嵌入式系统原理及应用课件

嵌入式系统原理及应用2024/8/3嵌入式系统原理及应用2023/8/19课程目的本本课程介程介绍了嵌入式系了嵌入式系统的前沿技的前沿技术和和发展展趋势，重点，重点讲述了基于述了基于ARMARM微微处理器理器的嵌的嵌入式硬件平台、嵌入式入式硬件平台、嵌入式处理器的指令系理器的指令系统、嵌入式操作系嵌入式操作系统。使学生熟悉开。使学生熟悉开发环境与境与开开发流程、能流程、能够掌握嵌入式系掌握嵌入式系统设计的基的基本方法。本方法。2024/8/3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“嵌入式嵌入式课程是程是软、硬、硬结合、合、实践性很践性很强的的课。越来越。越来越软之后之后,学生不敢学生不敢动硬件硬件,敲敲键盘的人的人烧不了机器。同学不了机器。同学们对硬件、硬件、软件都要掌握了解件都要掌握了解,否否则计算机越来越算机越来越软之后之后很危很危险。”清清华大学大学计算机科学与技算机科学与技术系系的的杨士士强老老师在在谈到嵌入式系到嵌入式系统时说。2024/8/3“嵌入式课程是软、硬结合、实践性很强的课。越来越软之后,学生采用仿真采用仿真软件件SkyEyeSkyEye（天目）。（天目）。“这是清是清华大学博士做的一个工作大学博士做的一个工作,XScale,XScale已已经都做上去了都做上去了,我我们开开实验也用到了。也用到了。”北航出版社北航出版社源源码开放的嵌入式系开放的嵌入式系统软件分件分析与析与实践践基于基于SkyEyeSkyEye和和ARMARM开开发平台平台,“,“这样在微机上就可以做一部分的嵌入式系在微机上就可以做一部分的嵌入式系统实验,在在实验箱箱较少的情况下可以少的情况下可以辅助教学助教学”。2024/8/3采用仿真软件SkyEye（天目）。“这是清华大学博士做的需要的基础知识先先导课程程计算机操作系算机操作系统（LinuxLinux）微机原理微机原理汇编语言言C/CC/C语言（包括算法）言（包括算法）现代嵌入式逐代嵌入式逐渐向网向网络方面方面发展，展，计算机网算机网络。需要了解的基需要了解的基础知知识了解操作系了解操作系统、单片机和微机原理的基本概念，片机和微机原理的基本概念，能能够熟熟练使用使用C/CC/C语言。言。2024/8/3需要的基础知识先导课程2023/8/19掌握一种学掌握一种学习方法方法-理理论学学习和和实践并践并重重学学习嵌入式嵌入式软硬件系硬件系统的基本概念、基的基本概念、基本原理和本原理和设计方法方法为未来未来职场的的发展奠定技展奠定技术基基础前景非常好，前景非常好，现在在这方面的人才短缺。方面的人才短缺。而且而且做做这方面的越有方面的越有经验就越高薪，就越高薪，一般不存在一般不存在程序程序员3535岁失去失去优势的的问题。不不过相相对来来说，嵌入式需要的嵌入式需要的软、硬件知、硬件知识比比较多，所以多，所以显得得门槛较高。高。2024/8/3大家能够期望的收获掌握一种学习方法-理论学习和实践并重2023/8/19大家1.1.马维华马维华 编著编著.嵌入式系统原理与应用嵌入式系统原理与应用.北京：北京邮电大学出版社，北京：北京邮电大学出版社，200620062.2.李驹光李驹光 编著编著.ARM.ARM应用系统开发详解应用系统开发详解.北京：北京航空航天大学出版社，北京：北京航空航天大学出版社，2004 2004 3.3.怯肇乾怯肇乾 编著编著.嵌入式硬件体系设计嵌入式硬件体系设计.北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，200720072024/8/3参考教材1.马维华 编著.嵌入式系统原理与应用.2023/8/12024/8/31C H A P T E R绪论2023/8/191C H A P T E R绪2024/8/3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2023/8/19主要内容1324嵌入式系统简介嵌入式处理器嵌入式系统简介计算机系算机系统的三大的三大领域域服服务器市器市场功能功能强利利润最大的市最大的市场可用性可用性强可可扩展性展性桌面市桌面市场最广最广阔的市的市场嵌入式市嵌入式市场潜力最大的市潜力最大的市场2024/8/3嵌入式系统简介计算机系统的三大领域2023/8/19嵌入式系统简介以往以往计算机分算机分类：巨型机、大型巨型机、大型计算机、中型机、小型机和微算机、中型机、小型机和微计算机算机目前目前计算机分算机分类：超超级计算机，大型算机，大型计算机、工作站、微算机、工作站、微计算机、算机、亚微微计算机算机2024/8/3嵌入式系统简介以往计算机分类：2023/8/19电子子计算机就其算机就其规模或系模或系统功能而言，可分功能而言，可分为巨巨型、大型、中型、小型、微型型、大型、中型、小型、微型计算机和算机和单片机。片机。综合起来合起来说，计算机的分算机的分类是是这样的：的：按照性能指按照性能指标分分类 巨型机：巨型机：高速度、大容量高速度、大容量 大型机：大型机：速度快、速度快、应用于用于军事技事技术科研科研领域域 小型机：小型机：结构构简单、造价低、性能价格比突、造价低、性能价格比突出出 微型机：微型机：体体积小、重量小、重量轻、价格低、价格低 2024/8/3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、小超超级计算机：算机：通常是指由数百数千甚至更多的通常是指由数百数千甚至更多的处理理器（机）器（机）组成的、能成的、能计算普通算普通PCPC机和服机和服务器不能完器不能完成的大型复成的大型复杂课题的的计算机。算机。工作站工作站：是一种以个人：是一种以个人计算机和分布式网算机和分布式网络计算算为基基础，主要面向，主要面向专业应用用领域，具域，具备强大的数据运大的数据运算与算与图形、形、图像像处理能力，理能力，为满足工程足工程设计、动画画制作、科学研究、制作、科学研究、软件开件开发、金融管理、信息服、金融管理、信息服务、模模拟仿真等仿真等专业领域而域而设计开开发的高性能的高性能计算机。算机。亚微微计算机算机(嵌入式嵌入式计算机算机)是以嵌入式系是以嵌入式系统的的 形式形式隐藏在各种装置、藏在各种装置、产品和系品和系统中。中。2024/8/3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、嵌入式系统简介 一般定一般定义以以应用用为中心、以中心、以计算机技算机技术为基基础，软硬件可裁剪硬件可裁剪,应用系用系统对功能、可靠性、成本、体功能、可靠性、成本、体积、功耗和、功耗和应用用环境有特殊要求的境有特殊要求的专用用计算机系算机系统。是将。是将应用程序、用程序、操作系操作系统和和计算机硬件集成在一起的系算机硬件集成在一起的系统（技（技术角度）角度）嵌入式系嵌入式系统是是设计完成复完成复杂功能的硬件和功能的硬件和软件，并使件，并使其其紧密耦合在一起的密耦合在一起的计算机系算机系统。（系。（系统角度）角度）广广义定定义任何一个非任何一个非计算机的算机的计算系算系统2024/8/3嵌入式系统简介 一般定义2023/8/19IEEEIEEE定定义嵌入式系嵌入式系统是是“用于控制、用于控制、监视或者或者辅助操作助操作的机器、的机器、设备或装置或装置”（原文（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）。）。通常通常执行特定功能行特定功能嵌入式系嵌入式系统的核心的核心-嵌入式微嵌入式微处理器理器严格的格的时序和序和稳定性要求定性要求全自全自动操作循操作循环2024/8/3嵌入式系统简介IEEE定义2023/8/19嵌入式系统简介Institute of Electrical and Electronics Institute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE)Engineers(IEEE)美国美国电气和气和电子工程子工程师协会会美国美国电气和气和电子工程子工程师协会会(IEEE)(IEEE)是一个国是一个国际性的性的电子技子技术与信息科学工程与信息科学工程师的的协会，是世界上最大的会，是世界上最大的专业技技术组织之一（成之一（成员人数），人数），拥有来自有来自175175个国家个国家的的3636万会万会员(到到20052005年年)。IEEEIEEE是非盈利机构，活是非盈利机构，活动经费来源主要是会来源主要是会费。IEEEIEEE设有近有近2020个个奖励励项目，部分是目，部分是IEEEIEEE的的资金；有的金；有的是公司是公司赞助，如助，如IBMIBM、LucentLucent、日立、日立、东芝等。芝等。IEEEIEEE有有600600多个多个义务工作者从事工作者从事认证工作，充分利用工作，充分利用互互联网的网的优势发布各种最新技布各种最新技术信息。信息。2024/8/3Institute of Electrical and El嵌入式系统的特点专用性用性强 由于嵌入式系由于嵌入式系统通常是面向某个特定通常是面向某个特定应用的，用的，所以嵌入式系所以嵌入式系统的硬件和的硬件和软件，尤其是件，尤其是软件，件，都是都是为特定用特定用户群来群来设计的，它通常都具有的，它通常都具有某种某种专用性的特点。用性的特点。可靠性高可靠性高 由于有些嵌入式系由于有些嵌入式系统所承担的所承担的计算任算任务涉及涉及产品品质量、人身量、人身设备安全、国家机密等重大安全、国家机密等重大事事务，加之有些嵌入式系，加之有些嵌入式系统的宿主的宿主对象要工象要工作在无人作在无人值守的守的场合，例如危合，例如危险性高的工性高的工业环境中、内嵌有嵌入式系境中、内嵌有嵌入式系统的的仪器器仪表中、表中、在人在人际罕至的气象罕至的气象检测系系统中以及中以及为侦察察敌方行方行动的小型智能装置中等。所以与普通系的小型智能装置中等。所以与普通系统相比相比较，对嵌入式系嵌入式系统可靠性的要求极高。可靠性的要求极高。2024/8/3嵌入式系统的特点专用性强 2023/8/19嵌入式系统的特点实时性好性好 目前，嵌入式系目前，嵌入式系统广泛广泛应用于生用于生产过程控程控制、数据采集、制、数据采集、传输通信等通信等场合，主要用合，主要用来来对宿主宿主对象象进行控制，所以都行控制，所以都对嵌入式嵌入式系系统有或多或少的有或多或少的实时性。性。例如，例如，对嵌入在武器装各中的嵌入式系嵌入在武器装各中的嵌入式系统、在火箭中的嵌入式系在火箭中的嵌入式系统、一些工、一些工业控制装控制装置中的控制系置中的控制系统等等应用中的用中的实时性要求就性要求就极高。也正因极高。也正因为这种要求，在硬件上嵌人种要求，在硬件上嵌人式系式系统极少使用存取速度慢的磁极少使用存取速度慢的磁盘等存等存储器，在器，在软件上更是加以精心件上更是加以精心设计，从而可，从而可使嵌入式系使嵌入式系统快速地响快速地响应外部事件。外部事件。当然，随着嵌入式系当然，随着嵌入式系统应用的用的扩展，有些展，有些系系统对实时性要求也并不是很高，例如近性要求也并不是很高，例如近年来年来发展速度比展速度比较快的手持式快的手持式计算机、掌算机、掌上上电脑等。但等。但总体来体来说，实时性是性是对嵌入嵌入式系式系统的普遍要求，是的普遍要求，是设计者和用者和用户重点重点考考虑的一个重要指的一个重要指标。2024/8/3嵌入式系统的特点实时性好 2023/8/19嵌入式系统的特点可裁剪性好可裁剪性好 从嵌入式系从嵌入式系统专用性的特点来看，作用性的特点来看，作为嵌嵌入式系入式系统的供的供应者，理者，理应提供各式各提供各式各样的的硬件和硬件和软件以各件以各选用。但是，用。但是，这样做做势必必会提高会提高产品的成本。品的成本。为了既不提高成本，又了既不提高成本，又满足足专用性的需要，用性的需要，嵌入式系嵌入式系统的供的供应者必者必须采取相采取相应措施使措施使产品在通用和品在通用和专用之用之间进行某种平衡。行某种平衡。目前的做法是，把嵌人式系目前的做法是，把嵌人式系统硬件和操作硬件和操作系系统设计成可裁剪的，以便使嵌入式系成可裁剪的，以便使嵌入式系统开开发入入员根据根据实际应用需要来量体裁衣，用需要来量体裁衣，去除冗余，从而使系去除冗余，从而使系统在在满足足应用要求的用要求的前提下达到最精前提下达到最精简的配置。的配置。2024/8/3嵌入式系统的特点可裁剪性好 2023/8/19嵌入式系统的特点功耗低功耗低 有很多嵌入式系有很多嵌入式系统的宿主的宿主对象都是一些小象都是一些小型型应用系用系统，例如移，例如移动电话、pdapda、mp3mp3、飞机、机、舰船、数船、数码相机等，相机等，这些些设各不可各不可能配各容量能配各容量较大的大的电源，因此低功耗一直源，因此低功耗一直是嵌入式系是嵌入式系统最求的目最求的目标。当然也是当然也是为了降低系了降低系统的功耗，嵌入式系的功耗，嵌入式系统中的中的软件一般不存件一般不存储于磁于磁盘等等载体中，体中，而都固化在存而都固化在存储器芯片或器芯片或单片系片系统的存的存储器之中。器之中。嵌入式系嵌入式系统本身不具本身不具备自自举开开发能力，即能力，即使使设计完成以后用完成以后用户通常也是不能通常也是不能对其中其中的程序功能的程序功能进行修改的，必行修改的，必须有一套开有一套开发工具和工具和环境才能境才能进行开行开发。2024/8/3嵌入式系统的特点功耗低 2023/8/19嵌入式系统的特点不可不可垄断性断性PCPC有有WinTelWinTel垄断断嵌入式系嵌入式系统工工业的基的基础是以是以应用用为中心的中心的“芯片芯片”设计和面向和面向应用的用的软件件产品开品开发。产品相品相对稳定性定性普通普通处理器理器1818月月嵌入式嵌入式处理器理器8 81010年年2024/8/3嵌入式系统的特点不可垄断性2023/8/19嵌入式系统的发展嵌入式系嵌入式系统的出的出现至今已至今已经有有3030多年的多年的历史，近史，近几年来，几年来，计算机、通信、消算机、通信、消费电子的一体化子的一体化趋势日益明日益明显，嵌入式技，嵌入式技术已成已成为一个研究一个研究热点。点。纵观嵌入式技嵌入式技术的的发展展过程，大致程，大致经历四个四个阶段。段。2024/8/3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，近第一阶段以以单片机片机为核心低核心低级嵌入式系嵌入式系统系系统以以单芯片芯片为核心的可核心的可编程控制器形式的系程控制器形式的系统，具有与，具有与监测、伺服、指示、伺服、指示设备相配合相配合的功能。的功能。这类系系统大部分大部分应用于一些用于一些专业性性强的工的工业控制系控制系统中，一般没有操作系中，一般没有操作系统的支持，通的支持，通过汇编语言言编程程对系系统进行行直接控制。直接控制。这一一阶段系段系统的主要特点是：系的主要特点是：系统结构和构和功能相功能相对单一，一，处理效率理效率较低，存低，存储容量容量较小，几乎没有用小，几乎没有用户接口。由于接口。由于这种嵌入种嵌入式系式系统使用使用简单、价格低。、价格低。以前在国内工以前在国内工业领域域应用用较为普遍，但是普遍，但是已已经远不能适不能适应高效的、需要大容量存高效的、需要大容量存储的的现代工代工业控制和新控制和新兴信息家信息家电等等领域的域的需求。需求。2024/8/3第一阶段以单片机为核心低级嵌入式系统系统2023/8/19第二阶段以嵌入式以嵌入式CPUCPU为基基础、以、以简单操作系操作系统为核核心的嵌入式系心的嵌入式系统。主要特点是：主要特点是：CPUCPU种种类繁多，通用性比繁多，通用性比较弱；弱；系系统开开销小，效率高；操作系小，效率高；操作系统达到一定达到一定的兼容性和的兼容性和扩展性；展性；应用用软件件较专业化，化，用用户界面不界面不够友好。友好。2024/8/3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第三阶段以嵌入式操作系以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系志的嵌入式系统。主要特点是：嵌入式操作系主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各能运行于各种不同种不同类型的微型的微处理器上，兼容性好；操理器上，兼容性好；操作系作系统内核小、效率高，并且具有高度的内核小、效率高，并且具有高度的模模块化和化和扩展性；具展性；具备文件和目文件和目录管理、管理、多任多任务、网、网络支持、支持、图形窗口以及用形窗口以及用户界界面等功能；具有大量的面等功能；具有大量的应用程序接口用程序接口APIAPI，开开发应用程序用程序较简单；嵌入式；嵌入式应用用软件丰件丰富。富。2024/8/3第三阶段以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。2023/8/1API(Application Programming Interface,API(Application Programming Interface,应用用程序程序编程接口程接口)是一些是一些预先定先定义的函数，目的是提的函数，目的是提供供应用程序与开用程序与开发人人员基于某基于某软件或硬件的以件或硬件的以访问一一组例程的能力，而又无需例程的能力，而又无需访问源源码，或理解，或理解内部工作机制的内部工作机制的细节，API API 接口属于一种操作系接口属于一种操作系统或程序接口。或程序接口。APIAPI除了有除了有应用用“应用程序接口用程序接口”的意思外，的意思外，还特指特指 APIAPI的的说明文档，也称明文档，也称为帮助文档。另外，帮助文档。另外，也是美国石油也是美国石油协会、空气会、空气污染指数、医染指数、医药、空中、空中位置指示器的英文位置指示器的英文简称。称。2024/8/3API(Application Programming InAPI API 分分为四种四种类型：型：远程程过程程调用（用（RPCRPC）：通）：通过作用在共享数据作用在共享数据缓存存器上的器上的过程（或任程（或任务）实现程序程序间的通信。的通信。标准准查询语言（言（SQLSQL）：是）：是标准的准的访问数据的数据的查询语言，通言，通过通用数据通用数据库实现应用程序用程序间的数据共的数据共享。享。文件文件传输：文件：文件传输通通过发送格式化文件送格式化文件实现应用程序用程序间数据共享。数据共享。信息交付：指松耦合或信息交付：指松耦合或紧耦合耦合应用程序用程序间的小型的小型格式化信息，通格式化信息，通过程序程序间的直接通信的直接通信实现数据共数据共享。享。2024/8/32023/8/19图形用形用户接口（接口（GUIGUI）GUI GUI 是是Graphic User InterfaceGraphic User Interface，是，是图形形用用户接口，主要提供可接口，主要提供可视化界面方面的接化界面方面的接口口 ，属于直接用，属于直接用户接口接口 2024/8/3图形用户接口（GUI）2023/8/19第四阶段以以InternetInternet为标志的嵌入式系志的嵌入式系统。这是一个正在迅速是一个正在迅速发展的展的阶段。目前大多段。目前大多数嵌入式系数嵌入式系统还孤立于孤立于InternetInternet之外，但之外，但随着随着InternetInternet的的发展以及展以及InternetInternet技技术与与信息家信息家电、工、工业控制技控制技术结合日益密切，合日益密切，嵌入式嵌入式设备与与InternetInternet的的结合将代表嵌入合将代表嵌入式系式系统的未来的未来2024/8/3第四阶段以Internet为标志的嵌入式系统。2023/8/2、未来嵌入式系统的发展趋势信息信息时代，数字代，数字时代使得嵌入式代使得嵌入式产品品获得了巨大的得了巨大的发展契机，展契机，为嵌入式市嵌入式市场展展现了美好的前景，同了美好的前景，同时也也对嵌入式生嵌入式生产厂商厂商提出了新的挑提出了新的挑战，从中我，从中我们可以看出未来可以看出未来嵌入式系嵌入式系统的几大的几大发展展趋势：2024/8/32、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1 1嵌入式开嵌入式开发是一是一项系系统工程，因此要求嵌入式工程，因此要求嵌入式系系统厂商不厂商不仅要提供嵌入式要提供嵌入式软硬件系硬件系统本身，同本身，同时还需要提供需要提供强大的硬件开大的硬件开发工具和工具和软件包支持。件包支持。目前很多厂商已目前很多厂商已经充分考充分考虑到到这一点，在一点，在主推系主推系统的同的同时，将开，将开发环境也作境也作为重点重点推广。推广。比如三星在推广比如三星在推广Arm7Arm7，Arm9Arm9芯片的同芯片的同时还提供开提供开发板和版及支持包（板和版及支持包（BSPBSP），而），而WindowCEWindowCE在主推系在主推系统时也提供也提供Embedded VCEmbedded VC作作为开开发工具，工具，还有有VxworksVxworks的的TonadoTonado开开发环境，当然，境，当然，这也是市也是市场竞争的争的结果。果。2024/8/31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2 2网网络化、信息化的要求随着因特网技化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、的成熟、带宽的提高日益提高，使得以往的提高日益提高，使得以往单一功能的一功能的设备如如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，一，结构更加复构更加复杂。这就要求芯片就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多厂商在芯片上集成更多的功能，的功能，为了了满足足应用功能的升用功能的升级，设计师们一方面采用更一方面采用更强大的嵌入式大的嵌入式处理器如理器如3232位、位、6464位位RISCRISC芯片或信号芯片或信号处理器理器DSPDSP增增强处理能力，同理能力，同时增加功能接口，如增加功能接口，如USBUSB，扩展展总线类型加型加强对多媒体、多媒体、图形等的形等的处理，理，逐步逐步实施片上系施片上系统（SOCSOC）的概念。）的概念。软件方面采用件方面采用实时多任多任务编程技程技术和交叉和交叉开开发工具技工具技术来控制功能复来控制功能复杂性，性，简化化应用程序用程序设计、保障、保障软件件质量和量和缩短开短开发周周期。期。2024/8/32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3 3网网络互互联成成为必然必然趋势。未来的嵌入式未来的嵌入式设备为了适了适应网网络发展的要展的要求，必然要求硬件上提供各种网求，必然要求硬件上提供各种网络通信接通信接口。口。传统的的单片机片机对于网于网络支持不足，而支持不足，而新一代的嵌入式新一代的嵌入式处理器已理器已经开始内嵌网开始内嵌网络接口，除了支持接口，除了支持TCPTCPIPIP协议，还有的支持有的支持IEEE1394IEEE1394、USBUSB、CANCAN、BluetoothBluetooth通信接口通信接口中的一种或者几种，同中的一种或者几种，同时也需要提供相也需要提供相应的通信的通信组网网协议软件和物理件和物理层驱动软件。件。软件方面系件方面系统系系统内核支持网内核支持网络模模块，甚，甚至可以在至可以在设备上嵌入上嵌入WebWeb浏览器，真正器，真正实现随随时随地用各种随地用各种设备上网。上网。2024/8/33网络互联成为必然趋势。2023/8/194 4提供友好的多媒体人机界面提供友好的多媒体人机界面 嵌入式嵌入式设备能与用能与用户亲密接触，最重要的密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用因素就是它能提供非常友好的用户界面。界面。图像界面，灵活的控制方式，使得人像界面，灵活的控制方式，使得人们感感觉嵌入式嵌入式设备就象是一个熟悉的老朋友。就象是一个熟悉的老朋友。这方面的要求使得嵌入式方面的要求使得嵌入式软件件设计者要在者要在图形界面，多媒体技形界面，多媒体技术上痛下苦功。手写上痛下苦功。手写文字文字输入、入、语音音拨号上网、收号上网、收发电子子邮件件以及彩色以及彩色图形、形、图像都会使使用者像都会使使用者获得自得自由的感受。由的感受。目前一些先目前一些先进的的PDAPDA在在显示屏幕上已示屏幕上已实现汉字写入、短消息字写入、短消息语音音发布，但一般的嵌入布，但一般的嵌入式式设备距离距离这个要求个要求还有很有很长的路要走的路要走 2024/8/34提供友好的多媒体人机界面 2023/8/19嵌入式系统的应用领域2024/8/3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嵌入式系统的应用领域2023/8/19嵌入式应用信息家电智能嵌入式系统的应用家用方面：数字家用方面：数字电视、信息家、信息家电、智能玩具、智能玩具、手持通手持通讯、存、存储设备的核心。的核心。2024/8/3嵌入式系统的应用家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持嵌入式视频服务器2024/8/3嵌入式视频服务器2023/8/192024/8/3现代化家庭2023/8/19现代化家庭嵌入式Internet应用2024/8/3嵌入式Internet应用2023/8/19嵌入式系统在信息家电中的应用信息家信息家电(Information Appliance(Information Appliance）一般可一般可认为，那些低，那些低单价、操作价、操作简单、可通可通过因特网因特网发送或送或获取信息，将逐步取信息，将逐步分割或替代分割或替代PCPC的某些功能，并能与其它的某些功能，并能与其它信息信息产品交品交换资料或料或讯息的息的产品可品可统称称为信息家信息家电。2024/8/3嵌入式系统在信息家电中的应用信息家电(Information信息家电的分类及特点信息家信息家电的分的分类网网络电视（NetTVNetTV）网上游网上游戏机（机（Internet gaming deviceInternet gaming device）智能掌上型智能掌上型设备(Internet smart handheld device)(Internet smart handheld device)网网络电话（Internet screen PhoneInternet screen Phone）Consumer NC clientConsumer NC client等。等。信息家信息家电技技术特点特点处理器理器发展展趋向低成本、高整合性与低耗能。向低成本、高整合性与低耗能。整合数字与模整合数字与模拟处理的技理的技术。较PCPC更更强调通通讯能力。能力。利用利用软件增加件增加产品的差异性品的差异性(高附加价高附加价值的关的关键)2024/8/3信息家电的分类及特点信息家电的分类2023/8/19典型的信息家电产品2024/8/3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 WebTV网络可视电话具有集成网络接入的屏幕电话InfoGear iPhone网络游戏机具有集成网络接入的游戏操纵台Sega Dreamcast网络智能手持器件蜂窝电话、个人数据助理（PDA）和其它集成网络接入的便携式器件3Com Palm AT&T PocketNet Phone Nokia 9000,9000I,9110,7110NC委托（clients）提供网络接入以及能下载应用软件的器件IBM NetStationPC-中间器件通过PC接入网络以下载内容的器件DIAMON Multimedia Rio Player Nuvomedia Rocket e-BookAudible Mobile PlayerSource:IDC,Hambrecht&Quist典型的信息家电产品2023/8/19定义代表性产品网络电视具信息家电数字机顶盒2024/8/3信息家电数字机顶盒2023/8/19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总总线网络线网络2024/8/3VOLVO S80汽车的CAN总线网络嵌入式应用汽车电子汽车电子产品（18个嵌入式控制模块）CAN总线网络2022024/8/3智能玩具与机器人2023/8/19智能玩具与机器人嵌入式技术应用工业控制工业方面：机床、冶金、电子、交通、航空航天等行业技术升级的重要基础2024/8/3嵌入式技术应用工业控制工业方面：机床、冶金、电子、交通、2024/8/3阿富汗参加反恐作战的“赫耳墨斯”价值4万美元，可携带2架摄像机，发挥了很好作用。军事侦察2023/8/19阿富汗参加反恐作战的“赫耳墨斯”价值4万美 20022002年年1111月月2828日，日，以色列一以色列一选举投票投票点，点，发生生枪击事件，事件，造成至少造成至少7 7人死亡，人死亡，数十人受数十人受伤。以警。以警方用机器方用机器人在人在检查一具巴勒一具巴勒斯坦斯坦枪手手的尸体。的尸体。2024/8/3反恐防暴 2002年11月28日，以色列一选举投票点，发生枪击事微型飞行器微型飞行器-“-“黑寡妇黑寡妇”2024/8/3空中飞行器微型飞行器-“黑寡妇”2023/8/19空中飞行器基于Win CE的移动机器人平台2024/8/3基于Win CE的移动机器人平台2023/8/19基于RTLinux的仿人机器人 2024/8/3高 48 cm重:6 kg灵活性：20 DOF操作系统:RT-Linux接口形式:USB 1.0(12Mbps)响应周期:1ms能源：DC24V x 6.2A(150W)制造：富士通 基于RTLinux的仿人机器人 2023/8/19高 48 基于VXworks的火星探路者2024/8/3基于VXworks的火星探路者2023/8/192004年“勇气号”再次登陆火星2024/8/32004年“勇气号”再次登陆火星2023/8/19嵌入式系统学习方法嵌入式系嵌入式系统无疑是当前最无疑是当前最热门最有最有发展前展前途的途的ITIT应用用领域之一。嵌入式系域之一。嵌入式系统用在一用在一些特定些特定专用用设备上，通常上，通常这些些设备的硬件的硬件资源（如源（如处理器、存理器、存储器等）非常有限，器等）非常有限，并且并且对成本很敏感，有成本很敏感，有时对实时响响应要求要求很高等。特很高等。特别是随着消是随着消费家家电的智能化，的智能化，嵌入式更嵌入式更显重要。重要。像我像我们平常常平常常见到的手机、到的手机、PDAPDA、电子字典、子字典、可可视电话、VCD/DVD/MP3 PlayerVCD/DVD/MP3 Player、数字相、数字相机（机（DCDC）、数字）、数字摄像机像机(DV)(DV)、U-DiskU-Disk、机、机顶盒盒(Set Top Box)(Set Top Box)、高清、高清电视(HDTV)(HDTV)、游、游戏机、智能玩具、交机、智能玩具、交换机、路由器、数控机、路由器、数控设备或或仪表、汽表、汽车电子、家子、家电控制系控制系统、医医疗仪器、航天航空器、航天航空设备等等都是典型的等等都是典型的嵌入式系嵌入式系统。2024/8/3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I嵌入式系嵌入式系统是是软硬硬结合的合的东西，搞嵌入式开西，搞嵌入式开发的的人有两人有两类。一一类是学是学电子工程、通信工程等偏硬件子工程、通信工程等偏硬件专业出身出身的人，主要是搞硬件的人，主要是搞硬件设计，有，有时要开要开发一些与硬一些与硬件关系最密切的最底件关系最密切的最底层软件，如件，如BootLoaderBootLoader、Board Support Package(Board Support Package(像像PCPC的的BIOSBIOS一一样，往下，往下驱动硬件，往上支持操作系硬件，往上支持操作系统），最初），最初级的硬件的硬件驱动程序等。程序等。优势是是对硬件原理非常清楚，不足是他硬件原理非常清楚，不足是他们更擅更擅长定定义各种硬件接口，但各种硬件接口，但对复复杂软件系件系统往往力不往往力不从心（例如嵌入式操作系从心（例如嵌入式操作系统原理和复原理和复杂应用用软件件等）。等）。2024/8/3嵌入式系统是软硬结合的东西，搞嵌入式开发的人有两类。202另一另一类是学是学软件、件、计算机算机专业出身的人，主要从出身的人，主要从事嵌入式操作系事嵌入式操作系统和和应用用软件的开件的开发。如果学如果学软件的人件的人对硬件原理和接口有硬件原理和接口有较好好的掌握，完全也可写的掌握，完全也可写BSPBSP和硬件和硬件驱动程序。程序。嵌入式硬件嵌入式硬件设计完后，各种功能就全靠完后，各种功能就全靠软件来件来实现了，嵌入式了，嵌入式设备的增的增值很大程度很大程度上取决于嵌入式上取决于嵌入式软件，件，这占了嵌入式系占了嵌入式系统的最主要工作（目前有很多公司将硬件的最主要工作（目前有很多公司将硬件设计包包给了了专门的硬件公司，稍复的硬件公司，稍复杂的硬件的硬件都交都交给台湾或国外公司台湾或国外公司设计，国内的硬件，国内的硬件设计力量很弱，很多嵌入式公司自己只力量很弱，很多嵌入式公司自己只负责开开发软件，因件，因为公司都知道，嵌入式公司都知道，嵌入式产品的差异很大程度在品的差异很大程度在软件上，在件上，在软件方面件方面是最有是最有“花花头”可做的），可做的），所以搞所以搞软件的人完全不用担心在嵌入式市件的人完全不用担心在嵌入式市场上的用武之地，越是智能上的用武之地，越是智能设备越是复越是复杂系系统，软件越起关件越起关键作用，而且作用，而且这是目前是目前的的趋势。2024/8/3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a a 掌握主流嵌入式微掌握主流嵌入式微处理器的理器的结构与原理构与原理 b b 必必须掌握一个嵌入式操作系掌握一个嵌入式操作系统 c c 熟悉嵌入式熟悉嵌入式软件开件开发流程。流程。2024/8/3a 掌握主流嵌入式微处理器的结构与原理 2023/8/191.2 嵌入式微处理器2024/8/31.2 嵌入式微处理器2023/8/19嵌入式处理器分类微微处理器理器(Microprocessor Unit,MPU)(Microprocessor Unit,MPU)微控制器微控制器(Microcontroller Unit,MCU)(Microcontroller Unit,MCU)嵌入式嵌入式DSP(Embedded Digital Signal DSP(Embedded Digital Signal Processor,EDSP)Processor,EDSP)片上系片上系统(System On Chip)(System On Chip)2024/8/3嵌入式处理器分类微处理器(Microprocessor Un1、嵌入式微处理器(EMPU)嵌入式微嵌入式微处理器的基理器的基础是通用是通用计算机中的算机中的CPUCPU。在。在应用中，将微用中，将微处理器装配在理器装配在专门设计的的电路板上，只保留和嵌入式路板上，只保留和嵌入式应用有关用有关的母板功能，的母板功能，这样可以大幅度减小系可以大幅度减小系统体体积和功耗。和功耗。为了了满足嵌入式足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式用的特殊要求，嵌入式微微处理器理器虽然在功能上和然在功能上和标准微准微处理器基理器基本是一本是一样的，但在工作温度、抗的，但在工作温度、抗电磁干磁干扰、可靠性等方面一般都做可靠性等方面一般都做 了各种增了各种增强。嵌入式微嵌入式微处理器具有体理器具有体积小、重量小、重量轻、成、成本低、可靠性高的本低、可靠性高的优点，但是在点，但是在电路板上路板上必必须包括包括ROMROM、RAMRAM、总线接口、各种外接口、各种外设等器件，等器件，从而降低了系从而降低了系统的可靠性，技的可靠性，技术保密性也保密性也较差。差。2024/8/31、嵌入式微处理器(EMPU)嵌入式微处理器的基础是通用计算嵌入式微嵌入式微处理器及其存理器及其存储器、器、总线、外、外设等安装等安装在一在一块电路板上，称路板上，称为单板板计算机。算机。如如STD-BUSSTD-BUS、PC104 PC104 等。近年来，德国、日本的一等。近年来，德国、日本的一些公司又开些公司又开发出了出了类似似“火柴盒火柴盒”式名片大小的式名片大小的嵌入式嵌入式计算机系列算机系列OEMOEM产品。品。嵌入式嵌入式处理器目前主要有理器目前主要有Am186/88Am186/88、386EX386EX、SC-SC-400400、Power PCPower PC、6800068000、MIPSMIPS、ARMARM系列等。系列等。2024/8/3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RAM(Random Access Memory)RAM(Random Access Memory)全名全名为随机存取随机存取记忆体，它相当于体，它相当于PCPC机上的移机上的移动存存储，用来存，用来存储和保存数据的。它在任何和保存数据的。它在任何时候都候都可以可以读写，写，RAMRAM通常是作通常是作为操作系操作系统或其他正在运或其他正在运行程序的行程序的临时存存储介介质(内存内存)。当。当电源关源关闭时RAMRAM不能保留数据。不能保留数据。2024/8/3RAM(Random Access Memory)全名为随RAMRAM有有SRAMSRAM、DRAMDRAM两大两大类SRAMSRAM（Static RAM/SRAMStatic RAM/SRAM），），静静态RAMRAM，SRAMSRAM速度非常快，是目前速度非常快，是目前读写最写最快的存快的存储设备了，但是它也非常昂了，但是它也非常昂贵，所以只在要，所以只在要求很苛刻的地方使用，譬如求很苛刻的地方使用，譬如CPUCPU的一的一级缓冲，冲，二二级缓冲。冲。DRAMDRAM（Dynamic RAM/DRAMDynamic RAM/DRAM），），动态RAMRAM保留数据的保留数据的时间很短，速度也比很短，速度也比SRAMSRAM慢，慢，不不过它它还是比任何的是比任何的ROMROM都要快，但从价格上来都要快，但从价格上来说DRAMDRAM相比相比SRAMSRAM要便宜很多，要便宜很多，计算机内存就是算机内存就是DRAMDRAM的。的。2024/8/3RAM有SRAM、DRAM两大类2023/8/19ROM(Read Only Memory)ROM(Read Only Memory)只只读存存储器。在器。在ROMROM中的内容只能中的内容只能读不能改，不能改，是在工厂里用特殊的方法被是在工厂里用特殊的方法被烧录进去的。去的。PROM:Programmable ROMPROM:Programmable ROM，可，可编程程ROMROM。用。用户可以用可以用专用的用的编程器将自己的程器将自己的资料写入，料写入，但是但是这种机会只有一次，一旦写入后也无种机会只有一次，一旦写入后也无法修改。法修改。EPROMEPROM：Erasable Programmable ROMErasable Programmable ROM，可，可擦除可擦除可编程程ROMROM。芯片写入要用。芯片写入要用专用的用的编程程器，可重复擦除和写入。器，可重复擦除和写入。EEPROMEEPROM：Electrically Erasable Electrically Erasable Programmable ROMProgrammable ROM，电可擦除可可擦除可编程程ROMROM。价格很高，写入。价格很高，写入时间很很长，写入很慢。但它的写入、擦除不需，写入很慢。但它的写入、擦除不需要借助于其它要借助于其它设备，是以，是以电子信号来修改子信号来修改其内容的。用厂商提供的其内容的。用厂商提供的专用刷新程序并用刷新程序并利用一定的利用一定的编程程电压就可以就可以轻而易而易举地改地改写内容。写内容。2024/8/3ROM(Read Only Memory)只读存储器。在RFLASHFLASH存存储器器(闪存存)它它结合了合了ROMROM和和RAMRAM的的长处，不，不仅具具备电子可擦出可子可擦出可编程（程（EEPROMEEPROM）的性能，）的性能，还不会断不会断电丢失数据同失数据同时可以快速可以快速读取数据（取数据（NVRAMNVRAM的的优势），），U U盘和和MP3MP3里用的就是里用的就是这种存种存储器。在器。在过去的去的2020年里，嵌入式系年里，嵌入式系统一直使用一直使用ROMROM（EPROMEPROM）作）作为它它们的存的存储设备，然而近年来，然而近年来FlashFlash全面代替了全面代替了ROMROM（EPROMEPROM）在嵌入式系）在嵌入式系统中的中的地位，用作存地位，用作存储BootloaderBootloader以及操作系以及操作系统或者程或者程序代序代码或者直接当硬或者直接当硬盘使用（使用（U U盘）。）。2024/8/3FLASH存储器(闪存)它结合了ROM和RAM的长处，不仅具2、嵌入式微控制器(MCU)嵌入式微控制器又称嵌入式微控制器又称单片机，片机，顾名思名思义，就是将，就是将整个整个计算机系算机系统集成到一集成到一块芯片中。芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核理器内核为核核心，芯片内部集成心，芯片内部集成 ROM/EPROMROM/EPROM、RAMRAM、总线、总线逻辑、定、定时/计数器、数器、WatchDogWatchDog、I/OI/O、串行口、串行口、脉脉宽调制制输出、出、A/DA/D、D/AD/A、FlashRAMFlashRAM、EEPROMEEPROM等等各种必要功能和外各种必要功能和外设。为适适应不同的不同的应用需求，一般一个系列的用需求，一般一个系列的单片机片机具有多种衍生具有多种衍生产品，每种衍生品，每种衍生产品的品的处理器内核理器内核都是一都是一样的，不同的是存的，不同的是存储器器 和外和外设的配置及封的配置及封装。装。这样可以使可以使单片机最大限度地和片机最大限度地和应用需求相用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。2024/8/32、嵌入式微控制器(MCU)嵌入式微控制器又称单片机，顾名思和嵌入式微和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、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可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工工业的的主流。微控制器的片上外主流。微控制器的片上外设资源一般比源一般比较丰富，丰富，适合于控制，因此称微控制器。适合于控制，因此称微控制器。嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有有代表性的通用系列包括代表性的通用系列包括80518051、P51XAP51XA、MCS-251MCS-251、MCS-96/196/296MCS-96/196/296、C166/167C166/167、MC68HC05/11/12/16MC68HC05/11/12/16、6830068300等。等。2024/8/3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watchdogwatchdog在由在由单片机构成的微型片机构成的微型计算机系算机系统中中,由于由于单片机的工作常常会受到来自外界片机的工作常常会受到来自外界电磁磁场的干的干扰,造造成程序的跑成程序的跑飞,而陷入死循而陷入死循环,程序的正常运行被程序的正常运行被打断打断,由由单片机控制的系片机控制的系统无法无法继续工作工作,会造成会造成整个系整个系统的陷入停滞状的陷入停滞状态,发生不可生不可预料的后果料的后果,所以出于所以出于对单片机运行状片机运行状态进行行实时监测的考的考虑,便便产生了一种生了一种专门用于用于监测单片机程序运行状片机程序运行状态的芯片的芯片,俗称俗称 看看门狗狗 2024/8/3watchdog在由单片机构成的微型计算机系统中,由于工作原理：在系工作原理：在系统运行以后也就启运行以后也就启动了看了看门狗的狗的计数器，看数器，看门狗就开始自狗就开始自动计数，如果到了一定数，如果到了一定的的时间还不去清看不去清看门狗，那么看狗，那么看门狗狗计数器就会数器就会溢出从而引起看溢出从而引起看门狗中断，造成系狗中断，造成系统复位。所以复位。所以在使用有看在使用有看门狗的芯片狗的芯片时要注意清看要注意清看门狗。狗。硬件看硬件看门狗是利用了一个定狗是利用了一个定时器，来器，来监控主控主程序的运行，也就是程序的运行，也就是说在主程序的运行在主程序的运行过程中，程中，我我们要在定要在定时时间到之前到之前对定定时器器进行复位如果行复位如果出出现死循死循环，或者，或者说PCPC指指针不能回来。那么定不能回来。那么定时时间到后就会使到后就会使单片机复位。片机复位。软件看件看门狗技狗技术的原理和的原理和这差不多，只不差不多，只不过是用是用软件的方法件的方法实现，2024/8/3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A/DA/D转换器器模数模数转换，将模，将模拟信号信号变成数字信号，便于数字成数字信号，便于数字设备处理。理。D/AD/A转换器器数模数模转换，将数字信号，将数字信号转换为模模拟信号与外部世信号与外部世界接口。界接口。2024/8/3A/D转换器2023/8/19定定时器器相当于内部定相当于内部定时中断中断,比如比如,每隔一每隔一个固定的个固定的时间来刷新一下来刷新一下显示数据示数据,那么就那么就可以用定可以用定时器来器来产生一个定生一个定时中断中断.计数器数器相当于相当于对外部外部输入脉冲入脉冲计数数,比如比如,有的湿度有的湿度传感器是以脉冲形式感器是以脉冲形式输出的出的,那么那么你通你通过对脉冲的脉冲的计数就可以得到当前数就可以得到当前时刻刻的湿度的湿度值.2024/8/3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总线：所所谓总线(Bus)(Bus)，一般指通，一般指通过分分时复用的方式，将信息以一个或多个源部件复用的方式，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送到一个或多个目的部件的一组传输线。是是电脑中中传输数据的公共通道。数据的公共通道。根据根据传送信息不同，有地址送信息不同，有地址总线、数据、数据总线和控制和控制总线。地址地址总线：地址：地址总线传送地址信息。地送地址信息。地址是址是识别信息存放位置的信息存放位置的编号，主存号，主存储器器的每个存的每个存储单元及元及I/OI/O接口中不同的接口中不同的设备都都有各自不同的地址。地址有各自不同的地址。地址总线是是CPUCPU向主存向主存储器和器和 I/OI/O接口接口传送地址信息的通道，它送地址信息的通道，它是自是自CPUCPU向外向外传输的的单向向总线。数据数据总线：数据：数据总线传送系送系统中的数据中的数据或指令。数据或指令。数据总线是双向是双向总线，一方面作，一方面作为CPUCPU向主存向主存储器和器和I/OI/O接口接口传送数据的通送数据的通道。另一方面，是主存道。另一方面，是主存储器和器和 I/OI/O接口向接口向 CPUCPU传送数据的通道，数据送数据的通道，数据总线的的宽度与度与 CPUCPU的字的字长有关。有关。控制控制总线：控制：控制总线传送控制信号。控送控制信号。控制制总线是是 CPUCPU向主存向主存储器和器和 I/OI/O接口接口发出出命令信号的通道。命令信号的通道。2024/8/3总线：所谓总线(Bus)，一般指通过分时复用的方式，将信息串行接口串行接口 ：简称串口，也就是称串口，也就是COMCOM接口，是采用接口，是采用串行通信串行通信协议的的扩展接口。串口的出展接口。串口的出现是在是在19801980年前后，数据年前后，数据传输率是率是115kbps115kbps230kbps230kb