第1章 嵌入式系统概述

1、嵌入式系统设计主讲教师：张错玲计算机工程学院安徽三联学院ANHUISANLIANUNIVERSITY教学安排教学学时：教学学时：68学时；学时；3学分学分其中理论学时：32学时实验学时：36学时理论考试形式：笔试(考试课)实验考试形式：考试成绩=平时 60%+期末 40%教材教材 ： 嵌入式系统设计大学教程 许大琴，万福，谢佑波许大琴，万福，谢佑波 编著 人民邮电出版社 参考书：嵌入式系统技术教程 张石 主编 人民邮电出版社3嵌入式系统-课程特点硬件系列课程之一硬件系列课程之一 计算机组成原理计算机组成原理 微机原理及接口技术微机原理及接口技术 嵌入式系统嵌入式系统 计算机体系结构计算机体系结

2、构指定专业课指定专业课 以技术为主以技术为主 面向应用面向应用 软硬件相结合软硬件相结合专业课专业课4嵌入式系统-先修课程1.1.计算机文化课基础计算机文化课基础( (全面了解全面了解) )2.2.数字逻辑数字逻辑提供硬件基础提供硬件基础3.3.计算机组成原理计算机组成原理确立计算机部件功能确立计算机部件功能掌握计算机工作原理掌握计算机工作原理4.4.高级语言程序设计高级语言程序设计熟悉熟悉C C语言程序设计的方法语言程序设计的方法掌握基本程序设计思想掌握基本程序设计思想嵌入式系统-知识体系嵌入式系统嵌入式系统基础Linux操作系统ARM处理器嵌入式系统-重要性嵌入式系统-重要性据统计，每年只

3、有据统计，每年只有2%左右的计算机芯片是用在台式左右的计算机芯片是用在台式PC或或膝上电脑上的。膝上电脑上的。 用于嵌入式系统设计与制造的用于嵌入式系统设计与制造的CPU，每年大概有，每年大概有10-20亿片。亿片。 每年大约有每年大约有1万个新的嵌入式系统投入产生，而且越来越万个新的嵌入式系统投入产生，而且越来越多的系统需要复杂的嵌入式操作系统。多的系统需要复杂的嵌入式操作系统。嵌入式系统-重要性现代化家庭现代化家庭第1章 嵌入式系统概述主讲教师：张老师嵌入式系统安徽三联学院计算机工程学院本章目录 1.1 嵌入式系统的概念 1.2 嵌入式系统的发展过程 1.3 嵌入式系统的特点 1.4 嵌入

4、式系统的体系结构 1.5 嵌入式系统的分类 1.6 嵌入式系统的应用本章习题教学目标1.了解嵌入式系统概念，历史、现状与发展趋势了解嵌入式系统概念，历史、现状与发展趋势2.掌握嵌入式系统的体系结构掌握嵌入式系统的体系结构3.了解嵌入式系统的分类及常见嵌入式了解嵌入式系统的分类及常见嵌入式OS4.了解嵌入式系统的设计方法和设计过程了解嵌入式系统的设计方法和设计过程本章目录 1.1 嵌入式系统的概念 1.2 嵌入式系统的发展过程 1.3 嵌入式系统的特点 1.4 嵌入式系统的体系结构 1.5 嵌入式系统的分类 1.6 嵌入式系统的应用1.1 嵌入式系统的概念u概述：概述：嵌入式系统诞生于微型计算机

5、时代，随其诞生现代计算机领域嵌入式系统诞生于微型计算机时代，随其诞生现代计算机领域中出现了中出现了通用计算机通用计算机、嵌入式计算机、高端服务器嵌入式计算机、高端服务器三大分支。三大分支。通用计算机：通用计算机：按照高速、海量的技术发展；按照高速、海量的技术发展；嵌入式计算机系统：嵌入式计算机系统：是一种是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用用而设计的专用计算机系统系统”； 高端服务器高端服务器：是金融、电信、能源、交通等命脉行业的基础性：是金融、电信、能源、交通等命脉行业的基础性核心信息化平台。核心信息化平台。1.1 嵌入式系统的概念n 计算机系统

6、可以划分为三大领域：桌面通用系统高端服务器系统嵌入式系统1.1 嵌入式系统的概念u现实中的嵌入式系统：现实中的嵌入式系统： 即使不可见，嵌入式系统也无处不在。嵌入式系统在很多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些产业，包括工业自动化、国防、运输和航天领域。 在日常生活中，人们使用各种嵌入式系统，但未必知道它们。事实上，几乎所有带有一点“智能”的家电（全自动洗衣机、电脑电饭煲）都是嵌入式系统。嵌入式系统广泛的适应能力和多样性，使得视听、工作场所甚至健身设备中到处都有嵌入式系统。1.1 嵌入式系统的概念高高端端嵌嵌入入式式产产品品1.1 嵌入式系统的概念常见的嵌入式产品11.1 嵌入式系统的概念常

7、见的嵌入式产品21.1 嵌入式系统的概念螃蟹机器人1.1 嵌入式系统的概念根据根据IEEEIEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。（原文为原文为devices used to control, monitor, or assist the devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plantsoperation of

8、 equipment, machinery or plants）。简单讲，就是嵌入到对象体中的专用计算机系统。简单讲，就是嵌入到对象体中的专用计算机系统。三要素l嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求l专用性：软、硬件按对象要求裁减专用性：软、硬件按对象要求裁减l计算机：实现对象的智能化功能计算机：实现对象的智能化功能1.1 嵌入式系统的概念 中国计算机学会微机专业委员会的定义：中国计算机学会微机专业委员会的定义： 嵌入式系统是以嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统嵌入式应用为目的的计算机系统，可分为系统级、，可分为系统级、板级和片级：板级和片级

9、：嵌入式系统系统级：各种类型的工控机、PC104模块板级：各种类型的带有CPU的主板和OEM产品片级：各种以单片机、DSP、微处理器为核心的产品1.1 嵌入式系统的概念 目前，对嵌入式系统的定义多种多样，但没有一种定义是全面的。目前，对嵌入式系统的定义多种多样，但没有一种定义是全面的。下面给出两种比较合理定义：下面给出两种比较合理定义： 从技术的角度定义：以应用为中心、以计算机技术为基础、软从技术的角度定义：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、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。功耗严格要求的

10、专用计算机系统。1.1 嵌入式系统的概念 目前，对嵌入式系统的定义多种多样，但没有一种定义是全面的。目前，对嵌入式系统的定义多种多样，但没有一种定义是全面的。下面给出两种比较合理定义：下面给出两种比较合理定义： 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。系统。嵌入的系统中可以

11、共存多个嵌入式系统。嵌入式系统的构成嵌入式微处理器嵌入式微处理器外围硬件设备外围硬件设备构构成成嵌入式操作系统嵌入式操作系统特定的应用程序特定的应用程序硬件硬件软件软件本章目录 1.1 嵌入式系统的概念 1.2 嵌入式系统的发展过程 1.3 嵌入式系统的特点 1.4 嵌入式系统的体系结构 1.5 嵌入式系统的分类 1.6 嵌入式系统的应用本章习题1.2 嵌入式系统的发展过程单片机模式和计算机模式1.2 嵌入式系统的发展过程u 20 20 世纪世纪70 70 年代：单片机出现年代：单片机出现 嵌入式系统最初的应用是基于单片机。汽车，工业机器，通信装置等成千上万种产嵌入式系统最初的应用是基于单片机

12、。汽车，工业机器，通信装置等成千上万种产品通过内嵌电子装置获得更佳的使用性能。品通过内嵌电子装置获得更佳的使用性能。u 20 20 世纪世纪80 80 年代：嵌入式操作系统出现年代：嵌入式操作系统出现 商业嵌入式实时内核包含传统操作系统的特征，使得开发周期缩短，成本降低，效商业嵌入式实时内核包含传统操作系统的特征，使得开发周期缩短，成本降低，效率提高促使嵌入式系统有了更为广阔的应用空间。率提高促使嵌入式系统有了更为广阔的应用空间。u 20 20 世纪世纪90 90 年代：实时多任务操作系统年代：实时多任务操作系统 软件规模的不断上升，对实时性要求的提高，使得实时内核逐步发展为实时多任务软件规模

13、的不断上升，对实时性要求的提高，使得实时内核逐步发展为实时多任务操作系统，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。操作系统，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。1.2 嵌入式系统的发展过程嵌入式系统未来发展趋势1.2 嵌入式系统的发展过程嵌入式系统的发展机遇u通用计算机产业是垄断的。通用计算机产业是垄断的。u嵌入式系统与技术是一个分散的工业，充满竞争、机遇与创新。嵌入式系统与技术是一个分散的工业，充满竞争、机遇与创新。u没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场即便在体没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场即便在体系结构上存在着主流，但各不相同的应用

14、领域决定了不可能有少系结构上存在着主流，但各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司，少数产品垄断全部市场。因此嵌入式系统领域的产品和数公司，少数产品垄断全部市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是技术，必然是高度分散高度分散的，留给各个行业的中小规模高技术公司的，留给各个行业的中小规模高技术公司的创新余地很大。的创新余地很大。本章目录 1.1 嵌入式系统的概念 1.2 嵌入式系统的发展过程 1.3 嵌入式系统的特点 1.4 嵌入式系统的体系结构 1.5 嵌入式系统的分类 1.6 嵌入式系统的应用本章习题1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统特别强调“量身定做”的原则1.操作系统内核小u由于嵌入

15、式系统很多是应用于小型电子装置的，系统资源相对有由于嵌入式系统很多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，比如限，所以内核较之传统的操作系统要小得多，比如EneaEnea公司的公司的OSEOSE分布式系统，内核只有分布式系统，内核只有5K5K；Windows CEWindows CE，内核大约，内核大约1.5MB1.5MB；3Com3Com公公司的司的3232位位Palm OSPalm OS，内核为几十，内核为几十KBKB。1.3 嵌入式系统的特点2. 2.专用性强专用性强n 嵌入式系统的硬、软件均是面向特定应用对象和任务设计的，个嵌入式系统的硬、软件均是

16、面向特定应用对象和任务设计的，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操作系统的移植，这种修改和通用软件的硬件进行操作系统的移植，这种修改和通用软件的“升级升级”是完是完全两个概念。全两个概念。1.3 嵌入式系统的特点3. 3.运行环境差异大，可靠性要求高运行环境差异大，可靠性要求高n 目前主要有两种机制来保证系统的可靠性，一是硬件机制，如硬目前主要有两种机制来保证系统的可靠性，一是硬件机制，如硬件中的看门狗定时器，它可以在软件失去控制后使系统重新开始件中的看门狗定时器，它可以在软件失去控制后使系统重新开始正常运

17、行；二是软件机制，如内存保护和重启机制等正常运行；二是软件机制，如内存保护和重启机制等; ; 为提高系统的可靠性，嵌入式系统中往往采用固态化存储为提高系统的可靠性，嵌入式系统中往往采用固态化存储 ， 软件一般都固化在存储器芯片中，而不是存储于磁盘等载体中。软件一般都固化在存储器芯片中，而不是存储于磁盘等载体中。1.3 嵌入式系统的特点4.高实时性操作系统+ROMn 高实时性的系统软件高实时性的系统软件(OS)(OS)是嵌入式软件的基本要求。而且软件要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。求固态存储，以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。5.

18、较长的生命周期、产品相对稳定性n 嵌入式系统和实际应用有机地结合在一起，它的更新、换代也是嵌入式系统和实际应用有机地结合在一起，它的更新、换代也是和实际产品一同进行的，因此基于嵌入式系统的产品一旦进入市和实际产品一同进行的，因此基于嵌入式系统的产品一旦进入市场，就具有较长的生命周期。场，就具有较长的生命周期。1.3 嵌入式系统的特点6.功耗限制n 嵌入式系统中，尤其是在用电池供电的嵌入式系统中，这是一个嵌入式系统中，尤其是在用电池供电的嵌入式系统中，这是一个主要考虑的因素，大耗电量直接影响到硬件费用，并影响电源寿主要考虑的因素，大耗电量直接影响到硬件费用，并影响电源寿命以及带来散热问题。命以及

19、带来散热问题。7.低成本n 包含硬件成本和软件成本：硬件成本主要决定于所使用的微处理包含硬件成本和软件成本：硬件成本主要决定于所使用的微处理器、所需的内存及相应的外围芯片；软件成本通常难于预测，但器、所需的内存及相应的外围芯片；软件成本通常难于预测，但一个好的设计方法有利于降低软件成本。一个好的设计方法有利于降低软件成本。1.3 嵌入式系统的特点8. 8.嵌入式系统开发需要开发工具和环境 嵌入式系统必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工嵌入式系统必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备

20、以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机主机和和目标机目标机的概念，主机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。进行。本章目录 1.1 嵌入式系统的概念 1.2 嵌入式系统的发展过程 1.3 嵌入式系统的特点 1.4 嵌入式系统的体系结构 1.5 嵌入式系统的分类 1.6 嵌入式系统的应用本章习题1.4 嵌入式系统的体系结构嵌入式系统的基本结构硬件抽象层硬件平台硬件平台嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统嵌入式实时应用嵌入式实时应用硬件平台硬件平台嵌入式

21、实时操作系统嵌入式实时操作系统嵌入式实时应用嵌入式实时应用应用程序与操应用程序与操作系统的接口作系统的接口操作系统与硬操作系统与硬件的接口件的接口HALHAL与硬件与硬件的接口的接口OSOS与与HALHAL的的接口接口应用程序与应用程序与OSOS的接口的接口引入HAL后的嵌入式系统结构1.4 嵌入式系统的体系结构1.4 嵌入式系统的体系结构1.4.1 硬件平台图像数据采集流程 嵌入式微处理器嵌入式微处理器 存储器系统存储器系统 外部接口外部接口 通信模块通信模块 I/O单元电路单元电路1.4 嵌入式系统的体系结构1.4.2 硬件抽象层硬件抽象层1.HAL：位置：位置2.HAL作用：作用： （1

22、）将底层硬件抽象，使设备无关，使得）将底层硬件抽象，使设备无关，使得OS移植成为可能；移植成为可能； （2）提高了嵌入式产品开发的周期；）提高了嵌入式产品开发的周期； （3）软件测试的并行性。）软件测试的并行性。3.HAL的特点的特点4.HAL的实现的实现(BSP)1.4 嵌入式系统的体系结构1.4.3 实时操作系统实时操作系统1.作用：用来完成嵌入式作用：用来完成嵌入式实时应用的任务调度实时应用的任务调度和和控制控制等核心功能。等核心功能。2.构成：构成：1.4.4 实时应用程序实时应用程序1.作用：利用操作系统提供的实时机制完成特定功能的嵌入式应用。作用：利用操作系统提供的实时机制完成特定

23、功能的嵌入式应用。本章目录 1.1 嵌入式系统的概念 1.2 嵌入式系统的发展过程 1.3 嵌入式系统的特点 1.4 嵌入式系统的体系结构 1.5 嵌入式系统的分类 1.6 嵌入式系统的应用本章习题1.5 嵌入式系统的分类1.按处理器位宽分类按处理器位宽分类按处理器位宽可将嵌入式系统分为按处理器位宽可将嵌入式系统分为4 4位、位、8 8位、位、1616位、位、3232位系统，一般情况下，位宽越位系统，一般情况下，位宽越大，性能越强。大，性能越强。2.按有无操作系统分类按有无操作系统分类有操作系统的嵌入式系统和无操作系统有操作系统的嵌入式系统和无操作系统(裸机裸机)的嵌入式系统。的嵌入式系统。n

24、 有嵌入式操作系统：嵌入式系统的任务管理、内存管理、设备管理、有嵌入式操作系统：嵌入式系统的任务管理、内存管理、设备管理、文件管理等都由操作系统完成，并且为应用软件提供丰富的编程接口；文件管理等都由操作系统完成，并且为应用软件提供丰富的编程接口；n 无嵌入式操作系统：如基于无嵌入式操作系统：如基于8051单片机嵌入式系统，硬件平台很简单，单片机嵌入式系统，硬件平台很简单，系统不需要支持复杂的显示、通信协议、文件系统、多任务的管理等。系统不需要支持复杂的显示、通信协议、文件系统、多任务的管理等。1.5 嵌入式系统的分类3.按实时性分类按实时性分类n 非实时操作系统非实时操作系统n 实时操作系统实

25、时操作系统硬实时系统硬实时系统-主要用于监控，如核电站，主要用于监控，如核电站， C/OS-II、 pSOS、 VxWorks软实时系统软实时系统-主要用于消费电子产品，主要用于消费电子产品，Linux。4.按嵌入式系统的复杂程度分类按嵌入式系统的复杂程度分类n 小型嵌入式操作系统小型嵌入式操作系统n 中型嵌入式操作系统中型嵌入式操作系统n 复杂嵌入式操作系统复杂嵌入式操作系统1.5 嵌入式系统的分类5.按形态分类按形态分类n 设备级（工控机）设备级（工控机）n 板级（单板、模块）板级（单板、模块）n 芯片级（芯片级（MCU、DSP）6.按应用分类按应用分类n 消费类电子产品消费类电子产品n

26、过程控制类产品过程控制类产品n 信息、通信类产品信息、通信类产品n 能仪器、仪表产品能仪器、仪表产品n 航空、航天设备与武器系统航空、航天设备与武器系统n 公共管理与安全产品公共管理与安全产品n 生物、医学微电子产品生物、医学微电子产品本章目录 1.1 嵌入式系统的概念 1.2 嵌入式系统的发展过程 1.3 嵌入式系统的特点 1.4 嵌入式系统的体系结构 1.5 嵌入式系统的分类 1.6 嵌入式系统的应用本章习题1.6 嵌入式系统的应用1.工业控制工业控制2.通信设备通信设备3.消费电子类消费电子类4.家庭智能管理系统家庭智能管理系统 水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有

27、的专水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高、更准确和更安全的性能。用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高、更准确和更安全的性能。目前在服务领域，如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势目前在服务领域，如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势。下一页49嵌入式系统应用领域消费类电子50消费类电子电子智能玩具、手持通讯的核心智能玩具、手持通讯的核心51消费类电子电子智能玩具与机器人返回1.6 嵌入式系统的应用5.航空航天领域航空航天领域P-61是诺斯洛普公司于二次世界大战时生产的一架双发动机夜间战斗机，绰号是诺斯洛普公司于二次世

28、界大战时生产的一架双发动机夜间战斗机，绰号“黑寡妇黑寡妇”，是美国陆军，是美国陆军航空军唯一一架专门设计作为夜间战斗机的飞机，也是陆军航空军在二战时期起飞重量最大的战斗机。航空军唯一一架专门设计作为夜间战斗机的飞机，也是陆军航空军在二战时期起飞重量最大的战斗机。1.6 嵌入式系统的应用5.航空航天领域航空航天领域微型蝙蝠微型蝙蝠（MicroBat）是一种电池为动力的微型扑翼机（）是一种电池为动力的微型扑翼机（Ornithopter-Flapping-wing Micro Air Vehicle）。）。1.6 嵌入式系统的应用5.航空航天领域航空航天领域科里布里科里布里(Kolibri)(Kolibri)是是 LutronixLutronix公司与奥博恩大学合作研制的垂直起落微型无公司与奥博恩大学合作研制的垂直起落微型无人机。其续航时间至少人机。其续航时间至少3030分。分。1.6 嵌入式系统的应用5