第1章嵌入式系统概述

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,嵌入式系统及应用,嵌入式系统概述,1,、嵌入式系统,2,、嵌入式处理器,3,、嵌入式操作系统,嵌入式系统概述,1.1,嵌入式系统,概述,经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变还在加速。嵌入式系统具有无数的种类，每类都具有自己独特的个性。例如，,MP3,、数码相机与打印机就有很大的不同。汽车中更是具有多个嵌入式系统，使汽车更轻快、更干净、更容易驾驶。,现实中的嵌入式系统,嵌入式系统的概念,从技术的角度定义：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、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。,从系统的角度定义：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。术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。,嵌入式系统示例,汽车控制系统,马达,控制器,车灯,嵌入式系统示例,汽车控制系统,尾灯控制系统,后车门控制系统,前车门控制系统,座椅控制系统,发动器控制系统,所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统,1,、嵌入式系统,2,、嵌入式处理器,3,、嵌入式操作系统,嵌入式系统概述,1.2,嵌入式处理器,分类,嵌入式处理器可以分为以下几大类：,嵌入式微处理器；,嵌入式微控制器；,嵌入式,DSP,处理器；,嵌入式片上系统（,SOC,）。,嵌入式微处理器,嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的,CPU,。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。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。,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,。如,STD-BUS,、,PC104,等。,CPU,ROM,RAM,外设,1,外设,2,单板计算机,嵌入式微控制器,嵌入式微控制器又称,单片机,，它是将整个计算机系统集成到一块芯片中。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,、,RAM,、总线、总线逻辑、定时,/,计数器、,WatchDog,、,I/O,、串行口、脉宽调制输出、,A/D,、,D/A,、,Flash RAM,、,EEPROM,等各种必要功能和外设。,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,。,复位,部件,看门狗,部件,晶振,部件,I/O,部件,中断,部件,ROM,部件,SRAM,部件,定时器,部件,CPU,核,嵌入式,DSP,处理器,DSP,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,DSP,算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、,FFT,、谱分析等方面,DSP,算法正在大量进入嵌入式领域，,DSP,应用正从在通用单片机中以普通指令实现,DSP,功能，过渡到采用嵌入式,DSP,处理器。,嵌入式,DSP,处理器比较有代表性的产品是,Texas Instruments,的,TMS320,系列和,Motorola,的,DSP56000,系列。,TMS320,系列处理器包括用于控制的,C2000,系列，移动通信的,C5000,系列，以及性能更高的,C6000,和,C8000,系列。,嵌入式片上系统,(SOC),随着,EDA,的推广和,VLSI,设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是,System On,Chip(SOC,),。各种通用处理器内核将作为,SOC,设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为,VLSI,设计中一种标准的器件，用标准的,VHDL,等语言描述，存储在器件库中。,SoC,可以分为通用和专用两类。通用系列包括,Infineon,的,TriCore,、,Motorola,的,M-Core,、某些,ARM,系列器件、,Echelon,和,Motorola,联合研制的,Neuron,芯片等。专用,SoC,一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。,1,、嵌入式系统,2,、嵌入式处理器,3,、嵌入式操作系统,嵌入式系统概述,1.3,嵌入式操作系统,概述,计算机系统由硬件和软件组成，在发展初期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、软件资源也愈来愈丰富，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又进一步发展形成了操作系统,(Operating System),。发展到现在，广泛使用的有三种操作系统即多道批处理操作系统、分时操作系统以及实时操作系统。,1.3,嵌入式操作系统,概述,监,控,程,序,操,作,系,统,实时操作系统,分时操作系统,多道批处理操作系统,时 间 先 后,适用于多个用户共享系统资源,适用于计算中心等较大的计算机系统,适用于嵌入式设备和有实时性要求的系统中,1.3,嵌入式操作系统,概述,监,控,程,序,操,作,系,统,实时操作系统,分时操作系统,多道批处理操作系统,时 间 先 后,适用于多个用户共享系统资源,适用于计算中心等较大的计算机系统,适用于嵌入式设备和有实时性要求的系统中,实时操作系统是我们介绍的重点,一般实时操作系统,应用于实时处理系统的上位机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统，并且提供了开发、调试、运用一致的环境。,嵌入式实时操作系统,应用于实时性要求高的实时控制系统，而且应用程序的开发过程是通过交叉开发来完成的，即开发环境与运行环境是不一致。嵌入式实时操作系统具有规模小,(,一般在几,K,几十,K,内,),、可固化使用实时性强,(,在毫秒或微秒数量级上,),的特点 。,IEEE,的实时,UNIX,分委会认为实时操作系统应具备以下的几点,:,异步的事件响应,切换时间和中断延迟时间确定,优先级中断和调度,抢占式调度,内存锁定,连续文件,同步,总的来说实时操作系统是事件驱动的，能对来自外界的作用和信号在限定的时间范围内作出响应。它强调的是,实时性,、,可靠性,和,灵活性,与实时应用软件相结合成为有机的整体起着核心作用,由它来管理和协调各项工作,为应用软件提供良好的运行软件环境及开发环境。,从实时系统的应用特点来看实时操作系统可以分为两种：,一般实时操作系统,和,嵌入式实时操作系统,。,1.3,嵌入式操作系统,实时操作系统的特点,uClinux,是一个完全符合,GNU/GPL,公约的操作系统，完全开放代码。,uClinux,从,Linux,2.0/2.4,内核派生而来，沿袭了主流,Linux,的绝大部分特性。它是专门针对没有,MMU,的,CPU,，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。适用于没有虚拟内存或内存管理单元,(MMU),的处理器，例如,ARM7TDMI,。它通常用于具有很少内存或,Flash,的嵌入式系统。它保留了,Linux,的大部分优点：,稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持、以及标准丰富的,API,等。,1.3,嵌入式操作系统,常见的嵌入式操作系统,嵌入式,Linux,1.3,嵌入式操作系统,常见的嵌入式操作系统,Windows CE,是微软开发的一个开放的、可升级的,32,位嵌入式操作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备操作，它是精简的,Windows 95,。,Windows CE,的图形用户界面相当出色。,Win CE,具有模块化、结构化和基于,Win32,应用程序接口以及与处理器无关等特点。,Win CE,不仅继承了传统的,Windows,图形界面，并且在,Win CE,平台上可以使用,Windows 95/98,上的编程工具（如,Visual Basic,、,Visual C+,等）、,使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在,Windows CE,平台上继续使用。,Win CE,1.3,嵌入式操作系统,常见的嵌入式操作系统,VxWorks,VxWorks,操作系统是美国 公司于,1983,年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（,RTOS,），是嵌入式开发环境的关键组成部分。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，在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等，甚至在,1997,年,4,月登陆火星表面的火星探测器上也使用到了,VxWorks,。,1.3,嵌入式操作系统,常见的嵌入式操作系统,C,/OS-II,是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪、占先式的实时多任务操作系统。其绝大部分源码是用,ANSI C,写的，使其可以方便的移植并支持大多数类型的处理器。,C,/OS-II,通过了联邦航空局（,FAA,）商用航行器认证。自,1992,年问世以来，,C,/OS-II,已经被应用到数以百计的产品中。,C,/OS-II,占用很少的系统资源，并且在高校教学使用是不需要申请许可证。,C,/OS-II,