嵌入式系统与应用讲座课件

嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用李业德李业德 教授教授2014.10.132014.10.13主要内容主要内容什么是嵌入式系统什么是嵌入式系统嵌入式系统的历史与现状嵌入式系统的历史与现状嵌入式系统的发展及应用领域嵌入式系统的发展及应用领域嵌入式系统的特征嵌入式系统的特征 嵌入式系统的硬件组成嵌入式系统的硬件组成 嵌入式系统的软件系统嵌入式系统的软件系统1嵌入式系统的基本定义嵌入式系统的基本定义IEEEIEEE定义定义定义定义根据根据根据根据IEEEIEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：（国际电气和电子工程师协会）的定义：（国际电气和电子工程师协会）的定义：（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是嵌入式系统是嵌入式系统是嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作用于控制、监视或者辅助操作用于控制、监视或者辅助操作用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置机器和设备的装置机器和设备的装置机器和设备的装置”（原文为（原文为（原文为（原文为devices used to devices used to control,monitor,or assist the control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or operation of equipment,machinery or plantsplants）。）。）。）。可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。属装置。属装置。属装置。n nEmbedded systemn n个人电脑嵌入式系统n n简单的讲，嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。n n广义的讲，可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统微机学会的定义微机学会的定义嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统。可分为系统级、板级、片级机系统。可分为系统级、板级、片级系统级：各种类型的工控器、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单片机与嵌入式系统应用单片机与嵌入式系统应用定义定义嵌入式系统是嵌入到对象体系内部的专用计算机系统n n嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。实际上，嵌嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。实际上，嵌嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。实际上，嵌嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。实际上，嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，而且有时很难以给它下一个准确的定义。现式系统，而且有时很难以给它下一个准确的定义。现式系统，而且有时很难以给它下一个准确的定义。现式系统，而且有时很难以给它下一个准确的定义。现在人们讲嵌入式系统时，某种程度上指具有操作系统在人们讲嵌入式系统时，某种程度上指具有操作系统在人们讲嵌入式系统时，某种程度上指具有操作系统在人们讲嵌入式系统时，某种程度上指具有操作系统的嵌入式系统。的嵌入式系统。的嵌入式系统。的嵌入式系统。n n 目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每个角落，目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每个角落，目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每个角落，目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每个角落，工业、服务业、消费电子工业、服务业、消费电子工业、服务业、消费电子工业、服务业、消费电子，而恰恰由于这种范围，而恰恰由于这种范围，而恰恰由于这种范围，而恰恰由于这种范围的扩大，使得的扩大，使得的扩大，使得的扩大，使得“嵌入式系统嵌入式系统嵌入式系统嵌入式系统”更加难于明确定义。更加难于明确定义。更加难于明确定义。更加难于明确定义。通用定义通用定义“以应用为中心、以计算机技术为基础、以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。算机系统。”2嵌入式系统的历史与现状嵌入式系统的历史与现状n n嵌入式系统的发展历史嵌入式系统的发展历史嵌入式系统的发展历史嵌入式系统的发展历史n n虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的，但是这个概念并非新近才虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的，但是这个概念并非新近才虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的，但是这个概念并非新近才虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的，但是这个概念并非新近才出现。从出现。从出现。从出现。从20202020世纪七十年代单片机的出现到今天的嵌入式微处理器，微控世纪七十年代单片机的出现到今天的嵌入式微处理器，微控世纪七十年代单片机的出现到今天的嵌入式微处理器，微控世纪七十年代单片机的出现到今天的嵌入式微处理器，微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近30303030年的发展历史。年的发展历史。年的发展历史。年的发展历史。n n作为一个系统，往往是在硬件和软件交替发展的双螺旋的支撑下逐作为一个系统，往往是在硬件和软件交替发展的双螺旋的支撑下逐作为一个系统，往往是在硬件和软件交替发展的双螺旋的支撑下逐作为一个系统，往往是在硬件和软件交替发展的双螺旋的支撑下逐渐趋于稳定和成熟，嵌入式系统也不例外。渐趋于稳定和成熟，嵌入式系统也不例外。渐趋于稳定和成熟，嵌入式系统也不例外。渐趋于稳定和成熟，嵌入式系统也不例外。n n嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。使得汽车、家电、工业机嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。使得汽车、家电、工业机嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。使得汽车、家电、工业机嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。这些装置已经初步具备了嵌入使用性能：更容易使用、更快、更便宜。这些装置已经初步具备了嵌入使用性能：更容易使用、更快、更便宜。这些装置已经初步具备了嵌入使用性能：更容易使用、更快、更便宜。这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只是使用位的芯片，执行一些单线程式的应用特点，但是这时的应用只是使用位的芯片，执行一些单线程式的应用特点，但是这时的应用只是使用位的芯片，执行一些单线程式的应用特点，但是这时的应用只是使用位的芯片，执行一些单线程的程序，还谈不上的程序，还谈不上的程序，还谈不上的程序，还谈不上“系统系统系统系统”的概念。的概念。的概念。的概念。n n最早的单片机是最早的单片机是最早的单片机是最早的单片机是IntelIntelIntelIntel公司的公司的公司的公司的 8048804880488048。MotorolaMotorolaMotorolaMotorola同时推出了同时推出了同时推出了同时推出了68HC0568HC0568HC0568HC05，ZilogZilogZilogZilog公司推出了公司推出了公司推出了公司推出了Z80Z80Z80Z80系列。之后在系列。之后在系列。之后在系列。之后在80808080年代初，年代初，年代初，年代初，IntelIntelIntelIntel又进一步完善了又进一步完善了又进一步完善了又进一步完善了8048804880488048，在它的基础上研制成功了，在它的基础上研制成功了，在它的基础上研制成功了，在它的基础上研制成功了8051805180518051，51515151系列的单片机仍然是最为成功的单系列的单片机仍然是最为成功的单系列的单片机仍然是最为成功的单系列的单片机仍然是最为成功的单片机芯片，在各种产品中有着非常广泛的应用。片机芯片，在各种产品中有着非常广泛的应用。片机芯片，在各种产品中有着非常广泛的应用。片机芯片，在各种产品中有着非常广泛的应用。发展现状发展现状随随着着信信息息化化，智智能能化化，网网络络化化的的发发展展，嵌嵌入入式式系系统统技技术术也也将将获获得得广广阔阔的的发发展展空空间间。美美国国著著名名未未来来学学家家 尼尼葛葛洛洛庞庞帝帝 9 99 9年年1 1月月访访华华时时预预言言，4 45 5年年后后嵌嵌入入 式式 智智 能能（电电 脑脑)工工 具具 将将 是是 P PC C 和和 因因 特特 网网 之之 后后 最最 伟伟 大大 的的 发发 明明。进进入入 2 20 0世世 纪纪 9 90 0年年代代，嵌嵌入入式式技技术术全全面面展展开开，目目前前已已成成为为通通信信和和消消费费类类产产品品的的共共同同发发展展方方向向。欧欧洲洲的的 D DV VB B（数数字字电电视视广广播播）技技术术已已在在全全球球大大多多数数国国家家推推 广广。数数 字字 音音 频频 广广 播播（D D A A B B）也也 已已 进进 入入 商商 品品 化化 试试 播播 阶阶 段段。目前对于企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移动信息采集等，目前对于企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移动信息采集等，这种小型手持嵌入式系统将发挥巨大的作用。这种小型手持嵌入式系统将发挥巨大的作用。ATMATM机，自动售货机，工业控机，自动售货机，工业控制等专用设备，移动通讯设备、制等专用设备，移动通讯设备、GPSGPS、嵌入式系统同样可以发挥巨大的作用。、嵌入式系统同样可以发挥巨大的作用。近期的近期的ADSLADSL产品，结合网络，控制，信息，这种智能化，网络化将是家电发产品，结合网络，控制，信息，这种智能化，网络化将是家电发展的新趋势。展的新趋势。硬件方面：硬件方面：不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开发包。目前低层系统和硬件平台经过若干年的研究，已经相对比较种配套开发包。目前低层系统和硬件平台经过若干年的研究，已经相对比较成熟，实现各种功能的芯片应有尽有。而且巨大的市场需求给我们提供了学成熟，实现各种功能的芯片应有尽有。而且巨大的市场需求给我们提供了学习研发的资金和技术力量。习研发的资金和技术力量。软件方面讲：软件方面讲：也有相当部分的成熟软件系统。同时由于是研究热点，所也有相当部分的成熟软件系统。同时由于是研究热点，所以我们可以在网上找到各种各样的免费资源，从各大厂商的开发文档，到各以我们可以在网上找到各种各样的免费资源，从各大厂商的开发文档，到各种驱动，程序源代码，甚至很多厂商还提供微处理器的样片。这对于我们从种驱动，程序源代码，甚至很多厂商还提供微处理器的样片。这对于我们从事这方面的研发，无疑是个资源宝库。事这方面的研发，无疑是个资源宝库。今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1 1万亿美元，万亿美元，19971997年来自美国年来自美国嵌入式系统大会嵌入式系统大会(Embedded System Conference)(Embedded System Conference)的报告指出，未来的报告指出，未来5 5年仅基于年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年15001500亿美元亿美元的新市场。福特公司的高级经理也曾宣称，的新市场。福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的福特出售的计算能力计算能力已超已超过了过了IBMIBM”，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。19981998年年1111月在美月在美国加州举行的嵌入式系统大会上，基于国加州举行的嵌入式系统大会上，基于RTOSRTOS的的Embedded InternetEmbedded Internet成为一个技成为一个技术新热点。术新热点。由此可见，嵌入式系统技术发展的空间真是无比广大。由此可见，嵌入式系统技术发展的空间真是无比广大。3嵌入式系统的发展及应用领域嵌入式系统的发展及应用领域嵌入式技术是后嵌入式技术是后PCPC时代的技术春天时代的技术春天事实上，嵌入式技术无处不在事实上，嵌入式技术无处不在事实上，嵌入式技术无处不在事实上，嵌入式技术无处不在,计算机技术也开始进入一个被称计算机技术也开始进入一个被称计算机技术也开始进入一个被称计算机技术也开始进入一个被称为后为后为后为后PCPCPCPC技术的春天，美国正在启动一项计划，网络无线介入平台。我技术的春天，美国正在启动一项计划，网络无线介入平台。我技术的春天，美国正在启动一项计划，网络无线介入平台。我技术的春天，美国正在启动一项计划，网络无线介入平台。我们不仅拥有那种放在桌上处理文档、进行工作管理和生产控制的计算们不仅拥有那种放在桌上处理文档、进行工作管理和生产控制的计算们不仅拥有那种放在桌上处理文档、进行工作管理和生产控制的计算们不仅拥有那种放在桌上处理文档、进行工作管理和生产控制的计算机机机机“机器机器机器机器”，而且一个普通人也可能拥有从大到小的各种使用嵌入式，而且一个普通人也可能拥有从大到小的各种使用嵌入式，而且一个普通人也可能拥有从大到小的各种使用嵌入式，而且一个普通人也可能拥有从大到小的各种使用嵌入式技术的电子产品：技术的电子产品：技术的电子产品：技术的电子产品：n nMP3MP3MP3MP3、PDAPDAPDAPDA、手机、智能玩具等；、手机、智能玩具等；、手机、智能玩具等；、手机、智能玩具等；n n电子病历，德国血压仪，无线收费超市电子病历，德国血压仪，无线收费超市电子病历，德国血压仪，无线收费超市电子病历，德国血压仪，无线收费超市,RF,RF,RF,RF物流，网络家电等；物流，网络家电等；物流，网络家电等；物流，网络家电等；n n智能车载电子设备，安全监控、智能车载电子设备，安全监控、智能车载电子设备，安全监控、智能车载电子设备，安全监控、GPSGPSGPSGPS、倒车雷达等。、倒车雷达等。、倒车雷达等。、倒车雷达等。n n高级酒店，电话、高级酒店，电话、高级酒店，电话、高级酒店，电话、TVTVTVTV、INTERNETINTERNETINTERNETINTERNET、PLAYPLAYPLAYPLAY、EMAILEMAILEMAILEMAIL、KEYKEYKEYKEY、无线集成；、无线集成；、无线集成；、无线集成；n n在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。飞机的电子设备，巴黎、东京、汉变着传统的工业生产和服务方式。飞机的电子设备，巴黎、东京、汉变着传统的工业生产和服务方式。飞机的电子设备，巴黎、东京、汉变着传统的工业生产和服务方式。飞机的电子设备，巴黎、东京、汉城等城市地铁买票系统。城等城市地铁买票系统。城等城市地铁买票系统。城等城市地铁买票系统。嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域一些典型的嵌入式系统应用实例一些典型的嵌入式系统应用实例嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。家庭智能管理系统家庭智能管理系统社区建筑的水、电、煤气表的远程自动抄表，社区建筑的水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，远程点菜器等。安全防火、防盗系统，远程点菜器等。社会发展方面：嵌入式社会发展方面：嵌入式Internet应用应用嵌入式应用嵌入式应用汽车电子汽车电子汽车电子产品（汽车电子产品（1818个嵌入式控制模块）个嵌入式控制模块）CANCAN总线总线网络网络n nECM:engine control moduleECM:engine control module的缩写的缩写 n nTCM:transmission control moduleTCM:transmission control module的缩写的缩写 (汽车变速箱汽车变速箱系统控制模块的简称系统控制模块的简称 )n nETM:ETM:自动跟踪变速箱自动跟踪变速箱n n SAS:SAS:汽车汽车安全预警系统安全预警系统 n nABC ABC 车身主动控制系统车身主动控制系统 DD DD 缸内直喷式柴油发动机缸内直喷式柴油发动机 DSC DSC 车身稳定控制系统车身稳定控制系统 SDi SDi 自然吸气式超柴油发动机自然吸气式超柴油发动机VSC VSC 车身稳定控制系统车身稳定控制系统 TA-Turbo TA-Turbo（涡轮增压）（涡轮增压）TRC TRC 牵引力控制系统牵引力控制系统 NOS NOS 氧化氮气增压系统氧化氮气增压系统 TCS TCS 牵引力控制系统牵引力控制系统 MA MA 机械增压机械增压 ABS ABS 防抱死制动系统防抱死制动系统 FF FF 前轮驱动前轮驱动 ASR ASR 加速防滑系统加速防滑系统 FR FR 后轮驱动后轮驱动 LCD LCD 限滑差速器限滑差速器 Ap Ap 恒时全轮驱动恒时全轮驱动 BAS BAS 制动辅助系统制动辅助系统 Az Az 接通式全轮驱动接通式全轮驱动n nDCS DCS 车身动态控制系统车身动态控制系统 ASM ASM 动态稳定系统动态稳定系统 EBA EBA 紧急制动辅助系统紧急制动辅助系统 AYC AYC 主动偏行系统主动偏行系统 EBD EBD 电子制动力分配系统电子制动力分配系统 ST ST 无级自动变速器无级自动变速器 EDS EDS 电子差速锁电子差速锁 AS AS 转向臂转向臂 ESP ESP 电子稳定程序系统电子稳定程序系统 QL QL 横向摆臂横向摆臂 HBA HBA 液压刹车辅助系统液压刹车辅助系统 DQL DQL 双横向摆臂双横向摆臂 HDC HDC 坡道控制系统坡道控制系统 LL LL 纵向摆臂纵向摆臂 HAC HAC 坡道起车控制系统坡道起车控制系统 SL SL 斜置摆臂斜置摆臂 DAC DAC 下坡行车辅助控制系统下坡行车辅助控制系统 ML ML 多导向轴多导向轴 A-TRC A-TRC 车身主动循迹控制系统车身主动循迹控制系统 SA SA 整体式车桥整体式车桥 SRS SRS 双安全气囊双安全气囊 DD DD 德迪戎式独立悬架后桥德迪戎式独立悬架后桥 SAHR SAHR 主动性头枕主动性头枕 VL VL 复合稳定杆式悬架后桥复合稳定杆式悬架后桥 GPS GPS 车载卫星定位导航系统车载卫星定位导航系统 FB FB 弹性支柱弹性支柱 i-Drive i-Drive 智能集成化操作系统智能集成化操作系统 DB DB 减震器支柱减震器支柱 智能玩具与机器人智能玩具与机器人嵌入式技术应用嵌入式技术应用工业控制工业控制n n工业方面：机床、冶金、电子、交通、航工业方面：机床、冶金、电子、交通、航空航天等行业技术升级的重要基础；空航天等行业技术升级的重要基础；军事侦察军事侦察反恐防暴反恐防暴n n2002年11月28日，以色列一选举投票点，发生枪击事件，造成至少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 空中飞行器空中飞行器n n微型飞行器-“黑寡妇”嵌入式系统与机器人技术嵌入式系统与机器人技术图:卡耐基梅隆大学和瑞士EPFL研制的机器人控制器（采用卡西欧PDA和Windows CE）基于基于WinCE的移动机器人平台的移动机器人平台基于基于RTLinux的仿人机器人的仿人机器人基于基于VXworks的火星探路者的火星探路者2004年年“勇气号勇气号”再次登陆火星再次登陆火星4.嵌入式系统的几个重要特征嵌入式系统的几个重要特征（1）系统内核小）系统内核小由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如ENEA公司的OSE分布式系统，内核只有5K，而Windows的内核则要大得多。嵌入式系统的几个重要特征嵌入式系统的几个重要特征（）专用性强（）专用性强（）专用性强（）专用性强嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。的移植。即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的改和通用软件的“升级升级”是完全不同的概念。是完全不同的概念。嵌入式系统的几个重要特征嵌入式系统的几个重要特征（）系统精简（）系统精简嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。嵌入式系统的几个重要特征嵌入式系统的几个重要特征（）高实时性（）高实时性OS这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。嵌入式系统的几个重要特征嵌入式系统的几个重要特征（5）嵌入式软件开发走向标准化）嵌入式软件开发走向标准化嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS（RealTime Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。嵌入式系统的几个重要特征嵌入式系统的几个重要特征（6）嵌入式系统需要开发工具和环境）嵌入式系统需要开发工具和环境 由于其本身不具备自主开发能力，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，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。嵌入式系统的几个重要特点嵌入式系统的几个重要特点 n n应用的特定性和广泛性 n n技术、知识的密集性 n n高效性 n n较长的生命周期 n n高可靠性 n n软硬一体，软件为主 n n无自举开发能力 5.嵌入式系统的架构嵌入式系统的架构冯冯诺依曼体系结构模型诺依曼体系结构模型哈佛体系结构哈佛体系结构CISC与与RISC的数据通道的数据通道CISC与与RISC的对比的对比CISC和和RISCn nCISCCISCCISCCISC：复杂指令集（复杂指令集（复杂指令集（复杂指令集（Complex Instruction Set Complex Instruction Set Complex Instruction Set Complex Instruction Set ComputerComputerComputerComputer）n n具有大量的指令和寻址方式具有大量的指令和寻址方式具有大量的指令和寻址方式具有大量的指令和寻址方式n n8/28/28/28/2原则：原则：原则：原则：80%80%80%80%的程序只使用的程序只使用的程序只使用的程序只使用20%20%20%20%的指令的指令的指令的指令n n大多数程序只使用少量的指令就能够运行。大多数程序只使用少量的指令就能够运行。大多数程序只使用少量的指令就能够运行。大多数程序只使用少量的指令就能够运行。n nRISCRISCRISCRISC：精简指令集（精简指令集（精简指令集（精简指令集（Reduced Instruction Set Reduced Instruction Set Reduced Instruction Set Reduced Instruction Set Computer)Computer)Computer)Computer)n n在通道中只包含最有用的指令在通道中只包含最有用的指令在通道中只包含最有用的指令在通道中只包含最有用的指令n n确保数据通道快速执行每一条指令确保数据通道快速执行每一条指令确保数据通道快速执行每一条指令确保数据通道快速执行每一条指令n n使使使使CPUCPUCPUCPU硬件结构设计变得更为简单硬件结构设计变得更为简单硬件结构设计变得更为简单硬件结构设计变得更为简单n n从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分，而目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种，流行体系结构包括MCU，MPU等30多个系列。其中从单片机、DSP、FPGA到ARM有着各式各样的品种，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从64kB到16MB，处理速度最快可以达到2000 MIPS，封装从8个引脚到144个引脚不等。6.嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下处理器一般就具备以下处理器一般就具备以下处理器一般就具备以下4 4个特点个特点个特点个特点n n对实时多任务有很强的支持能力对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。核的执行时间减少到最低限度。n n具有功能很强的存储区保护功能具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。能，同时也有利于软件诊断。n n可扩展的处理器结构可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。的最高性能的嵌入式微处理器。n n嵌入式微处理器必须功耗很低嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有系统更是如此，如需要功耗只有mWmW甚至甚至WW级。级。嵌入式微处理器分类嵌入式微处理器分类（1 1）嵌入式微控制器（）嵌入式微控制器（）嵌入式微控制器（）嵌入式微控制器（CPUCPU）n n嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种位的电子器嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。n n单片机芯片内部集成单片机芯片内部集成ROM/EPROMROM/EPROM、RAMRAM、总线、总线逻辑、总线、总线逻辑、定时定时/计数器、看门狗、计数器、看门狗、I/OI/O、串行口、脉宽调制输出、串行口、脉宽调制输出、A/DA/D、D/AD/A、Flash RAMFlash RAM、EEPROMEEPROM等各种必要功能和外设。等各种必要功能和外设。n n微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功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。耗和成本下降、可靠性提高。n n微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上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，因此称为微控制器外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。嵌入式微处理器分类嵌入式微处理器分类（2 2）嵌入式）嵌入式）嵌入式）嵌入式DSPDSP处理器处理器处理器处理器n nDSPDSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构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行了特殊设计，在数字滤波、和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、FFTFFT、谱分析、谱分析等各种仪器上等各种仪器上DSPDSP获得了大规模的应用。获得了大规模的应用。n nDSPDSP的理论算法在的理论算法在7070年代就已经出现，但是由于专门的年代就已经出现，但是由于专门的DSPDSP处处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPUMPU等由分立元件等由分立元件实现。实现。19821982年世界上诞生了首枚年世界上诞生了首枚DSPDSP芯片。在语音合成和编码芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。解码器中得到了广泛应用。DSPDSP的运算速度进一步提高，应用的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。n n目前最为广泛应用的嵌入式目前最为广泛应用的嵌入式DSPDSP处理器是处理器是TITI的的TMS320C2000/TMS320C2000/C5000C5000系列，另外如系列，另外如IntelIntel的的MCS-296MCS-296和和SiemensSiemens的的TriCoreTriCore也有也有各自的应用范围。各自的应用范围。嵌入式微处理器分类嵌入式微处理器分类（3）嵌入式微处理器（）嵌入式微处理器（Micro Processor Unit)n n MPUMPU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CPUCPU演变演变而来的。而来的。n n 与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。现嵌入式应用的特殊要求。n n 和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体和工业控制计算机相比，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。目前主积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有要的嵌入式处理器类型有Am186/88Am186/88、386EX386EX、SC-SC-400400、Power PCPower PC、6800068000、MIPSMIPS、ARMARM系列等系列等嵌入式微处理器分类嵌入式微处理器分类（4 4）嵌入式片上系统）嵌入式片上系统）嵌入式片上系统）嵌入式片上系统(System On Chip)(System On Chip)n nSoCSoC就是就是System on Chip System on Chip，SoCSoC嵌入式系统微处理嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。器就是一种电路系统。n n它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，像是像是ARM RISCARM RISC、MIPS RISCMIPS RISC、DSPDSP或是其他的微处或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，像是通用串行理器核心，加上通信的接口单元，像是通用串行端口（端口（USBUSB）、）、TCP/IPTCP/IP通信单元、通信单元、GPRSGPRS通信接口、通信接口、GSMGSM通信接口、通信接口、IEEE1394IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。立的处理芯片。新的发展方向：新的发展方向：SOC基于软件系统的分类基于软件系统的分类n n从软件方面划分，主要可以依据操作系统的类型。n n目前嵌入式系统的软件主要有两大类：实时系统和分时系统。n n其中实时系统又分为两类：硬实时系统和软实时系统。n n实时嵌入系统实时嵌入系统是为执行特定功能而设计的，可以严是为执行特定功能而设计的，可以严格的按时序执行功能。其最大的特征就是程序的执格的按时序执行功能。其最大的特征就是程序的执行具有确定性。在实时系统中，如果系统在指定的行具有确定性。在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务，会导致系统的全时间内未能实现某个确定的任务，会导致系统的全面失败，则系统被称为面失败，则系统被称为硬实时系统硬实时系统。而在。而在软实时系软实时系统统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命错误。致致命错误。n n 一个硬实时系统往往在硬件上需要添加专门用一个硬实时系统往往在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片，而软实时系统则于时间和优先级管理的控制芯片，而软实时系统则主要在软件方面通过编程实现时限的管理。比如主要在软件方面通过编程实现时限的管理。比如Windows CEWindows CE就是一个多任务分时系统，而就是一个多任务分时系统，而Ucos-IIUcos-II则则是典型的实时操作系统。是典型的实时操作系统。嵌入式系统与单片机、嵌入式系统与单片机、PC机的区别机的区别 嵌入式系统嵌入式系统嵌入式系统嵌入式系统单片机系统单片机系统单片机系统单片机系统 目前嵌入式系统的主流是以目前嵌入式系统的主流是以3232位嵌入式微处理器为核位嵌入式微处理器为核心的硬件设计和基于实时操作系统（心的硬件设计和基于实时操作系统（RTOSRTOS）的软件设）的软件设计计 单片机系统多为单片机系统多为4 4位、位、8 8位、位、1616位机，不适合运行操作位机，不适合运行操作系统，难以进行复杂的运算及处理功能系统，难以进行复杂的运算及处理功能 嵌入式系统强调基于平台的设计、软硬件协同设计嵌入式系统强调基于平台的设计、软硬件协同设计，单片机大多采用软硬件流水设计，单片机大多采用软硬件流水设计 嵌入式系统设计的核心是软件设计（占嵌入式系统设计的核心是软件设计（占70%70%左右的工左右的工作量），单片机系统软硬件设计所占比例基本相同作量），单片机系统软硬件设计所占比例基本相同嵌入式系统与单片机、嵌入式系统与单片机、PC机的区别机的区别 嵌入式系统嵌入式系统PC机机嵌入式系统一般是专用系统，而嵌入式系统一般是专用系统，而PCPC是通用计算是通用计算平台平台嵌入式系统的资源比嵌入式系统的资源比PCPC少得多少得多嵌入式系统软件故障带来的后果比嵌入式系统软件故障带来的后果比PCPC机大得多机大得多嵌入式系统一般采用实时操作系统嵌入式系统一般采用实时操作系统嵌入式系统大都有成本、功耗的要求嵌入式系统大都有成本、功耗的要求嵌入式系统得到多种微处理体系的支持嵌入式系统得到多种微处理体系的支持嵌入式系统需要专用的开发工具嵌入式系统需要专用的开发工具8.嵌入式系统组成嵌入式系统组成n n一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成。执行装置组成。n n嵌入式计算机系统嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由是整个嵌入式系统的核心，由硬硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。组成。n n执行装置执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型的震执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型的震动电机；也可以很复杂，如动电机；也可以很复杂，如SONY SONY 智能机器狗，上智能机器狗，上面集成了多个微小型控制电机和多种传感器。面集成了多个微小型控制电机和多种传感器。嵌入式系统的基本框架嵌入式系统的基本框架嵌入式系统的软嵌入式系统的软/硬件框架硬件框架嵌入式系统组成嵌入式系统组成-硬件层硬件层n n硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用设备接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。n n在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。（1）嵌入式微处理器）嵌入式微处理器n n嵌入式系统嵌入式系统硬件层的核心硬件层的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器与通用器与通用CPUCPU最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将通用特定用户群所专用设计的系统中，它将通用CPUCPU许多由板卡许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。n n嵌入式微处理器的嵌入式微处理器的体系结构体系结构可以采用冯可以采用冯 诺依曼体系或哈佛诺依曼体系或哈佛体系结构；体系结构；指令系统指令系统可以选用精简指令系统（可以选用精简指令系统（Reduced Reduced Instruction Set ComputerInstruction Set Computer，RISCRISC）和复杂指令系统）和复杂指令系统CISCCISC（Complex Instruction Set ComputerComplex Instruction Set Computer，CISCCISC）。）。RISCRISC计算机在通道中只包含最有用的指令，确保数据通道快速执计算机在通道中只包含最有用的指令，确保数据通道快速执行每一条指令，从而提高了执行效率并使行每一条指令，从而提高了执行效率并使CPUCPU硬件结构设计硬件结构设计变得更为简单。变得更为简单。n n嵌入式微处理器有各种不同的体系，即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度，或集成了不同的外设和接口。据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，体系结构有30多个系列，其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但与全球PC市场不同的是，没有一种嵌入式微处理器可以主导市场，仅以32位的产品而言，就有100种以上的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。（2）存储器）存储器n n嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码。嵌入式系统的存储器包含：n nCachen n主存n n辅助存储器。CacheCacheCache是一种容量小、速度快的存储器阵列它位于主是一种容量小、速度快的存储器阵列它位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是最近一段时存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。在需要进行间微处理器使用最多的程序代码和数据。在需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能的从数据读取操作时，微处理器尽可能的从CacheCache中读取数中读取数据，而不是从主存中读取，这样就大大改善了系统的据，而不是从主存中读取，这样就大大改善了系统的性能，提高了微处理器和主存之间的数据传输速率。性能，提高了微处理器和主存之间的数据传输速率。CacheCache的主要目标就是：减小存储器（如主存和辅的主要目标就是：减小存储器（如主存和辅助存储器）给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，助存储器）给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快，实时性更强。使处理速度更快，实时性更强。在嵌入式系统中在嵌入式系统中CacheCache全部集成在嵌入式微处理器内，全部集成在嵌入式微处理器内，可分为数据可分为数据CacheCache、指令、指令CacheCache或混合或混合CacheCache，CacheCache的的大小依不同处理器而定。一般中高档的嵌入式微处理大小依不同处理器而定。一般中高档的嵌入式微处理器才会把器才会把CacheCache集成进去。集成进去。主主存存n n主存是嵌入式微处理器能直接访问的寄存器，用来存放系统主存是嵌入式微处理器能直接访问的寄存器，用来存放系统和用户的程序及数据。它可以位于微处理器的内部或外部，和用户的程序及数据。它可以位于微处理器的内部或外部，其容量为其容量为256KB-1GB256KB-1GB，根据具体的应用而定，一般片内存储器，根据具体的应用而定，一般片内存储器容量小，速度快，片外存储器容量大。容量小，速度快，片外存储器容量大。n n常用作主存的存储器有：常用作主存的存储器有：n nROMROM类：类：NOR FlashNOR Flash、EPROMEPROM和和PROMPROM等。等。n nRAMRAM类：类：SRAMSRAM、DRAMDRAM和和SDRAMSDRAM等。等。n n其中其中NOR Flash NOR Flash 凭借其可擦写次数多、存储速度快、存凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应储容量大、价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。用。辅助存储器辅助存储器n n 辅助存储器用来存放大数据量的程序代码或信息，它的容量大、但读取速度与主存相比就慢的很多，用来长期保存用户的信息。n n嵌入式系统中常用的外存有：硬盘、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等。NOR Flash 的特点是芯片内执行（XIP，eXecute In Place），这样应用程序可以直接在Flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。Nand-flash内存其内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决方案。Nand-flash存储器具有容量较大，改写速度快等优点，适用于大量数据的存储（3）通用设备接口和）通用设备接口和I/O接口接口n n嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口，如口，如A/DA/D、D/AD/A、I/OI/O等，外设通过和片外其他设备等，外设通过和片外其他设备的或传感器的连接来实现微处理器的输入的或传感器的连接来实现微处理器的输入/输出功能。输出功能。每个外设通常都只有单一的功能，它可以在芯片外每个外设通常都只有单一的功能，它可以在芯片外也可以内置芯片中。外设的种类很多，可从一个简也可以内置芯片中。外设的种类很多，可从一个简单的串行通信设备到非常复杂的单的串行通信设备到非常复杂的802.11802.11无线设备。无线设备。n n目前嵌入式系统中常用的通用设备接口有目前嵌入式系统中常用的通用设备接口有A/DA/D（模（模/数转换接口）、数转换接口）、D/AD/A（数（数/模转换接口），模转换接口），I/OI/O接口有接口有RS-232RS-232接口（串行通信接口）、接口（串行通信接口）、EthernetEthernet（以太网接口）、（以太网接口）、USBUSB（通用串行总线接口）、音频（通用串行总线接口）、音频接口、接口、VGAVGA视频输出接口、视频输出接口、I I2 2C C（现场总线）、（现场总线）、SPISPI（串行外围设备接口）和（串行外围设备接口）和IrDAIrDA（红外线接口）等。（红外线接口）等。嵌入式系统组成嵌入式系统组成-中间层中间层 硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer，HAL）或板级支持包（Board Support Package，BSP），它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据BSP 层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。n n硬件相关性：因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，而作为上层软 件与硬件平台之间的接口，BSP需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。n n操作系统相关性：不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此，不同的操作系统具有特定的硬件接口形式。n n实际上，BSP是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：嵌入式系统的硬件初始化以及BSP功能，设计硬件相关的设备驱动。（1）嵌入式系统硬件初始化）嵌入式系统硬件初始化-BIOSn n 系统初始化过程可以分为系统初始化过程可以分为系统初始化过程可以分为系统初始化过程可以分为3 3 3 3个主要环节，按照自底向上、从个主要环节，按照自底向上、从个主要环节，按照自底向上、从个主要环节，按照自底向上、从硬件到软件的次序依次为：硬件到软件的次序依次为：硬件到软件的次序依次为：硬件到软件的次序依次为：片级初始化、板级初始化和系统级片级初始化、板级初始化和系统级片级初始化、板级初始化和系统级片级初始化、板级初始化和系统级初始化初始化初始化初始化。n n片级初始化：片级初始化：片级初始化：片级初始化：完成嵌入式微处理器的初始化完成嵌入式微处理器的初始化完成嵌入式微处理器的初始化完成嵌入式微处理器的初始化，包括设置嵌入式，包括设置嵌入式，包括设置嵌入式，包括设置嵌入式微处理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微处理器核心工微处理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微处理器核心工微处理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微处理器核心工微处理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微处理器核心工作模式和嵌入式微处理器的局部总线模式等。作模式和嵌入式微处理器的局部总线模式等。作模式和嵌入式微处理器的局部总线模式等。作模式和嵌入式微处理器的局部总线模式等。n n板级初始化：板级初始化：板级初始化：板级初始化：完成嵌入式微处理器以外的完成嵌入式微处理器以外的完成嵌入式微处理器以外的完成嵌入式微处理器以外的其他硬件设备的初始其他硬件设备的初始其他硬件设备的初始其他硬件设备的初始化化化化。另外，还需设置某些软件的数据结构和参数，为随后的系。另外，还需设置某些软件的数据结构和参数，为随后的系。另外，还需设置某些软件的数据结构和参数，为随后的系。另外，还需设置某些软件的数据结构和参数，为随后的系统级初始化和应用程序的运行建立硬件和软件环境。统级初始化和应用程序的运行建立硬件和软件环境。统级初始化和应用程序的运行建立硬件和软件环境。统级初始化和应用程序的运行建立硬件和软件环境。n n系统初始化：系统初始化：系统初始化：系统初始化：该初始化过程以该初始化过程以该初始化过程以该初始化过程以软件初始化为主软件初始化为主软件初始化为主软件初始化为主，主要进行操作，主要进行操作，主要进行操作，主要进行操作系统的初始化。系统的初始化。系统的初始化。系统的初始化。BSPBSPBSPBSP将对嵌入式微处理器的控制权转交给嵌入式将对嵌入式微处理器的控制权转交给