第1章嵌入式系统基础(张思民)

1、第第1 1章章嵌入式系统基础嵌入式系统基础1.11.1嵌入式系统简介嵌入式系统简介 嵌入式系统定义嵌入式系统定义 嵌入式系统是以应用为中心，以计算嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件是可裁剪机技术为基础，并且软硬件是可裁剪的，适用于对功能、可靠性、成本、的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。机系统。图图1.11.1嵌入式系统设备嵌入式系统设备图1.2嵌入式系统开发板1.1.2 嵌入式系统的体系结构嵌入式系统的体系结构1、硬件设备、硬件设备 硬件设备包括嵌入式处理器和外围设硬件设备包括嵌入式处理器和外围设备。备

2、。 嵌入式处理器（嵌入式处理器（CPU）是嵌入式系统）是嵌入式系统的核心部分。的核心部分。 外围设备是嵌入式系统中用于完成存外围设备是嵌入式系统中用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。嵌入式外围设备按功能可其他部件。嵌入式外围设备按功能可以分为存储设备、通信设备和显示设以分为存储设备、通信设备和显示设备三类。备三类。 存储设备主要用于各类数据的存储，存储设备主要用于各类数据的存储，常用的有静态易失型存储器（常用的有静态易失型存储器（RAM、SRAM）、动态存储器（）、动态存储器（DRAM）和）和非易失型存储器（非易失型存储器（ROM、EPROM、E

3、EPROM、FLASH）三种。）三种。 其中其中FLASH凭借其可擦写次数多、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优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。用。 应用于嵌入式系统中的通信设备包括应用于嵌入式系统中的通信设备包括RS-232接口（串行通信接口）、接口（串行通信接口）、SPI（串行外围设备接口）、（串行外围设备接口）、IrDA（红外（红外线接口）、线接口）、I2C（现场总线）、（现场总线）、USB（通用串行总线接口）、（通用串行总线接口）、Ethernet（以太网接口）等。（以太网接口）等。 应用于嵌入式

4、系统中的外围显示设备应用于嵌入式系统中的外围显示设备通常是阴极射线管（通常是阴极射线管（CRT）、液晶显）、液晶显示器（示器（LCD）和触摸板（）和触摸板（Touch Panel）等。）等。2、嵌入式操作系统、嵌入式操作系统 嵌入式操作系统具有通用操作系统的嵌入式操作系统具有通用操作系统的一般功能，如向上提供对用户的接口一般功能，如向上提供对用户的接口（如图形界面、库函数（如图形界面、库函数API等），向下等），向下提供与硬件设备交互的接口（如硬件提供与硬件设备交互的接口（如硬件驱动程序等），管理复杂的系统资源，驱动程序等），管理复杂的系统资源，同时，它还在系统实时性、硬件依赖同时，它还在系统

5、实时性、硬件依赖性、软件固化性以及应用专用性等方性、软件固化性以及应用专用性等方面，具有更加鲜明的特点。面，具有更加鲜明的特点。3、应用软件、应用软件 应用软件是针对特定应用领域，基于应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到完成某一固定的硬件平台，用来达到完成预期目标的计算机软件。由于嵌入式预期目标的计算机软件。由于嵌入式系统自身的特点，决定了嵌入式系统系统自身的特点，决定了嵌入式系统的应用软件不仅要求达到准确、安全的应用软件不仅要求达到准确、安全和稳定的标准，而且还要进行代码精和稳定的标准，而且还要进行代码精简，以减少对系统资源的消耗，降低简，以减少对系统资源的消耗，降低

6、硬件成本。硬件成本。1.2 嵌入式系统的发展嵌入式系统的发展和应用领域和应用领域1.2.1 嵌入式系统的发展历史嵌入式系统的发展历史 1、始于微型机时代的嵌入式应用、始于微型机时代的嵌入式应用 2、现代计算机技术的两大分支、现代计算机技术的两大分支 3、两大分支发展的里程碑事件、两大分支发展的里程碑事件嵌入式计算机系统嵌入式计算机系统 1946年诞生了大型昂贵电子数字计算机。年诞生了大型昂贵电子数字计算机。 20世纪世纪70年代，微处理器的出现，产生了年代，微处理器的出现，产生了小型、价廉的微型机。小型、价廉的微型机。 把嵌入到对象体系中，实现智能化控制的把嵌入到对象体系中，实现智能化控制的计

7、算机，称作嵌入式计算机系统。计算机，称作嵌入式计算机系统。 将计算机嵌入到一个对象体系中，这是理将计算机嵌入到一个对象体系中，这是理解嵌入式系统的基本出发点。解嵌入式系统的基本出发点。 现代计算机技术的两大分支现代计算机技术的两大分支 通用计算机系统与嵌入式计算机系统通用计算机系统与嵌入式计算机系统 通用计算机系统的技术要求是高速、海量通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线速度的的数值计算；技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。无限提升，存储容量的无限扩大。 嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力；技术

8、发展方向是与对象智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。制的可靠性。 1.2.2 嵌入式系统的发展前景及趋势嵌入式系统的发展前景及趋势 1.3 嵌入式操作系统嵌入式操作系统1.3.1 嵌入式操作系统的发展嵌入式操作系统的发展 第一阶段：无操作系统的嵌入算法阶段，第一阶段：无操作系统的嵌入算法阶段，以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。 第二阶段：以嵌人式第二阶段：以嵌人式CPU为基础、简单操作为

9、基础、简单操作系统为核心的嵌入式系统。系统为核心的嵌入式系统。 第三阶段：通用的嵌人式实时操作系统阶段，第三阶段：通用的嵌人式实时操作系统阶段，以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统。以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统。 第四阶段：以基于第四阶段：以基于Internet为标志的嵌入式为标志的嵌入式系统。系统。 1.3.2 几种有代表性的嵌入式操作系统几种有代表性的嵌入式操作系统 1、VxWorks 2、Windows CE 3、嵌入式、嵌入式Linux 4、C/OS一一 5、Android1.4嵌入式系统的开发过程嵌入式系统的开发过程图图l.5嵌入式系统的开发流程嵌入式系统的开发流程各模块的说明各

10、模块的说明 1、系统需求分析、系统需求分析 2、体系结构设计、体系结构设计 3、硬件、硬件/软件协同设计软件协同设计 4、系统集成、系统集成 5、完成测试并形成产品、完成测试并形成产品1.5嵌入式系统应用方案嵌入式系统应用方案1.5.1 基于嵌入式的基于嵌入式的视频网络监控系统视频网络监控系统 1、系统总体结构、系统总体结构2、 系统实现系统实现 （1） 硬件平台设计硬件平台设计 本系统以嵌入式本系统以嵌入式Linux为基础，根据设计为基础，根据设计的嵌入式目标板编写相应的的嵌入式目标板编写相应的BootLoader程程序，然后裁剪出合适的内核和文件系统。序，然后裁剪出合适的内核和文件系统。目

11、标板的目标板的CPU采用嵌入式处理器采用嵌入式处理器S3C2410。它只需很少的外围芯片就可以实现它只需很少的外围芯片就可以实现RS-232串行口和串行口和100/10M的以太网接口。能够与的以太网接口。能够与常用的外围设备常用的外围设备(如如SDRAM、ISDN收发器收发器)实现无缝连接，从而简化了外围电路的设实现无缝连接，从而简化了外围电路的设计，降低了产品成本、体积和功耗。计，降低了产品成本、体积和功耗。（2）软件设计与实现）软件设计与实现 视频监控系统软件结构采用的是浏览器服视频监控系统软件结构采用的是浏览器服务器务器(BS)网络模型，即由客户端通过网络模型，即由客户端通过Web向服务

12、器提出请求，服务器对请求做向服务器提出请求，服务器对请求做出确认响应并执行相应的任务出确认响应并执行相应的任务(如向客户端如向客户端发送组播地址、图像格式、压缩格式等发送组播地址、图像格式、压缩格式等)，建立连接后就可以在客户端监控被控点，建立连接后就可以在客户端监控被控点，从而实现远程网络监控。服务器从而实现远程网络监控。服务器(Web Server)端即现场监控点的软件结构包括采端即现场监控点的软件结构包括采集模块、压缩编码模块、网络通信模块、集模块、压缩编码模块、网络通信模块、控制模块等，如图控制模块等，如图1.7所示。所示。 图1.7 服务器软件结构 1.5.2基于嵌入式系统的基于嵌入

13、式系统的锅炉控制方案锅炉控制方案1、引言、引言 锅炉微计算机控制，是近年开发的一锅炉微计算机控制，是近年开发的一项新技术，它是微型计算机软硬件、项新技术，它是微型计算机软硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。结合的产物。 锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、微机、手自动切换操作、执行机构及阀、滑差电机等部分组成。一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机;手自动切换操作部分，手动时由操作人员手动控制，用操作器控制水泵、吹风机及各种阀门等，自动时对微机发出控制信号经执行部件进行自动操作。微机对

14、整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行。除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，以免锅炉发生重大事故。2、基于单片机的基于单片机的锅炉控制系统的解决方案锅炉控制系统的解决方案 现在有一些生产企业使用基于单片机的锅现在有一些生产企业使用基于单片机的锅炉控制系统，这种系统由炉控制系统，这种系统由8位位MCU、控制执、控制执行机构、行机构、LED数码管、发光二极管、按键数码管、发光二极管、按键等组成，完成以下功能：实时准确检测锅等组成，完成以下功能：实时准确检测锅炉

15、的运行参数；综合分析及时发出控制指炉的运行参数；综合分析及时发出控制指令；诊断故障与报警管理令；诊断故障与报警管理;历史记录运行参历史记录运行参数；计算运行参数，保证锅炉的安全、稳数；计算运行参数，保证锅炉的安全、稳定运行。定运行。基于嵌入式系统的解决方案基于嵌入式系统的解决方案 本小节介绍一个基于嵌入式平台对锅炉控制器功能进行多方面扩展的解决方案。本方案在硬件上采用ARM9芯片，大大提升处理能力。以LCD显示器和触摸屏为用户提供友善易用的人机交互界面。增加USB接口，方便导入导出数据。增加RS232（或RS485）和以太网接口，增强锅炉基于网络的信息管理功能。软件上采用嵌入式Linux操作系

16、统，增强系统的可靠性;嵌入数据库，增强数据管理功能;以MiniGUI作为图形用户界面支持系统，使图形用户界面美观易用。3、系统总体设计、系统总体设计图1.8总体设计1.5.3基于嵌入式系统的基于嵌入式系统的网关实现方案网关实现方案1、引言、引言在工业控制和通讯设备中，很多是符合在工业控制和通讯设备中，很多是符合RS-232标准的串行口设备。如何将串行口标准的串行口设备。如何将串行口的数据转发到网络上，实现设备的远程控的数据转发到网络上，实现设备的远程控制、数据的远程传输便成了一个亟待解决制、数据的远程传输便成了一个亟待解决的问题。本节介绍种基于嵌入式系统来实的问题。本节介绍种基于嵌入式系统来实现串口和网口之间的数据相互转发的方现串口和网口之间的数据相互转发的方案。案。 2、硬件系统设计3、软件系统设计、软件系统设计图1.12软件系统结构本章小结本章小结 本章介绍了嵌入式系统的基本概念，包括本章介绍了嵌入式系统的基本概念，包括嵌入式系统的定义、特点和体系结构，介嵌入式系统的定义、特点和体系结构，介绍了嵌入式系统的发展历史和未来发展趋绍了嵌入式系统的发展历史和未来发展趋势，介绍了有代表性的嵌入式操作系统。势，介绍了有代表性的嵌入式操作系统。在这里，重点要掌握嵌入式系统的体系结在这里，重点要掌握嵌入式系统的