嵌入式系统概论

1、1嵌入式嵌入式系统系统原理原理及及应用应用第一讲第一讲 嵌入式系统概论嵌入式系统概论21 1、掌握一种学习方法、掌握一种学习方法2 2、学习了解嵌入式技术研发的基本概念、方法、学习了解嵌入式技术研发的基本概念、方法和知识和知识3 3、获得嵌入式开发设计实践经验、获得嵌入式开发设计实践经验希望大家有所收获希望大家有所收获3课程目的课程目的l本课程围绕基于本课程围绕基于ARMARM的微处理器的微处理器和和实时操作系统实时操作系统 C/OSC/OS，介绍了嵌入式系统前沿发展趋势，理解其，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。设计方法，学会嵌入式编程技术。l着重培养学生的实

2、际动手能力，使学生能够掌握嵌着重培养学生的实际动手能力，使学生能够掌握嵌入式系统设计的基本方法。入式系统设计的基本方法。l学生基础：学过学生基础：学过C C语言、微机原理或单片机等语言、微机原理或单片机等41 1蒋建春蒋建春 主编主编. .嵌入式系统原理及应用，北京：高等教育出版嵌入式系统原理及应用，北京：高等教育出版社，社，2014.72014.72. 2. 王田苗王田苗 主编主编. . 嵌入式系统设计及实例开发嵌入式系统设计及实例开发ARMARM与与C/OS-C/OS-（第二版）（第二版）. . 北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，2003.92003.93 3（美）（美）Jean

3、 J.Labrosse, Jean J.Labrosse, 邵贝贝译邵贝贝译. C/OS-. C/OS-源码公源码公开的实时嵌入式操作系统开的实时嵌入式操作系统. . 北京：中国电力出版社，北京：中国电力出版社，2001.82001.84. 4. 马忠梅等著马忠梅等著. ARM. ARM嵌入式微处理器体系结构。北航出版社嵌入式微处理器体系结构。北航出版社5. 5. 田泽，于敦山田泽，于敦山 等译等译ARM SoC ARM SoC 体系结构。北航出版社体系结构。北航出版社6. 6. 郑灵翔等，嵌入式系统设计与应用开发，北航出版社，郑灵翔等，嵌入式系统设计与应用开发，北航出版社，2006.2200

4、6.2参考资料参考资料5一、考核方式：一、考核方式： 平时作业（占平时作业（占20%20%）+ +考勤（考勤（10%10%）+ +笔试（笔试（70%70%）二、评分标准：百分制二、评分标准：百分制 考核方式和评分标准考核方式和评分标准6您预期的收获您预期的收获通过本门课程的学习，你将获得以下知识：通过本门课程的学习，你将获得以下知识：l提高提高C C语言编程能力（期望值：）语言编程能力（期望值：）l学会使用实时操作系统学会使用实时操作系统 C/OS C/OS ，了解多任务（期望值，了解多任务（期望值：）：）l了解嵌入式软件开发流程（期望值：）了解嵌入式软件开发流程（期望值：）l掌握基本嵌入式硬

5、件知识（期望值：）掌握基本嵌入式硬件知识（期望值：）l掌握嵌入式软件编程（期望值：）掌握嵌入式软件编程（期望值：）l掌握硬件设计知识（期望值：）掌握硬件设计知识（期望值：）l学会操作系统移植（期望值：）学会操作系统移植（期望值：）7主要内容主要内容第一章第一章 嵌入式系统概论嵌入式系统概论第二章第二章 嵌入式系统的基础知识嵌入式系统的基础知识 第三章第三章 嵌入式系统开发基础嵌入式系统开发基础第四章第四章 Cortex-M3Cortex-M3嵌入式微处理器体系结构嵌入式微处理器体系结构 第五章第五章 嵌入式系统常用模块设计嵌入式系统常用模块设计 第六章第六章嵌入式操作系统基础知识嵌入式操作系统

6、基础知识第七章第七章 嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统C/OS-IIC/OS-II第八章第八章 C/OS-II操作系统应用及移植操作系统应用及移植8本节提要本节提要为什么要学习嵌入式系统为什么要学习嵌入式系统嵌入式系统的定义、特点及架构嵌入式系统的定义、特点及架构嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统与单片机、嵌入式系统与单片机、PC的区别的区别嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类9一、为什么要学习嵌入式技术一、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、城市建成为世界第一，手持仪

7、器设备、信息家电、城市建设、工业控制、军事应用，设、工业控制、军事应用，嵌入式技术无处，嵌入式技术无处不在不在 。l企业人才需求软硬件设计人才，应用开发人才，企业人才需求软硬件设计人才，应用开发人才，综合性人才，综合性人才，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，实时操作位，实时操作系统，系统，10l嵌入式系统带来的工业年产值已超过了嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1 1万亿美元，万亿美元，它正在成为信息技术（它正在成为信息技术（ITIT）产业争夺的重点之一。）产业争夺的重点之一。l每年只有每年只有10%-20%10%-20%的计算机芯片用于台式机或笔记本

8、的计算机芯片用于台式机或笔记本电脑等，这就意味着每年有超过电脑等，这就意味着每年有超过100100亿块亿块CPUCPU是为嵌是为嵌入式系统设计制造的：每年有超过入式系统设计制造的：每年有超过1 1万个新的嵌入式万个新的嵌入式系统计划产生。系统计划产生。l未来几年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产未来几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品，就将在美国产生一个每年1000010000亿美元的新市场亿美元的新市场l它们被广泛地应用到工业控制系统、仿真系统、医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。疗仪器、信息家电、通信设备等

9、众多领域中。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 11lPDAPDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发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、移动信息采集等描、移动信息采集等l自动控制领域，不仅可以用于自动控制领域，不仅可以用于ATMATM机，自动售货机机，自动售货机，工业控制等专用设备，和移动通讯设备结合、，工业控制等专用设备，和移动通讯设备结合、GPSGPS、娱乐相结合，硬件方面，不仅有各大公司的、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

10、开微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开发包。发包。l尤其是在最近几年，嵌入式设备不断地进入到新的尤其是在最近几年，嵌入式设备不断地进入到新的应用领域，比如应用领域，比如PDAPDA、手持设备、移动信息终端和、手持设备、移动信息终端和机项盒等。机项盒等。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 12l在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。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，欧洲的电视转变，欧洲的DVBDVB（数字电视广播）技术已在（数字电视广播）技术已在全球大多数国家推广。

11、全球大多数国家推广。l数字电视，高清晰、互动点播、机顶盒、车载信数字电视，高清晰、互动点播、机顶盒、车载信息终端。息终端。l在中国有在中国有80008000万有线电视网用户，万有线电视网用户，1 1亿以上的有线亿以上的有线电话网用户，为其发展提供了巨大市场。电话网用户，为其发展提供了巨大市场。l针对如此巨大的市场，嵌入式系统的研发和生产针对如此巨大的市场，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也给我国信息产业实现跨越式发展提供了良好的机遇。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 13l通讯行业：华为、中兴、大唐、通讯行业：华为、中兴、大唐、l国内国

12、内ITIT业：联想、同方、方正、业：联想、同方、方正、l外资企业：微软、外资企业：微软、IBMIBM、GEGE、l工业领域：工业领域：SiemensSiemens、ABBABB、研华、研华、l国内中小型高新技术企业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14l嵌入式系统设计是一门嵌入式系统设计是一门综合性综合性的课程，涉及的课程，涉及电子电子、计计算机算机、自动控制自动控制等诸多专业知识，综合性强，可包括等诸多专业知识，综合性强，可包括微机原理微机原理、单片机单片机设计、设计、操作系统操作系统等课程内容。嵌入等课程内容。嵌入式系统是软件、硬件设

13、计的完美结合。式系统是软件、硬件设计的完美结合。l理论与理论与实践实践相结合：实践是嵌入式系统课程的重要环相结合：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。节，缺乏实践的嵌入式系统课程是纸上谈兵。l通过嵌入式系统课程学习，可提升嵌入式系统设计的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。专业知识和实际设计能力。l知识的积累是与精力和时间的付出成正比的，要成为知识的积累是与精力和时间的付出成正比的，要成为高手和专家，就需要不断的努力。高手和专家，就需要不断的努力。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15本节提要本节提

14、要为什么要学习嵌入式系统为什么要学习嵌入式系统嵌入式系统的定义、特点及组成嵌入式系统的定义、特点及组成嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统与单片机、嵌入式系统与单片机、PC的区别的区别嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类16二、嵌入式系统的定义、特点与体系结构二、嵌入式系统的定义、特点与体系结构1. 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义 根据根据IEEE（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用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置器和设备的装置”（原文为（原文为devices used to co

15、ntrol, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。）。 可以看出此定义是可以看出此定义是从应用上从应用上考虑的，嵌入式系统是考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。 17一般定义一般定义 “以以应用应用为中心、以计算机技术为基为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求本、体积、功耗严格要求的的专用专用计算机系计算机系统。统。”18l嵌入式系统是以嵌入

16、式系统是以嵌入式应用嵌入式应用为目的的计算机系为目的的计算机系统。可分为系统级、板级、片级统。可分为系统级、板级、片级l系统级：各种类型的工控器系统级：各种类型的工控器l板级：各种类型的带板级：各种类型的带CPUCPU的主板及的主板及OEMOEM产品产品l片级：各种以单片机、片级：各种以单片机、DSPDSP、微处理器为核心、微处理器为核心的产品的产品微机学会的定义微机学会的定义191.嵌入式系统特性嵌入式系统特性（1）功能特定性）功能特定性一般嵌入式系统具有特定应用、特定功能要求。一般嵌入式系统具有特定应用、特定功能要求。（2）规模可变性）规模可变性嵌入式系统一般是以最小系统为核心，外围器件嵌

17、入式系统一般是以最小系统为核心，外围器件可扩充和裁减的系统。可扩充和裁减的系统。（3）实时性与稳定性）实时性与稳定性嵌入式系统在大多数领域对实时和稳定性都有很嵌入式系统在大多数领域对实时和稳定性都有很高的要求，特别是在设计人身安全的控制领域、如航高的要求，特别是在设计人身安全的控制领域、如航空、汽车控制等领域。空、汽车控制等领域。20嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点2. 2. 系统其他特性系统其他特性（1 1）操作系统内核小）操作系统内核小l由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置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，系统资源相对有限，所以内核较之传统的

18、操作系统要小得多。的操作系统要小得多。l比如比如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，而，而WindowsWindows的内核则要大得多。的内核则要大得多。21（）专用性强（）专用性强 嵌入式系统的个性化很强，其中的软件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。件进行系统的移植。l即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要即使在同一品牌、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。根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。l同时针对不同的任务，往往需

19、要对系统进行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，这种修改和通用软件的“升级升级”是完全不是完全不同的概念。同的概念。 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点22（）系统精简（）系统精简l嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的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，这样一方面复杂，这样一方面利于控制系统成本利于控制系统成本，同时，同时也利于实现系统安全。也利于实现系统安全。（）高实时性（）高实时性OSOSl这是嵌入式软件的

20、基本要求，而且软件要求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。量和高可靠性、实时性。 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点23（5 5）使用多任务的实时操作系统）使用多任务的实时操作系统l嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统只嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统只接在芯片上运行。接在芯片上运行。l为了合理地调度多任务、利用系统资源、系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，用户必须自统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配行选配RTOSRTOS（RealRealTime O

21、perating SystemTime Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时）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，保障软件质性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。量。嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点24（6 6）嵌入式系统需要开发工具和环境）嵌入式系统需要开发工具和环境l由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改后，用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。l这些

22、工具和环境一般是基于这些工具和环境一般是基于通用计算机通用计算机上的软硬件上的软硬件设备以及各种设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器逻辑分析仪、混合信号示波器等。等。l开发时往往有开发时往往有主机主机和和目标机目标机的概念，主机用于程序的概念，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。替结合进行。 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点25本节提要本节提要为什么要学习嵌入式系统为什么要学习嵌入式系统嵌入式系统的定义、特点及架构嵌入式系统的定义、特点及架构嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统与单片机、嵌入式系统与单片

23、机、PC的区别的区别嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类26三、嵌入式系统与单片机、三、嵌入式系统与单片机、PCPC机的区别机的区别嵌入式系统嵌入式系统 单片机系统单片机系统l目前嵌入式系统的主流是以目前嵌入式系统的主流是以3232位嵌入式微处理器位嵌入式微处理器为核心的硬件设计和基于实时操作系统（为核心的硬件设计和基于实时操作系统（RTOSRTOS）的软件设计的软件设计l单片机系统多为单片机系统多为4 4位、位、8 8位、位、1616位机，不适合运行位机，不适合运行操作系统，难以进行较为复杂的运算及处理功能操作系统，难以进行较为复杂的运算及处理功能l嵌入式系统强调基于平台的设计、软硬件协同设嵌入

24、式系统强调基于平台的设计、软硬件协同设计，单片机大多采用软硬件流水设计计，单片机大多采用软硬件流水设计l嵌入式系统设计的核心是软件设计（占嵌入式系统设计的核心是软件设计（占70%70%左右的左右的工作量），单片机系统软硬件设计所占比例基本工作量），单片机系统软硬件设计所占比例基本相同相同27嵌入式系统与单片机在学习方法上不同嵌入式系统与单片机在学习方法上不同l单片机学习一般从硬件入手，从硬件体系结构单片机学习一般从硬件入手，从硬件体系结构、汇编语言到硬件设计、软件设计、汇编语言到硬件设计、软件设计l嵌入式系统学习可以从软件入手，从应用层编嵌入式系统学习可以从软件入手，从应用层编程到操作系统移植

25、、硬件平台设计较好，按单程到操作系统移植、硬件平台设计较好，按单片机设计的学习流程较难掌握片机设计的学习流程较难掌握28嵌入式系统嵌入式系统 PC机机l嵌入式系统一般是专用系统，而嵌入式系统一般是专用系统，而PCPC是通用计算是通用计算平台平台l嵌入式系统的资源比嵌入式系统的资源比PCPC少得多少得多l嵌入式系统软件故障带来的后果比嵌入式系统软件故障带来的后果比PCPC机大得多机大得多l嵌入式系统一般采用实时操作系统嵌入式系统一般采用实时操作系统l嵌入式系统大都有成本、功耗的要求嵌入式系统大都有成本、功耗的要求l嵌入式系统得到多种微处理体系的支持嵌入式系统得到多种微处理体系的支持l嵌入式系统需

26、要专用的开发工具嵌入式系统需要专用的开发工具29本节提要本节提要为什么要学习嵌入式系统为什么要学习嵌入式系统嵌入式系统的定义、特点及架构嵌入式系统的定义、特点及架构嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统与单片机、嵌入式系统与单片机、PC的区别的区别嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类301.2嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类1.从实时性进行划分从实时性进行划分u硬实时系统硬实时系统是指系统要确保在最坏情况下的服务时间，对是指系统要确保在最坏情况下的服务时间，对于事件响应时间的截止期限必须得到满足。于事件响应时间的截止期限必须得到满足。u软实时系统软实时系统其时限是一个柔性灵活的，可以容

27、忍偶然的超其时限是一个柔性灵活的，可以容忍偶然的超时错误。失败造成的后果并不严重。时错误。失败造成的后果并不严重。311.2嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类2.应用领域进行划分应用领域进行划分l消费类嵌入式产品消费类嵌入式产品l智能仪器、仪表类嵌入式产品智能仪器、仪表类嵌入式产品l通信信息类嵌入式产品通信信息类嵌入式产品l家庭智能管理系统家庭智能管理系统l国防武器设备嵌入式产品国防武器设备嵌入式产品l生物微电子嵌入式产品生物微电子嵌入式产品l汽车电子设备产品汽车电子设备产品32消费类嵌入式产品消费类嵌入式产品33智能仪器、仪表类嵌入式产品智能仪器、仪表类嵌入式产品 34家庭智能管理嵌入式产品家

28、庭智能管理嵌入式产品35国防武器设备嵌入式产品国防武器设备嵌入式产品36阿富汗参加反恐作战的阿富汗参加反恐作战的“赫耳赫耳墨斯墨斯”价值价值4 4万美元，可携带万美元，可携带2 2架摄像机，发挥了很好作用。架摄像机，发挥了很好作用。嵌入式技术在国防武器设备的应用嵌入式技术在国防武器设备的应用37生物微电子嵌入式产品生物微电子嵌入式产品38汽车电子设备产品汽车电子设备产品39嵌入式技术在交通管理、环境监测中的应用嵌入式技术在交通管理、环境监测中的应用l交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，目前汽车服务方面，目前GPSGPS设备已经从尖端产品

29、进设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元入了普通百姓的家庭，只需要几千元l水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。水源和空气污染监测。l加油站加油站l停车场管理停车场管理l40嵌入式系统与机器人技术嵌入式系统与机器人技术图：卡耐基梅隆大学和瑞士图：卡耐基梅隆大学和瑞士EPFLEPFL研制的机器人控制器研制的机器人控制器 （采用卡西欧（采用卡西欧PDAPDA和和Windows CEWindows CE） 41424344高高 48 cm48 c

30、m重重: 6 kg: 6 kg灵活性：灵活性：20 DOF20 DOF操作系统操作系统: RT-Linux: RT-Linux接口形式接口形式: USB 1.0 (12Mbps): USB 1.0 (12Mbps)响应周期响应周期: 1ms: 1ms能源：能源： DC24V x 6.2A (150W)DC24V x 6.2A (150W)制造：富士通制造：富士通 454647机器鱼的智能控制机器鱼的智能控制48模块化机器人的智能控制模块化机器人的智能控制 49机器蛇的智能控制机器蛇的智能控制 50本节提要本节提要为什么要学习嵌入式系统为什么要学习嵌入式系统嵌入式系统的定义、特点及架构嵌入式系统的定义、特点及架构嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统与单片机、嵌入式系统