嵌入式系统1嵌入式系统简介

1、1 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。 2 智能玩具智能玩具 3 汽车电子汽车电子 4 信息家电信息家电 5 消费电子消费电子 6 工业国防工业国防 7 嵌入式系统的应用范围如此之广，涉及面嵌入

2、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。 8 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：计算机：实现对象的智能化功能实现对象的智能化功能 。 9 IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）

3、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。 10 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

4、硬件和软件， 并使其紧密耦合在一起的计算机系统。 11 广义的讲，凡是带有智能处理器的专用软广义的讲，凡是带有智能处理器的专用软 硬件系统都可称为嵌入式系统。硬件系统都可称为嵌入式系统。 12 嵌入式系统是应用于特定环境下执行面嵌入式系统是应用于特定环境下执行面 对专业领域的应用系统，与通用计算机比对专业领域的应用系统，与通用计算机比 起来其具有以下显著特点：起来其具有以下显著特点： q系统内核小（资源有限）； q专用性强； q运行环境差异大； q可靠性要求高（无人值守）； q通常要求有高实时性的操作系统； q具有固化在非易失性存储器中的代码； q嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境； q一

5、旦进入市场，就具有较长的生命周期； 13 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”， 并在其上编写嵌入式应用软件。并在其上编写嵌入式应用软件。 1981年，Ready System开发出世界上第一个商业嵌入式 实时内核（VTRX32）。 20世纪世纪90年代以后，出现实时多任务操作系统年代以后，出现实时多任务操作系统 （RTOS），并作为一种软件平台逐步成为

6、目前国），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。际嵌入式系统的主流。 14 硬件组成硬件组成 15 软件组成软件组成 16 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

7、种方案，是硬件抽象层的 一种实现。 17 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。 18 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）。 硬实时系统（工业和军工系统）。 19 嵌入式系统硬件的核心部件是嵌入式处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：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）

8、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） 20 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，总 线，定时器线，定时器/计数器，看门狗，计数器，看门狗，I/O，串行口，脉宽，串行口，脉宽 调制输出，调制输出，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

9、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。 21 DSP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、频谱分 析等仪器上，析等仪器上，DSP获得了大规模的应用获得了大规模的应用。 22 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

10、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 23 Intel 4004 Microprocessor qIntroduced in 1970 First microprocessor 4

11、 bit architecture ! q2,250 transistors q12 mm2 qClock: 108 kHz 24 Introduced in 1974 8-bit architecture Still used in some microcontroller applications ! 25 Introduced in 1979 29,000 transistors 33 mm2 Clock: 5 MHz 16 bit architecture 26 Introduced in 1985 275,000 transistors 43 mm2 Clock: 16 MHz 32

12、 bit architecture 27 Introduced in 1989 1,200,000 transistors 81 mm2 Clock: 25 MHz 32 bit architecture q1st pipelined implementation of IA32 28 Introduced in 1993 3,100,000 transistors 296 mm2 Clock: 60 MHz 32 bit architecture q1st superscalar implementation of IA32 29 State qRegisters qMemory Contr

13、ol ROM Combinational logic 30 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） 31 用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上， 称作称作SOPC。可编程片上系统（可编程片上系统（SOPC）是一种特是一种特 殊的嵌

14、入式系统：殊的嵌入式系统： 首先它是片上系统（首先它是片上系统（SOC），），即由单个芯片完成即由单个芯片完成 整个系统的主要逻辑功能；整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，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裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统 可编程的功能。可编程的功能。 32 嵌入式系统软件一般由嵌入式操作系统和应用软嵌入式系统软件一般由嵌入式操作系统和应用软 件组成件组成 ；操作系统是连接计算机硬件与应用程序；操作系统是连接计算机硬件与应用程序 的系统程序，从实时性的角度来看，可分为：的系统程序，从实

15、时性的角度来看，可分为： q非实时操作系统（如WinCE，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。 33 交叉开发环境交叉开发环境 q在线调试 q在线仿真 qROM监控器 软件模拟环境软件模拟环境 评估电路板（最为常见）评估电路板（最为常见） 34 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 35 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

16、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 36 37 38 39 40 41 42 43 44 工业国防工业国防 45 广义的讲，凡是带有智能处理器的专用软广义的讲，凡是带有智能处理器的专用软 硬件系统都可称为嵌入式系统。硬件系统都可称为嵌入式系统。 46 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。 47 Introduced in 1993 3,100,000 transistors 296 mm2 Clock: 60 MHz 32 bit architecture q1st superscalar implementation of IA32 48 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。