嵌入式系统概述

1、1嵌入式系统概述 2什么是嵌入式系统？IEEE: IEEE: “Device used to controlDevice used to control，monitormonitor，or assist the operation of equipmentor assist the operation of equipment，machinery or plantsmachinery or plants”. .嵌入式系统是以应用为中心以应用为中心，以计算机技术以计算机技术为基础为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用专用计算机系统。 31.嵌入式

2、系统介绍 l一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成 41.1嵌入式系统历史与现状 l嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下四个阶段：l无操作系统阶段 l简单操作系统阶段 l实时操作系统阶段 l面向Internet阶段 51.1.1 计算机系统分类l1计算机的传统分类方法 金字塔 61.1.1 计算机系统分类l2 以应用为中心的分类l进行高速、海量数值计算的通用计算机l实现智能化控制的嵌入式计算机71.1.2 嵌入式系统的应用概况l应用数量上：嵌入式系统远远超过了通用计算机系统。l例如，一台通用计算机系统的外部设备软驱、显示卡、显示器、网卡、调制解调器、

3、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB 集线器等均是由嵌入式处理器控制的。81.1.2 嵌入式系统的应用概况l应用范围上：嵌入式系统的应用领域非常广泛l包括工业制造、过程控制、通信、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等领域91.1.2 嵌入式系统的应用概况l工业控制(Industry Control)l对生产过程和工业设备等各种动作流程的控制，这种控制是在对被控对象和环境进行不断观测的基础上做出及时的、恰当的反应。l在控制过程中，计算机扮演着中心的角色。它通过传感器从外部接收有关过程的信息，对这些信息进行加工处理，然后对执行机构发出控制指令。101.1.2 嵌入式系统的应

4、用概况l工业控制(Industry Control)泵车泵车零部件装配自动化生产线及设备零部件装配自动化生产线及设备 111.1.2 嵌入式系统的应用概况l消费类产品(Consumer Product) 消费电子产品数字时代已经来临121.1.2 嵌入式系统的应用概况l消费类产品(续):常见消费类产品l手机、PDA/PPC/HPC、数码相机/摄像机l洗衣机、微波炉、数字电视机顶盒等 131.1.2 嵌入式系统的应用概况l消费类产品(续):智能消费类产品l坐姿测试椅 MITl仿生运动鞋Adidasl情绪类装饰品NYU 141.1.2 嵌入式系统的应用概况l网络通讯设备l程控交换机l路由器l桥接器

5、l集线器lModem 等151.1.2 嵌入式系统的应用概况l仪器仪表l数字示波器l数字式多功能电表l远程数据采集终端l医疗仪器等l数字示波器161.1.2 嵌入式系统的应用概况l仪器仪表：数字式多功能电表171.1.2 嵌入式系统的应用概况l仪器仪表：远程数据采集终端18191.1.2 嵌入式系统的应用概况l仪器仪表：医疗仪器201.1.2 嵌入式系统的应用概况l汽车（VOLVO S80汽车, 18个嵌入式控制模块+CAN总线网络）211.1.2 嵌入式系统的应用概况l智能家庭信息化网络221.1.2 嵌入式系统的应用概况l智能家庭信息化网络(续)l回家之前，打电话预先启动家里空调l在办公室

6、查看家里是否正常l根据室外光线和室内温度自动开启和关闭窗帘l根据室内光线调节灯光照明度l单一遥控器操作所有家电l冰箱自动检测食物是否过期，通过网络自动订购食物231.1.2 嵌入式系统的应用概况l智能家庭信息化网络(续)l带来新的通信、娱乐和教育方式VoD：点拨电视节目替代收看电视节目媒体中心：家庭中各种音视频设备的协作和联动家庭课堂：传统教学方式的一种变革智能家居：家庭生活方式的一种转变其他应用l把互联网放到家电消费者的手上l实现家庭间数据、音视频信息共享l发展趋势：家电智能化、家庭网络化241.1.2 嵌入式系统的应用概况l机器人（Robot）251.1.2 嵌入式系统的应用概况l机器人（

7、Robot）(续)261.1.2 嵌入式系统的应用概况l机器人（Robot）(续)271.1.2 嵌入式系统的应用概况l机器人（Robot）(续)281.1.3 嵌入式系统的发展历史 嵌入式系统经过30年的发展291.1.3 嵌入式系统的发展历史l1 二十世纪七十年代l1971年11月，Intel 公司成功的地将算术运算器和控制器集成在一起，推出了世界上第一片微处理器Intel 4004，这是嵌入式应用发展最重要的里程碑。l其后，各厂家相继推出了许多8位或16位的微处理器，包括Intel 的8080/8085、8086，Motorola 的6 8 0 0 、6 8 0 0 0 ， Zilog

8、的Z80、Z8000。301.1.3 嵌入式系统的发展历史l1 二十世纪七十年代（续）l单板计算机:系列化、模块化流行的单板机：如Intel的iSBC 系列、Zilog 公司的MCB 等。单板计算机使人们不必从选择芯片开始来设计一台专用的嵌入式计算机，只要根据自己的需要选择各种不同的功能模块，包括适合自己应用的CPU 板、存储器板和各式I/O 插件板构成专用的嵌入式计算机系统，并嵌入到自己的系统设备中，就可以组建一台专用计算机系统。311.1.3 嵌入式系统的发展历史l1. 二十世纪七十年代（续）l这一时期嵌入式软件大多数使用汇编语言或者宏语言来编写。l数据总线是4位、8位321.1.3 嵌入

9、式系统的发展历史l2.二十世纪八十年代l80年代初，出现了单片机Intel进一步完善了8048，在它的基础上研制成功了8051单片机单片机的产生得益于微电子工艺水平的提高，它将嵌入式应用所需要的微处理器、I/O 接口、A/D 、D/A 转换器、串行接口以及RAM 、ROM等都通通集成到一个超大规模集成电路(VLSI)中， 制造出面向I/O设计的微控制器数据总线16位331.1.3 嵌入式系统的发展历史l2.二十世纪八十年代（续）l1981年Ready System发展了世界上第1个商业嵌入式实时内核（VTRX32）包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与互斥、中断支持、内

10、存管理等功能。l随后，出现了如IntegratedSystemIncorporation (ISI)的pSOSystem、WindRiver的VxWorks、QNX公司的QNX、PalmComputing公司的PalmOS、Microsoft公司的WinCE、嵌入式Linux、C/OS、Nucleux、以及国内的Hopen、DeltaOS等嵌入式操作系统。341.1.3 嵌入式系统的发展历史l3. 二十世纪九十年代至今l在硬件方面，尤其是芯片方面的三个特点面向实时信号处理算法的DSP 向高速、高精度、低功耗方向发展，例如Texas 推出的第三代DSP 单片机TMS320C30T32 位微处理器

11、已成为市场主流，并向高速、智能化的方向发展嵌入式CPU 的主频越来越高， 同时在对多媒体的支持方面发展迅速。351.1.3 嵌入式系统的发展历史l3二十世纪八十年代（续）l操作系统方面嵌入式操作系统出现了进一步的分化，诞生了一些嵌入式操作系统家族。例如，Wind River公司推出的Wind River Platform for XXX，Microsoft公司的Windows Embedded 产品家族（包括Windows CE系列、Windows Embedded系列和ServerApplication Kit三类产品）等就是分别针对不同领域、不同应用的操作系统而构成的嵌入式操作系统家族。l

12、跨平台的软件开发技术从通用计算机上延展到嵌入式设备上。例如KVM 、J2ME、Java Card等。36嵌入式系统特点37什么是实时性? 38什么是实时性?39实时系统40硬实时和软实时41实时系统42实时系统431.2 嵌入式体系结构 44l嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： l嵌入式系统通常是面向特定应用的l嵌入式系统是将先进的计算机技术、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 l嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余l嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行l为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中

13、的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中 l嵌入式系统本身不具备自举开发能力 45嵌入式系统学习理论架构系统硬件及应用程序开发嵌入式系统基本理论嵌入式ARM架构及原理嵌入式linux系统嵌入式网络基础硬件方面：ARM或其他CPU的PCB版图设计增加部分功能模块的底层驱动程序开发；软件方面：界面程序设计及开发（常用的QT等）46嵌入式系统嵌入式硬件嵌入式软件原理图及PCB设计技能；ARM或其他CPU的性能及架构；增加功能部分的驱动程序的编写（C语言）；嵌入式操作系统的移植；嵌入式系统应用程序的开发；电路；模电；数电；protel软件；嵌入式ARM理论；C语言程序设计；计算机组成部分；计算机网络

14、；数据库原理；操作系统；嵌入式系统基本理论；Linux系统或其他嵌入式实时操作系统原理；VC+/QT/JAVA编程语言；47注意分清楚以下2个概念： 嵌入式linux编程 与 linux编程 ； 嵌入式系统底层驱动程序与 裸机程序； 482. 嵌入式系统设计 l嵌入式系统的设计可以分成三个阶段：分析、设计和实现 l硬件和软件的选择包括：处理器、硬件部件、操作系统、编程语言、软件开发工具、硬件调试工具、软件组件等 492.1 硬件平台的选择 l处理器的选择要考虑的主要因素有： l处理性能 l技术指标l功耗l软件支持工具 l是否内置调试工具 l供应商是否提供评估板 50l硬件选择的其它因素 l生产

15、规模 l开发的市场目标 l软件对硬件的依赖性 l只要可能，尽量选择使用普通的硬件 512.2 软件平台的选择操作系统l选择一个适合开发项目的操作系统，可以从以下几点进行考虑：l操作系统提供的开发工具 l操作系统向硬件接口移植的难度 l操作系统的内存要求 l开发人员是否熟悉此操作系统及其提供的APIl操作系统是否提供硬件的驱动程序 l操作系统的可剪裁性l操作系统的实时性能 522.2 软件平台的选择编程语言 l编程语言的选择主要考虑以下因素：l通用性 l可移植性程度 l执行效率 l可维护性 l目前比较广泛应用的高级语言有Ada、C/C+和J2ME等 532.2 软件平台的选择集成开发环境 l集成

16、开发环境选择时应考虑以下因素：l系统调试器的功能，包括远程调试环境 l支持库函数 l编译器开发商是否持续升级编译器 l连接程序是否支持所有的文件格式和符号格式 543. 嵌入式微处理器ARM lARM微处理器及技术的应用已经深入到各个领域：l工业控制领域 l无线通讯领域 l网络应用 l消费类电子产品 l成像和安全产品 55lRISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点： l体积小、低功耗、低成本、高性能l支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件l大量使用寄存器，指令执行速度快l大多数数据操作都在寄存器中完成l寻址方式灵活简单，执行效率高l采用固定长度的指

17、令格式 563.1 ARM通用微处理器系列 lARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器 lARM9系列微处理器提供了更高的性能 lARM9E系列微处理器为综合处理器 lARM10E系列微处理器由于采用了新的体系结构，支持VFP10浮点处理协处理器，并且内嵌并行读/写操作部件 573.2 SecurCore微处理器系列 lSecurCore系列微处理器专为安全需要而设计，在系统安全方面具有如下的特点：l带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全。l采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测。l可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。 583.3 StrongARM微处理器系列 l

18、Intel StrongARM SA-1100处理器采用在软件上兼容ARMv4体系结构lIntel StrongARM处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择 593.4 XScale处理器 lXScale 处理器是基于ARMv5TE体系结构的解决方案，是一款全性能、高性价比、低功耗的处理器 l支持16位的Thumb指令和DSP指令集，已使用在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合 604. 嵌入式操作系统 l嵌入式Linux l广泛的硬件支持 l内核高效稳定l开放源码，软件丰富l优秀的开发工具l完善的网络通信和文件管理机制61lWindows CE l主要应用领域有PDA市场、Pcket PC、Smartphone、工业控制、医疗等 l在WinCE操作系统上的应用软件开发，微软就提供了Embedded Visual Basic(简称EVB)、Embedded Visual C+(简称EVC)、Visual Studio.NET等工具 62lSymbianlSymbian EPOC是开放源码的平台 lSymbian是第一个支持Java的SmartPhone平台 63l其他嵌入式操作系统 lVxWorks是目前使用最广泛、市场占有率最高的实时系统 lQNX是一个实时的、可扩充的操作系统 lPalm O