵌入式技术应用工业控制工业方面：机床、冶金、电子、交通、49阿富汗参加反恐作战的“赫耳墨斯”价值4 4万美元，可携带2 2架摄像机，发挥了很好作用。军事侦察6/15/202449阿富汗参加反恐作战的“赫耳墨斯”价值4万美元，可携带2架摄像50 20022002年1111月2828日，以色列一选举投票点，发生枪击事件，造成至少7 7人死亡，数十人受伤。以警方用机器人在检查一具巴勒斯坦枪手的尸体。反恐防暴6/15/2024502002年11月28日，以色列一选举投票点，发生枪击事51微型飞行器-“黑寡妇”空中飞行器6/15/202451微型飞行器-“黑寡妇”空中飞行器7/28/20235152基于Win CE的移动机器人平台6/15/202452基于WinCE的移动机器人平台7/28/20235253基于RTLinux的仿人机器人 高 48 cm 48 cm重:6 kg:6 kg灵活性：20 DOF20 DOF操作系统:RT-Linux:RT-Linux接口形式:USB 1.0(12Mbps):USB 1.0(12Mbps)响应周期:1ms:1ms能源：DC24V x 6.2A(150W)DC24V x 6.2A(150W)制造：富士通 6/15/202453基于RTLinux的仿人机器人高48cm重:6k54基于VXworks的火星探路者6/15/202454基于VXworks的火星探路者7/28/202354552004年“勇气号”再次登陆火星6/15/2024552004年“勇气号”再次登陆火星7/28/20235556嵌入式系统学习方法n嵌入式系统无疑是当前最热门最有发展前途的ITIT应用领域之一。嵌入式系统用在一些特定专用设备上，通常这些设备的硬件资源（如处理器、存储器等）非常有限，并且对成本很敏感，有时对实时响应要求很高等。特别是随着消费家电的智能化，嵌入式更显重要。n像我们平常常见到的手机、PDAPDA、电子字典、可视电话、VCD/DVD/MP3 PlayerVCD/DVD/MP3 Player、数字相机（DCDC）、数字摄像机(DV)(DV)、U-DiskU-Disk、机顶盒(Set Top Box)(Set Top Box)、高清电视(HDTV)(HDTV)、游戏机、智能玩具、交换机、路由器、数控设备或仪表、汽车电子、家电控制系统、医疗仪器、航天航空设备等等都是典型的嵌入式系统。6/15/202456嵌入式系统学习方法嵌入式系统无疑是当前最热门最有发展前途的I57n嵌入式系统是软硬结合的东西，搞嵌入式开发的人有两类。n一类是学电子工程、通信工程等偏硬件专业出身的人，主要是搞硬件设计，有时要开发一些与硬件关系最密切的最底层软件，如BootLoaderBootLoader、Board Board Support Package(Support Package(像PCPC的BIOSBIOS一样，往下驱动硬件，往上支持操作系统），最初级的硬件驱动程序等。n优势是对硬件原理非常清楚，不足是他们更擅长定义各种硬件接口，但对复杂软件系统往往力不从心（例如嵌入式操作系统原理和复杂应用软件等）。6/15/202457嵌入式系统是软硬结合的东西，搞嵌入式开发的人有两类。7/258n另一类是学软件、计算机专业出身的人，主要从事嵌入式操作系统和应用软件的开发。n如果学软件的人对硬件原理和接口有较好的掌握，完全也可写BSPBSP和硬件驱动程序。n嵌入式硬件设计完后，各种功能就全靠软件来实现了，嵌入式设备的增值很大程度上取决于嵌入式软件，这占了嵌入式系统的最主要工作（目前有很多公司将硬件设计包给了专门的硬件公司，稍复杂的硬件都交给台湾或国外公司设计，国内的硬件设计力量很弱，很多嵌入式公司自己只负责开发软件，因为公司都知道，嵌入式产品的差异很大程度在软件上，在软件方面是最有“花头”可做的），n所以搞软件的人完全不用担心在嵌入式市场上的用武之地，越是智能设备越是复杂系统，软件越起关键作用，而且这是目前的趋势。6/15/202458另一类是学软件、计算机专业出身的人，主要从事嵌入式操作系统和59na a 掌握主流嵌入式微处理器的结构与原理 nb b 必须掌握一个嵌入式操作系统 nc c 熟悉嵌入式软件开发流程。6/15/202459a掌握主流嵌入式微处理器的结构与原理7/28/2023601.2 嵌入式微处理器6/15/2024601.2嵌入式微处理器7/28/20236061嵌入式处理器分类n微处理器(Microprocessor Unit,MPU)(Microprocessor Unit,MPU)n微控制器(Microcontroller Unit,MCU)(Microcontroller Unit,MCU)n嵌入式DSP(Embedded Digital Signal DSP(Embedded Digital Signal Processor,EDSP)Processor,EDSP)n片上系统(System On Chip)(System On Chip)6/15/202461嵌入式处理器分类微处理器(MicroprocessorUn621 1、嵌入式微处理器(EMPU)(EMPU)n嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPUCPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。n为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做 了各种增强。n嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROMROM、RAMRAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。6/15/2024621、嵌入式微处理器(EMPU)嵌入式微处理器的基础是通用计算63n嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。n如STD-BUSSTD-BUS、PC104 PC104 等。近年来，德国、日本的一些公司又开发出了类似“火柴盒”式名片大小的嵌入式计算机系列OEMOEM产品。n嵌入式处理器目前主要有Am186/88Am186/88、386EX386EX、SC-SC-400400、Power PCPower PC、6800068000、MIPSMIPS、ARMARM系列等。6/15/202463嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称64nRAM(Random Access Memory)RAM(Random Access Memory)全名为随机存取记忆体，它相当于PCPC机上的移动存储，用来存储和保存数据的。它在任何时候都可以读写，RAMRAM通常是作为操作系统或其他正在运行程序的临时存储介质(内存)。当电源关闭时RAMRAM不能保留数据。6/15/202464RAM(RandomAccessMemory)全名为随65nRAMRAM有SRAMSRAM、DRAMDRAM两大类nSRAMSRAM（Static RAM/SRAMStatic RAM/SRAM），静态RAMRAM，SRAMSRAM速度非常快，是目前读写最快的存储设备了，但是它也非常昂贵，所以只在要求很苛刻的地方使用，譬如CPUCPU的一级缓冲，二级缓冲。nDRAMDRAM（Dynamic RAM/DRAMDynamic RAM/DRAM），动态RAMRAM保留数据的时间很短，速度也比SRAMSRAM慢，不过它还是比任何的ROMROM都要快，但从价格上来说DRAMDRAM相比SRAMSRAM要便宜很多，计算机内存就是DRAMDRAM的。6/15/202465RAM有SRAM、DRAM两大类7/28/20236566nROM(Read Only Memory)ROM(Read Only Memory)只读存储器。在ROMROM中的内容只能读不能改，是在工厂里用特殊的方法被烧录进去的。nPROM:Programmable ROMPROM:Programmable ROM，可编程ROMROM。用户可以用专用的编程器将自己的资料写入，但是这种机会只有一次，一旦写入后也无法修改。nEPROMEPROM：Erasable Programmable ROMErasable Programmable ROM，可擦除可编程ROMROM。芯片写入要用专用的编程器，可重复擦除和写入。nEEPROMEEPROM：Electrically Erasable Programmable ROMElectrically Erasable Programmable ROM，n电可擦除可编程ROMROM。价格很高，写入时间很长，写入很慢。但它的写入、擦除不需要借助于其它设备，是以电子信号来修改其内容的。用厂商提供的专用刷新程序并利用一定的编程电压就可以轻而易举地改写内容。6/15/202466ROM(ReadOnlyMemory)只读存储器。在R67nFLASHFLASH存储器(闪存)它结合了ROMROM和RAMRAM的长处，不仅具备电子可擦出可编程（EEPROMEEPROM）的性能，还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据（NVRAMNVRAM的优势），U U盘和MP3MP3里用的就是这种存储器。在过去的2020年里，嵌入式系统一直使用ROMROM（EPROMEPROM）作为它们的存储设备，然而近年来FlashFlash全面代替了ROMROM（EPROMEPROM）在嵌入式系统中的地位，用作存储BootloaderBootloader以及操作系统或者程序代码或者直接当硬盘使用（U U盘）。6/15/202467FLASH存储器(闪存)它结合了ROM和RAM的长处，不仅具682 2、嵌入式微控制器(MCU)(MCU)n嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。n嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成 ROM/EPROM ROM/EPROM、RAMRAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDogWatchDog、I/OI/O、串行口、脉宽调制输出、A/DA/D、D/AD/A、FlashRAMFlashRAM、EEPROM EEPROM等各种必要功能和外设。n为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器 和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。6/15/2024682、嵌入式微控制器(MCU)嵌入式微控制器又称单片机，顾名思69n和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从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统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。n嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括80518051、P51XAP51XA、MCS-251MCS-251、MCS-MCS-96/196/29696/196/296、C166/167C166/167、MC68HC05/11/12/16MC68HC05/11/12/16、6830068300等。6/15/202469和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减70nwatchdogwatchdog在由单片机构成的微型计算机系统中,由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰,造成程序的跑飞,而陷入死循环,程序的正常运行被打断,由单片机控制的系统无法继续工作,会造成整个系统的陷入停滞状态,发生不可预料的后果,所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑,便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片,俗称 看门狗 6/15/202470watchdog在由单片机构成的微型计算机系统中,由于71n工作原理：在系统运行以后也就启动了看门狗的计数器，看门狗就开始自动计数，如果到了一定的时间还不去清看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。所以在使用有看门狗的芯片时要注意清看门狗。n 硬件看门狗是利用了一个定时器，来监控主程序的运行，也就是说在主程序的运行过程中，我们要在定时时间到之前对定时器进行复位如果出现死循环，或者说PCPC指针不能回来。那么定时时间到后就会使单片机复位。n 软件看门狗技术的原理和这差不多，只不过是用软件的方法实现，6/15/202471工作原理：在系统运行以后也就启动了看门狗的计数器，看门狗就开72nA/DA/D转换器n模数转换，将模拟信号变成数字信号，便于数字设备处理。nD/AD/A转换器n数模转换，将数字信号转换为模拟信号与外部世界接口。6/15/202472A/D转换器7/28/20237273n定时器相当于内部定时中断,比如,每隔一个固定的时间来刷新一下显示数据,那么就可以用定时器来产生一个定时中断.n计数器相当于对外部输入脉冲计数,比如,有的湿度传感器是以脉冲形式输出的,那么你通过对脉冲的计数就可以得到当前时刻的湿度值.6/15/202473定时器相当于内部定时中断,比如,每隔一个固定的时间来刷新一下74n总线：所谓总线(Bus)(Bus)，一般指通过分时复用的方式，将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。是电脑中传输数据的公共通道。n根据传送信息不同，有地址总线、数据总线和控制总线。n 地址总线：地址总线传送地址信息。地址是识别信息存放位置的编号，主存储器的每个存储单元及I/OI/O接口中不同的设备都有各自不同的地址。地址总线是CPUCPU向主存储器和 I/OI/O接口传送地址信息的通道，它是自CPUCPU向外传输的单向总线。数据总线：数据总线传送系统中的数据或指令。数据总线是双向总线，一方面作为CPUCPU向主存储器和I/OI/O接口传送数据的通道。另一方面，是主存储器和 I/O I/O接口向 CPU CPU传送数据的通道，数据总线的宽度与 CPU CPU的字长有关。控制总线：控制总线传送控制信号。控制总线是 CPU CPU向主存储器和 I/O I/O接口发出命令信号的通道。6/15/202474总线：所谓总线(Bus)，一般指通过分时复用的方式，将信息75n串行接口 ：简称串口，也就是COMCOM接口，是采用串行通信协议的扩展接口。串口的出现是在19801980年前后，数据传输率是115kbps115kbps230kbps230kbps，串口一般用来连接鼠标和外置ModemModem以及老式摄像头和写字板等设备，目前部分新主板已开始取消该接口。n并行接口：简称并口，也就是LPTLPT接口，是采用并行通信协议的扩展接口。并口的数据传输率比串口快8 8倍，标准并口的数据传输率为1Mbps1Mbps，一般用来连接打印机、扫描仪等。6/15/202475串行接口：简称串口，也就是COM接口，是采用串行通信协议的76nPWMPWM（Pulse Width ModulationPulse Width Modulation，脉宽调制）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。n脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。6/15/202476PWM（PulseWidthModulation，脉宽调773 3、嵌入式DSPDSP处理器(EDSP)(EDSP)nDSPDSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSPDSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。n在数字滤波、FFTFFT等方面DSPDSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSPDSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSPDSP功能，过渡到采用嵌入式DSPDSP处理器。n推动嵌入式DSPDSP处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，ADSLADSL接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSPDSP处理器的长处所在。6/15/2024773、嵌入式DSP处理器(EDSP)DSP处理器对系统结构和指78n基于DSPDSP的智能视频监控系统n传统的视频监视系统是简单的非智能闭路电视（CCTVCCTV）系统，其缺点十分明显。这样的系统或者需要安保人员实时监视画面以捕捉关键事件，或者需要在事后对视频记录进行回放并进行人工分析，耗时耗力，成本高而效率低。近几年，DSPDSP在智能视频监控系统方面的应用不断完善，正在逐渐取代传统的模拟非智能系统。n6/15/202478基于DSP的智能视频监控系统7/28/20237879n基于DSPDSP的语音实时变速系统n在外语多媒体教学中，要求对语速进行快慢控制，以适应不同程度学生的需求。然而，传统的语音变速产品往往在教师改变语速的同时，也改变了原说话者的语调，不能达到教学的真正目的。因此，语音变速系统应当具备调整语速的同时，还需要保证原说话者语调保持不变的特点。基于DSPDSP的语音实时变速系统能够任意调整语音语速，达到外语多媒体教学的需求。6/15/202479基于DSP的语音实时变速系统7/28/202379804 4、嵌入式片上系统(System On Chip)(System On Chip)n嵌入式系统正在被设计到单个的硅片上,称为片上系统(System on chip(System on chip，SoC)SoC)。n SOCSOC可以分为通用和专用两类。n通用系列包括Infineon(Siemens)Infineon(Siemens)的TriCoreTriCore，MotorolaMotorola的M-CoreM-Core，EchelonEchelon和MotorolaMotorola联合研制的NeuronNeuron芯片等。n专用SOCSOC一般专用于某个或某类系统中。有代表性的产品是PhilipsPhilips的Smart XASmart XA6/15/2024804、嵌入式片上系统(SystemOnChip)嵌入式系统811.2.2 ARM1.2.2 ARM微处理器简介nARMARM（Advanced RISC MachinesAdvanced RISC Machines），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。nARM ARM 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于 ARM ARM 体系结构的处理器，除了具有ARM ARM 体系结构的共同特点以外，每一个系列的ARMARM微处理器都有各自的特点和应用领域。n6/15/2024811.2.2ARM微处理器简介ARM（AdvancedRI82nARM7ARM7系列nARM9ARM9系列nARM9EARM9E系列nARM10EARM10E系列n4 4款通用嵌入式微处理器nSecurCoreSecurCore系列（专用于安全性要求较高的场合）nIntel Xscale(Intel Xscale(性价比高，用于数字移动电话等场合)nIntel StrongARMIntel StrongARM（多用于通信和消费产品）6/15/202482ARM7系列7/28/202382831.3 1.3 嵌入式系统的组成嵌入式系统是专用计算机应用系统，它具有一般计算机组成的共性，也是由硬件和软件组成。6/15/2024831.3嵌入式系统的组成嵌入式系统是专用计算机应用系统，它84硬件结构n嵌入式外围设备n在嵌入式硬件系统中，除了嵌入式处理器之外的完成存储、通信、I/OI/O、调试等功能的其它部件。n分类n存储器类型：静态易失型存储器(RAM/SRAM)(RAM/SRAM)，动态存储器(DRAM)(DRAM)，非易失型存储器(ROM(ROM、EPROMEPROM、EEPROMEEPROM、FLASH)FLASH)。其中，FLASH(FLASH(闪存)以可擦写次数多，存储速度快，容量大及价格便宜等有点在嵌入式领域得到广泛的应用。n接口类型：目前存在的所有接口在嵌入式系统中都有其广泛的应用，但是以下几种接口的应用最为广泛，包括RS-232RS-232接口(串口)、IrDA(IrDA(红外)、SPI(SPI(高速同步串行口)、I2CI2C（两线式串行总线）、USBUSB、EthernetEthernet（以太网）、CAN(CAN(控制器局域网)和普通并口。n显示类型：LCDLCD和触摸屏等外围显示设备。6/15/202484硬件结构嵌入式外围设备7/28/20238485嵌入式系统软件组成n嵌入式系统的软件包括设备驱动层、嵌入式操作系统、应用程序接口APIAPI（应用程序编程接口）层以及实际的应用程序层。6/15/202485嵌入式系统软件组成嵌入式系统的软件包括设备驱动层、嵌入式操作86（1）中间层程序n硬件抽象层 HAL(Hardware Abstraction Layer)HAL(Hardware Abstraction Layer)n位于操作系统内核与硬件电路之间的接口层，其目的在于将硬件抽象化。也就是说，可通过程序来控制所有硬件电路如CPUCPU、I/OI/O、Memory Memory等的操作。这样就使得系统的设备驱动程序与硬件设备无关，从而大大地提高了系统的可移植性。n功能：完成相关硬件的初始化、数据的输入输出操作、硬件设备的配置等。6/15/202486（1）中间层程序硬件抽象层HAL(HardwareAbs87（2 2）板级支持包 n板级支持包 nARM ARM 板级支持包BSPBSP（Board Support PackageBoard Support Package）是介于主板硬件和操作系统中驱动层程序之间的一层，一般认为它属于操作系统的一部分，主要是实现对操作系统的支持，为上层的驱动程序提高 访问硬件设备寄存器的函数包，使之能够更好地运行于硬件主板。nBSPBSP是相对于操作系统而言的，不同的操作系统对应于不同定义的BSPBSP。6/15/202487（2）板级支持包板级支持包7/28/20238788n例如，VxWorksVxWorks的BSP BSP 和LinuxLinux的BSPBSP相对于某一CPUCPU来说，尽管实现的功能可以完全一样，但写法和接口定义却完全不同。n因此，BSP BSP 一定要按照该系统的BSPBSP的定义形式来写（BSPBSP的编程过程大多数是在某一个成型的BSPBSP模板上进行修改），这样才能与上层OSOS保持正确的接口，良好地支持上层OSOS。板级支持包实现的功能大体有以下两个方面：统启动时，完成对硬件的初始化。6/15/202488例如，VxWorks的BSP和Linux的BSP相对于某一89nBSPBSP部分在硬件和操作系统，上层应用程序之间。所以这就要求BSPBSP程序员对硬件，软件和操作系统都要有一定的了解。这样才能做好BSPBSP编程。6/15/202489BSP部分在硬件和操作系统，上层应用程序之间。所以这就要求B90（3 3）驱动层程序 n驱动层程序 n驱动层程序是嵌入式系统中不可缺少的重要部分，使用任何的外部设备都需要有相应的驱动层程序的支持，它为上层软件提供了设备的操作接口。上层软件不会理会设备的具体内部操作，只需调用驱动层程序提供的接口即可。6/15/202490（3）驱动层程序驱动层程序7/28/20239091嵌入式操作系统n嵌入式操作系统在嵌入式系统中发挥很重要作用。例如：进程管理、进程间通信、内存管理、文件管理、驱动程序、网络协议等。n常见的嵌入式系统有:Linux:Linux、uClinuxuClinux、WinCEWinCE、PalmOSPalmOS、SymbianSymbian、eCoseCos、uCOS-IIuCOS-II、VxWorksVxWorks、pSOSpSOS、NucleusNucleus、ThreadX ThreadX、Rtems Rtems、QNXQNX、INTEGRITYINTEGRITY、OSEOSE、C Executive.C Executive.6/15/202491嵌入式操作系统嵌入式操作系统在嵌入式系统中发挥很重要作用。例92 应用软件层 n应用软件层是由基于实时系统开发的应用程序组成，用来实现对被控对象的控制功能。功能层是要面对被控对象和用户，为方便用户操作，往往需要提供一个友好的人机界面。n6/15/202492应用软件层应用软件层是由基于实时系统开发的应用程序组成，931.4嵌入式操作系统n在发展初期并没有操作系统这个概念，用户使用监控程序来使用计算机。随着计算机技术的发展，计算机系统的硬件、软件资源越来越丰富，监控程序已不能适应计算机应用的要求。于是在六十年代中期监控程序进一步发展形成了操作系统。到目前为止，主流的操作系统有三种：多道批处理、分时和实时操作系统6/15/2024931.4嵌入式操作系统在发展初期并没有操作系统这个概念，用户941.4.1 嵌入式操作系统及其特点n作为嵌入式系统（包括硬、软件系统）极为重要的组成部分的嵌入式操作系统，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。n嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。n与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。n嵌入式操作系统特点：实时性、可靠性、可移植性、可裁减性、专用性。6/15/2024941.4.1嵌入式操作系统及其特点作为嵌入式系统（包括硬、软951.4.21.4.2几种嵌入式操作系统n1 1、VxWorks VxWorks nVxWorksVxWorks操作系统是美国WindRiverWindRiver公司于19831983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOSRTOS）。具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，n VxWorks VxWorks所具有的显著特点是：可靠性、实时性和可裁减性。它支持多种处理器，如x86x86、i960i