第1章嵌入式系统概述

1、1 嵌入式系统原理与接口技术嵌入式系统原理与接口技术 朱响斌2联系信息n教师： 朱响斌n电话： 660617n研究室： 计算机应用研究所(21-311)nE-mail: 3课程目的课程目的n本课程围绕基于ARM的微处理器，介绍了嵌入式系统前沿发展趋势，理解其设计方法，学会嵌入式编程技术。n课程采用讲课与实验相结合的方式。n着重培养学生的实际动手能力，通过熟悉开发环境与开发流程、编程实践等基础实验，使学生能够掌握嵌入式系统设计的基本方法。此外还增加了网络接口设计、嵌入式游戏开发等开放式实验，供基础较好的学生深入学习 。n学生基础：是否学过C语言、微机原理或是单片机等4n王田苗 主编. 嵌入式系统

2、设计及实例开发ARM与C/OS-（第三版）. 北京：清华大学出版社，2008.1n（美）Jean J.Labrosse, 邵贝贝译. C/OS-源码公开的实时嵌入式操作系统. 北京：中国电力出版社，2001.8n马忠梅等著. ARM嵌入式微处理器体系结构。北航出版社参考资料参考资料5希望大家有所收获1、掌握一种学习方法2、学习了解嵌入式技术研发的基本概念、方法和知识3、获得嵌入式开发设计实践经验4、获得学分6一、为什么要学习嵌入式技术l市场需求中国具有世界最大嵌入式技术市场，将成为市场需求中国具有世界最大嵌入式技术市场，将成为世界第一，手持仪器设备、信息家电、城市建设、工业世界第一，手持仪器设

3、备、信息家电、城市建设、工业控制、军事应用，控制、军事应用，嵌入式技术无处不在，嵌入式技术无处不在 。l企业人才需求软硬件设计人才，应用开发人才，综合企业人才需求软硬件设计人才，应用开发人才，综合性人才，性人才，l技术发展趋势要求技术发展趋势要求8 8位、位、1616位、位、3232位，实时操作系统位，实时操作系统，7n美国著名未来学家尼葛洛庞帝99年1月访华时预言，45年后嵌入式智能（电脑) 工具将是PC和因特网之后最伟大的发明。n嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元，它正在成为信息技术（IT）产业争夺的重点之一。n每年只有10%-20%的计算机芯片用于台式机或笔记本电脑等，这就意味

4、着每年有10-0亿块CPU是为嵌入式系统设计制造的：每年有超过1万个新的嵌入式系统计划产生。n未来5年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年1500亿美元的新市场。n据说，“福特出售的计算能力已超过了IBM”，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。 嵌入式技术正在形成一种产业嵌入式技术正在形成一种产业 8n它们被广泛地应用到工业控制系统、仿真系统、医疗仪器、信息家电、通信设备等众多领域中。nPDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，作为企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移动信息采集等n自动控制领域，不仅可以用于ATM机，自动售货机，工业控制等专用设备，

5、和移动通讯设备结合、GPS、娱乐相结合，硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开发包。n尤其是在最近几年，嵌入式设备不断地进入到新的应用领域，比如PDA、手持设备、AutoPC、智能电话和机项盒（STB）等。嵌入式技术正在形成一种产业嵌入式技术正在形成一种产业 9n在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。在广播电视领域，美国已开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的DVB（数字电视广播）技术已在全球大多数国家推广。n北京数字电视，凤凰数字卫视，高清晰、互动点播、机顶盒。n在中国有8000万有线电视网用户，1亿以上的有线电话网用户，为其发展提供了巨大市场。n针对如此巨

6、大的市场，嵌入式系统的研发和生产也给我国信息产业实现跨越式发展提供了良好的机遇。嵌入式技术正在形成一种产业嵌入式技术正在形成一种产业10n嵌入式系统产品的应用已超过整个计算机应用的40%。而根据美国嵌入式系统专业杂志RTC报道，在21世纪初的10年中，全球嵌入式系统市场需求量具有比PC市场大10倍到100倍的商机。有机构估计，全世界嵌入式系统产品潜在的市场将超过1万亿美元。 n中国嵌入式软件产业规模到逼近2500亿元。n未来2年在3G的带动下，每年将增加5000万用户更换手机，以每部手机1000元计算，每年将会增加5000亿的产值。3G产业的发展，对于电信设备制造业周边产业也会有较大的拉动作用

7、。如传输设备、电源、通信防护、仪器仪表、检测、直放站等。 嵌入式系统市场分析嵌入式系统市场分析11举例说明n高级酒店，电话、TV、INTERNET、PLAY、EMAIL、KEY、无线集成；n美国正在启动一项计划，网络无线介入平台n飞机的电子设备，巴黎、东京、汉城等城市地铁买票系统n电子菜单、日本数码相机等；n未来超市购买东西不排队， 施乐Xerox公司于70年代初开始实施其无纸办公室的计划，首先开发了自动付款机系统。它设想要求超市中的每件商品都有一个存贮商品价钱的芯片。当商品小推车经过记帐。当信用卡“扫过”时，就给出清单，这样记账时就不用排队了。n医疗电子病历、手持医疗仪器、德国血压仪、12n

8、通讯行业：华为、中兴、大唐、n国内IT业：联想、同方、方正、n外资企业：微软、IBM、GE、n工业领域：Siemens、ABB、研华、n国内中小型高新技术企业社会对嵌入式系统设计人才的迫切需求社会对嵌入式系统设计人才的迫切需求13n嵌入式系统设计是一门综合性的课程，涉及涉及电子、计算机、自动控制等诸多专业知识，综合性强，可包括微机原理、单片机设计、操作系统等课程内容。嵌入式系统是软件、硬件设计的完美结合。n理论与实践相结合：实践是嵌入式系统课程的重要环节，缺乏实践的嵌入式系统课程是纸上谈兵。n通过嵌入式系统课程学习，可提升嵌入式系统设计的专业知识和实际设计能力。n知识的积累是与精力和时间的付出

9、成正比的，要成为高手和专家，就需要不断的努力。n学无止境。对提高专业知识和实践能力大有帮助对提高专业知识和实践能力大有帮助14第一章第一章 嵌入式系统概述嵌入式系统概述本章主要内容：嵌入式系统的概念、发展、特点、组成、分类 嵌入式微处理器系列嵌入式系统中信息表示与运算基础 评估嵌入式系统处理器的主要指标嵌入式系统的应用15 嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念第一种，根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义： 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”（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation o

10、f equipment, machinery or plants）。n第二种，嵌入式系统是以应用为中心、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统。 16嵌入式系统的应用领域17嵌入式系统的应用领域18嵌入式应用嵌入式应用信息家电信息家电智能玩具智能玩具军事电子军事电子通信设备通信设备移动存贮移动存贮工控设备工控设备智能仪表智能仪表汽车电子汽车电子网络设备网络设备消费电子消费电子军事国防军事国防电子商务电子商务网络网络工业控制工业控制嵌入式系统的应用领域19 嵌入式系统的发展史嵌入式系统的发展史n第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统；

11、n第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统；n第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统；n第四阶段是以Internet为标志的嵌入式系统 。20 嵌嵌入式系统的特点入式系统的特点n通常是面向特定应用的；n功耗低、体积小、集成度、成本低； n具有较长的生命周期； n具有固化的代码； n开发需要专用开发工具和环境；n软件需要RTOS开发平台n开发人员以应用专家为主n嵌入式系统是知识集成系统21 嵌嵌入式系统的分类入式系统的分类 根据嵌入式系统的复杂程度，可以将嵌入式系统分为以下4类 ：单个微处理器 。常用的嵌入式处理器如Philips的89LPCxxx系列，Motoro

12、la的MC68HC05、08系列等。 嵌入式处理器可扩展的系统 。过程控制、信号放大器、位置传感器及阀门传动器。 复杂的嵌入式系统。开关装置、控制器、电话交换机、电梯、数据采集系统、医药监视系统、诊断及实时控制系统等 。在制造或过程控制中使用的计算机系统 。自动仓储系统和自动发货系统 22 嵌入式处理器嵌入式处理器23（1）嵌入式微控制器n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。n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

13、各种必要功能和外设。24n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。n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，因此称为微控制器。25（2）嵌入式DSP处理器nDSP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。nDSP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

14、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。n 目前最为广泛应用的嵌入式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。26nMPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。n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）嵌入式微处理器（Micro Processor Unit)27l和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、和工业控制计算机相比，嵌

15、入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有处理器类型有Am186/88Am186/88、386EX386EX、SC-400SC-400、Power PCPower PC、6800068000、MIPSMIPS、ARM/StrongARMARM/StrongARM系列等系列等28nSoC 就是System on Chip ，SoC嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。n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

16、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）嵌入式片上系统(System On Chip) 29nSoC是追求产品系统最大包容的集成器件，SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。n运用VHDL等硬件描述语言不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。 30n由于SOC往往是

17、专用的，所以大部分都不为用户所知，如 Philips的Smart XA。Siemens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。nSOC芯片也将在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中发挥重要作用。31 SoC嵌入式系统微处理器所具有的其他的好处可以分为下列几点：n利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。n减少芯片对外管脚数，简化制造过程。n减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，可以加快微处理器数据处理的速度。n内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成系统杂讯。32新的发展方向：SOCASI

18、C CoreMemoryEmbedded ProcessorCoreAnalogFunctionsCommunicationSensorInterface33 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成1.嵌入式系统的硬件 34 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成2. 嵌入式系统的软件嵌入式操作系统 通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。具有编码体积小，面向应用，可裁剪和移植，实时性强，可靠性高，专用性强等特点。35 嵌入式操作系统的结构框图36 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成3嵌入式系统的开发工具和开发系统 开发工具一般用于开发主机，包括语言编译

19、器、连接定位器、调试器等。 v注意：嵌入式系统的硬件和软件位于嵌入式系统产品本身，开发工具则独立于嵌入式系统产品之外 。37评估嵌入式系统处理器的主要指标评估嵌入式系统处理器的主要指标n要先明确预期最终应用程序在待选平台上的运行情况和测试目的，然后再挑选符合要求的特定测试向量。MIPS测试基准。测试方法是计算在单位时间内各类指令的平均执行条数，单位：MIPS。Dhrystone。测试基准是一个简单的C语言程序。EEMBC验证实验室研究指出，Dhrystone不适于作为嵌入式系统的测试向量。虽然它是市面上最普遍适用的测试向量，但它有许多漏洞。EEMBC。基于每秒钟算法执行的次数和编译代码大小的统

20、计结果 。n一次详尽的分析需要仔细衡量的因素包括：性能分析、功耗和效率分析、开发工具支持以及价格 38 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用嵌入式移动数据库；嵌入式系统在智能家居网络中的应用；嵌入式语音芯片；基于小范围无线通信协议的嵌入式产品；其它工控和仿真领域 。39嵌入式系统技术发展趋势n需要强大的硬件开发工具和软件包的支持n向可移植、可伸缩、功能强大、可配置、良好的实时性、可靠性、高可用方向发展n网络互联n精简系统内核、算法，降低功耗和软/硬件成本n提供友好的多媒体人机界面n嵌入式系统向新的嵌入式计算模型方向发展40国际的发展趋势n2004年，IEEE计算机协会和ACM对计算机的典型课程进行

21、了设置，其中嵌入式系统是其中的核心课程n“Embedded systems education: How to teach the required skills, sponsored by IEEE, ACM, and IFIP.n“Embedded System Education”已成为国际IT教育研究的热点41IEEE和ACM对嵌入式系统课程的要求嵌入式系统课程应包括如下内容： n发展历史和概述n嵌入式微处理器n嵌入式编程n实时操作系统n低功耗计算n系统可靠性设计n设计方法学n工具支持（选修）n嵌入式多处理器系统设计（选修）n网络化嵌入式系统（选修）n接口和混合信号系统（选修）42国际的发展趋势nBy the year 2010, 90% of the overall program code developed will be for embedded computing systems.n嵌入式系统教育对传统计算机教育带