嵌入式系统教学课件：嵌入式系统及应用

1、嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用 个人信息 宋晖 电话Email：sh_ 教材 嵌入式系统设计及实例开发基于ARM微 处理器与UC/OS-II实时操作系统 王田苗、魏洪兴编著 清华大学出版社 2008年1月第一版 参考书 嵌入式微处理器系统设计实例（第三版）. （美）鲍尔 著，苏建平等 译/2004年03月/电子工业出版 社 C/OS-源码公开的实时嵌入式操作系统. （美） Jean J.Labrosse, 邵贝贝译. 北京：中国电力出版社， 2001.8s 嵌入式系统的构建.慕春棣 编著.清华大学出版社， 2004 ARM体系结构与编程，杜春雷 编著 清华大学出版社

2、， 2003 学习嵌入式系统最关键的两点学习嵌入式系统最关键的两点 1、嵌入式系统是什么？ 2、学习嵌入式系统需要哪些知识？ 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成 第一章第一章 嵌入式系统概述嵌入式系统概述 嵌入式系统简介 嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统的现状和发展趋势 本章小结 1 1、嵌入式系统简介、嵌入式系统简介 无处不在的嵌入式系统 嵌入式系统的定义 计算机发展的三大阶段 第一阶段：始于五十年代的由IBM, Burroughs, Honeywell等公司率先研制的大型机。 第二阶段：始于七十年代的个人计算机。 第三阶段：计算机正迈入下一个充满机遇的阶段 “后PC时代”或“无处不在的计算机

3、”阶段。 计算的发展过程计算的发展过程 分时系统 批处理系统 单用户系统 大型机 分布式计算 小型机 基于网络的 个人计算 微型机 协同计算 基于开放系统的客 户/服务器 普适计算 普适计算终端 资源使用的灵活性 计算的自由性 无处不在的计算机 施乐公司Palo Alto研究中心主任Mark Weiser认为： “从长远来看，PC机和计算机工作站将衰落，因为计 算机变得无处不在：例如在墙里、在手腕上、在手写 电脑中(象手写纸一样)等等，随用随取、伸手可及”。 无处不在的计算机 全世界的计算机科学家正在形成一种共识: 计算机不会成为科幻电影中的那种贪婪的怪物, 而是将 变得小巧玲珑, 无处不在.

4、 他们藏身在任何地方, 又消失 在所有地方, 功能强大, 确有无影无踪. 人们将这种思想 命名为: “无所不在的计算机”。 嵌入式系统无处不在嵌入式系统无处不在 彼此互连 即使远在火星即使远在火星 勇气号 自1997年10月15日发射以来， 经历了7年35亿公里航程的卡 西尼号太空船在2004年7月1日 10时30分进入土星轨道，开始 进行人类有史以来对土星及其 31颗已知卫星最详尽的探测。 土星探测 Wearable Computing 嵌入式设备无处不在， 但桌面系统还依然有用 l无处不在的计算机是计 算机与使用者的比率达 到和超过100:1的阶段 l无处不在的计算机包括 通用计算机和嵌入

5、式计 算机系统 l在100:1比例中95%以上 都是嵌入式计算机系统， 并非通用计算机 通用计算机看得见的计算机 如：PC机、服务器、大型计算机等。 通用计算机看得见的计算机 嵌入式系统定义嵌入式系统定义 看不见的计算机，一般不能被用户编程看不见的计算机，一般不能被用户编程, , 它有一些专用的它有一些专用的 I/OI/O设备设备, , 对用户的接口是应用专用的。对用户的接口是应用专用的。 An embedded system is a computer system An embedded system is a computer system contained within some l

6、arger device or product contained within some larger device or product with the intent purpose of providing monitoring with the intent purpose of providing monitoring and control services to that device.and control services to that device. “Any sort of device which includes a Any sort of device whic

7、h includes a programmable computer but itself is not intended programmable computer but itself is not intended to be a general-purpose computer.to be a general-purpose computer.” 通常将嵌入式计算机系统简称为嵌入式系统。通常将嵌入式计算机系统简称为嵌入式系统。 嵌入式系统定义嵌入式系统定义 根据根据IEEEIEEE（国际电气和电子工程师协会）的定国际电气和电子工程师协会）的定 义：义： 嵌入式系统是嵌入式系统是“用于控

8、制、监视或者辅助用于控制、监视或者辅助 操作机器和设备的装置操作机器和设备的装置”（原文为（原文为devices devices used to control, monitor, or assist the used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or operation of equipment, machinery or plantsplants）。）。 一般定义一般定义 “以应用为中心、以计算机技术为 基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、 成本、体积、功耗严格要求的专用计算机 系

9、统。” 简单地讲 嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求 专用性：软、硬件按对象要求裁减 计算机：实现对象的智能化功能 q就是嵌入到对象体中的专用计算机系统 q三要素：嵌入、专用、计算机 q嵌入式系统的特点:由三要素引出 广义地说广义地说 q一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的 计算机软硬件集合体。 q即以应用为中心、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 。 q嵌入式系统发展的最高形式片上系统（SOC） 嵌入式系统定义嵌入式系统定义 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技嵌入式系统是将先进的计算机技术、

10、半导体技术和电子技 术与各个行业的具体应用相结合后的产物。术与各个行业的具体应用相结合后的产物。 包含有计算机，但又不是通用计算机的计算机应用系统。包含有计算机，但又不是通用计算机的计算机应用系统。 通用计算机与嵌入式系统对比通用计算机与嵌入式系统对比 特征特征通用计算机通用计算机嵌入式系统嵌入式系统 形式形式 和类型和类型 看得见的计算机。看得见的计算机。 按其体系结构、运算速度和结构按其体系结构、运算速度和结构 规模等因素分为大、中、小型机规模等因素分为大、中、小型机 和微机。和微机。 看不见的计算机。看不见的计算机。 形式多样，应用领域广泛形式多样，应用领域广泛 ，按应用来分。，按应用来

11、分。 组成组成通用处理器、标准总线和外设。通用处理器、标准总线和外设。 软件和硬件相对独立。软件和硬件相对独立。 面向应用的嵌入式微处理面向应用的嵌入式微处理 器，总线和外部接口多集成器，总线和外部接口多集成 在处理器内部。在处理器内部。 软件与硬件是紧密集成在软件与硬件是紧密集成在 一起的。一起的。 开发开发 方式方式 开发平台和运行平台都是通用计开发平台和运行平台都是通用计 算机算机 采用交叉开发方式，开发采用交叉开发方式，开发 平台一般是通用计算机，运平台一般是通用计算机，运 行行 平台是嵌入式系统。平台是嵌入式系统。 二次二次 开发性开发性 应用程序可重新编制应用程序可重新编制一般不能

12、再编程一般不能再编程 嵌入式系统的几个重要嵌入式系统的几个重要 特征特征 （1）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。 （）专用性强 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的移植。 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。 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，这种修改和通用软 件的“升级”是完全不同的概念。

13、（）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。 （）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。 （5）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。

14、嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成 嵌入式系统一般由嵌入式硬嵌入式系统一般由嵌入式硬 件和软件组成件和软件组成 硬件以微处理器为核心集成硬件以微处理器为核心集成 存储器和系统专用的输入存储器和系统专用的输入/ /输输 出设备出设备 软件包括：初始化代码及驱软件包括：初始化代码及驱 动、嵌入式操作系统和应用动、嵌入式操作系统和应用 程序等，这些软件有机地结程序等，这些软件有机地结 合在一起，形成系统特定的合在一起，形成系统特定的 一体化软件。一体化软件。 嵌入式系统结构嵌入式系统结构 硬件 操作系统 程序 硬件 内嵌式操作系统 系统组件 用户程序 嵌入式系统结构计算机系统结构 嵌入式系统的软嵌入式

15、系统的软/ /硬件框架硬件框架 嵌入式嵌入式 微处理器微处理器 SDRAMSDRAM ROMROM I/OI/O A/DA/D D/AD/A 人机交互接口人机交互接口 通用接口通用接口 实时操作系统(实时操作系统(RTOS)RTOS) 图形用户图形用户 接口接口 BSP/HAL 硬件抽象层/板极支持包BSP/HAL 硬件抽象层/板极支持包 任务管理任务管理文件系统文件系统 应用程序应用程序 嵌入式计算机系统嵌入式计算机系统 硬件层硬件层 软件层软件层 中间层中间层 功能层功能层 嵌入式硬件层嵌入式硬件层 嵌入式系统软件体系嵌入式系统软件体系 嵌入式软件子系统 硬件抽象层硬件抽象层 硬件层和软件

16、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，使得系 统的底层驱动程序与硬件无关。 设备驱动程序设备驱动程序 所谓的设备驱动程序，就是一组库函数，用来对硬件进行 初始化和管理，并向上层软件提供良好的访问接口。 大多数的设备驱动程序都会具备以下的一些基本功能。 硬件启动：在开机上电或系统重启的时候，对硬件进行 初始化； 硬件关闭：将硬件设置为关机状态； 硬件停用：暂停使用这个硬件； 硬件启用：重新启用这个硬件； 读操作：从硬件中读取数据； 写操

17、作：往硬件中写入数据。 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类 按处理器位数分类按处理器位数分类 按产品应用类型分类按产品应用类型分类 按系统响应速度来分类按系统响应速度来分类 按系统实时性程度来分类按系统实时性程度来分类 软件复杂程度来分类软件复杂程度来分类 按处理器位数分类按处理器位数分类 嵌入式系统分为嵌入式系统分为4 4位、位、8 8位、位、1616位、位、3232位和位和6464位；位； 目前已大量应用的是目前已大量应用的是4 4位、位、8 8位、位、1616位嵌入式系统；位嵌入式系统； 3232位嵌入式系统正成为主流发展趋势；高度复杂的、位嵌入式系统正成为主流发展趋势；高度复杂的、 高速

18、的嵌入式系统已开始采用高速的嵌入式系统已开始采用6464位嵌入式处理器；位嵌入式处理器； 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。 单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总 线逻辑、定时/计数器、看门狗、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。 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

19、一般比较丰富，适合 于控制，因此称为微控制器。 （2 2）嵌入式）嵌入式DSPDSP处理器处理器 DSP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、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规 模的应用。 （2 2）嵌入式）嵌入式DSPDSP处理器处理器 DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专 门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能 通过MPU等由分立元件实现。1982年世界上诞生了 首枚DSP芯片。在语音合成和编码解码器中得到了 广泛应用。DSP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。 目前最为

20、广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的 TMS320C2000/ C5000系列，另外如Intel的MCS-296 和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。 MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而 来的。 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 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。 （3 3）、嵌入式微处理器（）、嵌入式微处理器（Micro Processor Unit)Micro Processor Unit) l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

21、高的优点。目前主要的嵌入式处理 器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、 68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等 SoC 就是System on Chip ，SoC嵌入式系统微 处理器就是一种电路系统。 它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片 上，像是ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他 的微处理器核心，加上通信的接口单元，像是 通用串行端口（USB）、TCP/IP通信单元、 GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、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立的处理芯片。 （4 4）嵌入式片上系

22、统）嵌入式片上系统(System On (System On Chip)Chip) 新的发展方向：新的发展方向：SOCSOC ASIC Core Memory Embedded Processor Core Analog Functions Communication Sensor Interface 按产品应用类型来分类按产品应用类型来分类 信息家电类 移动终端类 通信类 汽车电子类工业控制类 按系统响应速度分类按系统响应速度分类 强实时系统强实时系统, , 其系统响应时间在毫秒或微秒级。其系统响应时间在毫秒或微秒级。 一般实时系统一般实时系统, , 其系统响应时间在几秒的数量级上其系统响应

23、时间在几秒的数量级上, ,其其 实时性的要求比强实时系统要差一些。实时性的要求比强实时系统要差一些。 弱实时系统弱实时系统, , 其系统响应时间约为数十秒或更长。这其系统响应时间约为数十秒或更长。这 种系统的响应时间可能随系统负载的轻重而变化。种系统的响应时间可能随系统负载的轻重而变化。 按系统实时性程度来分类按系统实时性程度来分类 根据实时性的强弱，嵌入式系统分为硬实时、软实时系统：根据实时性的强弱，嵌入式系统分为硬实时、软实时系统： 硬实时硬实时: : 系统对系统响应时间有严格的要求，如果系统响系统对系统响应时间有严格的要求，如果系统响 应时间不能满足，会引起系统崩溃或致命的错误；应时间不

24、能满足，会引起系统崩溃或致命的错误； 软实时软实时: : 系统对系统响应时间有要求，但是如果系统响应系统对系统响应时间有要求，但是如果系统响应 时间不能满足，不会导致系统出现致命的错误或崩溃；时间不能满足，不会导致系统出现致命的错误或崩溃； 软件复杂程度来分类软件复杂程度来分类 循环轮询系统；循环轮询系统； 有限状态机系统；有限状态机系统； 前后台系统；前后台系统； 单处理器多任务系统；单处理器多任务系统； 多处理器多任务系统；多处理器多任务系统； 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应用的嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应用的 嵌入式系统得到多种类型的处理器

25、和处理器体系结构的嵌入式系统得到多种类型的处理器和处理器体系结构的 支持支持 嵌入式系统通常极其关注成本嵌入式系统通常极其关注成本 嵌入式系统有实时性和可靠性的要求嵌入式系统有实时性和可靠性的要求 嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多种处理器、可嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多种处理器、可 剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的嵌入式操作系统剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的嵌入式操作系统 嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法 软硬件综合体软硬件综合体 嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应用的软硬件嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应用的软硬件 综合体：综合体：

26、 一般用于特定的任务，其硬件和软件都必须高效率一般用于特定的任务，其硬件和软件都必须高效率 地设计，量体裁衣、去除冗余；地设计，量体裁衣、去除冗余； 它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点， 能够把通用微处理器中许多由板卡完成的任务集成能够把通用微处理器中许多由板卡完成的任务集成 在芯片内部；在芯片内部； 嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的一体嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的一体 化程序化程序 支持多种处理器支持多种处理器 嵌入式系统得到多种类型和体系结构的处理器支持：嵌入式系统得到多种类型和体系结构的处理器支持： 与通用与通用PC

27、PC系统不同，嵌入式系统可采用多种类型的处系统不同，嵌入式系统可采用多种类型的处 理器和处理器体系结构；理器和处理器体系结构； 在嵌入式微处理器产业链上，在嵌入式微处理器产业链上，IPIP设计、面向应用的特设计、面向应用的特 定处理器设计、芯片制造有完整的产业链，大家分工定处理器设计、芯片制造有完整的产业链，大家分工 协作，形成多赢模式；协作，形成多赢模式； 有上千种的嵌入式微处理器和几十种嵌入式微处理器有上千种的嵌入式微处理器和几十种嵌入式微处理器 体系结构可以选择；体系结构可以选择； 成本敏感成本敏感 嵌入式系统通常极其关注成本嵌入式系统通常极其关注成本 成本是产品竞争的关键因素之一成本是

28、产品竞争的关键因素之一 嵌入式的系统成本包括嵌入式的系统成本包括: : 开发成本：专利授权使用费，开发软硬件平台购置成开发成本：专利授权使用费，开发软硬件平台购置成 本，系统测试工具购置成本，人力成本，本，系统测试工具购置成本，人力成本， 产品成本产品成本: :硬件硬件BOMBOM成本、外壳成本、装饰件成本、包成本、外壳成本、装饰件成本、包 装和说明书成本，软件版税等装和说明书成本，软件版税等; ; 实时性和可靠性实时性和可靠性 嵌入式系统有实时性和可靠性的要求嵌入式系统有实时性和可靠性的要求 大多数实时系统都是嵌入式系统；大多数实时系统都是嵌入式系统； 嵌入式系统对实时的强度要求各不一样，可

29、分为硬实嵌入式系统对实时的强度要求各不一样，可分为硬实 时和软实时；时和软实时； 嵌入式系统一般要求具有出错处理和自动复位功能；嵌入式系统一般要求具有出错处理和自动复位功能； 如在硬件采用看门狗机制，软件上采用内存保护和重如在硬件采用看门狗机制，软件上采用内存保护和重 启机制；启机制； 嵌入式操作系统嵌入式操作系统 一般采用适应多种类型处理器、可剪裁、轻量型、实时一般采用适应多种类型处理器、可剪裁、轻量型、实时 可靠、可固化的嵌入式操作系统可靠、可固化的嵌入式操作系统 像嵌入式微处理器一像嵌入式微处理器一 样，嵌入式操作系统也是多种样，嵌入式操作系统也是多种 多样的；多样的； 大多数商业嵌入式

30、操作系统可同时支持不同种类的嵌大多数商业嵌入式操作系统可同时支持不同种类的嵌 入式微处理器，可根据应用的情况进行剪裁、配置；入式微处理器，可根据应用的情况进行剪裁、配置； 嵌入式操作系统规模小，所需的资源有限如内核规模嵌入式操作系统规模小，所需的资源有限如内核规模 在几十在几十KBKB goReader Internet eBook Samsung AnyWeb Internet Screen Phone eRemote Intelligent Home Controller Tektronix TDS7000 Digital Oscilloscopes Nixvue Digital Albu

31、m Digital Photo Album 一些典型的嵌入式系统应用实例 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 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。 现代化家庭 社会发展方面：嵌入式Internet 应用 信息家电 信息家电将成为嵌入式系统最大的应用领域。信息家电将成为嵌入式系统最大的应用领域。 q只有按钮、开关的电器显然已经不能满足人们的 日常需求。 q具有用户界面，能远程控制，智能管理的电器是 未来的发展趋势，如冰箱、空调等的网络化、智 能化等。 嵌入式系统的应用领域 信息家电的分类

32、及特点 信息家电的分类: (1)网络电视（NetTV） (2)网上游戏机（Internet gaming device） (3)智能掌上型设备(Internet smart handheld device) (4)网络电话（Internet screen Phone） (5)Consumer NC client等。 信息家电技术特点： (1) 处理器发展趋向低成本、高整合性与低耗能。 (2) 整合数字与模拟处理的技术。 (3) 较PC更强调通讯能力。 (4) 利用软件增加产品的差异性(高附加价值的关键) 信息家电的应用 信息家电提供的服务 一、安全防范 二、消费电子产品的智能控制 三、交互式智

33、能控制 四、家庭信息服务 五、自动维护 六、家庭医疗保健 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 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,9110,7110 NC委托（clients）提供网络接入以及能下载 应用软件的器件 IBM NetStation PC-中间器件通过PC接入网络以下载内 容的器件 DIAMON Multim