第一章嵌入式系统概况

1、1第一章第一章 嵌入式系统概况嵌入式系统概况 大连理工大学大连理工大学 马洪连马洪连2本章内容本章内容1.1 1.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义1.2 1.2 嵌入式技术的应用领域及发展趋势嵌入式技术的应用领域及发展趋势1.3 1.3 嵌入式系统组成简介嵌入式系统组成简介 31.11.1、嵌入式系统的定义、嵌入式系统的定义 1. 1. 概述概述 嵌入式系统是将计算机硬件和软件结合嵌入式系统是将计算机硬件和软件结合起来构成的一个专门的装置，这个装置可以起来构成的一个专门的装置，这个装置可以完成一些特定的功能和任务，能够在没有人完成一些特定的功能和任务，能够在没有人工干预的情况下独立地进行实

2、时监测和控制。工干预的情况下独立地进行实时监测和控制。 另外，由于被嵌入对象的体系结构、应另外，由于被嵌入对象的体系结构、应用环境不同，所以各个嵌入式系统也可以由用环境不同，所以各个嵌入式系统也可以由各种不同的结构组成。各种不同的结构组成。4 嵌入式系统已有近嵌入式系统已有近4040年的历史，它是年的历史，它是以硬件和软件交替双螺旋式发展的。以硬件和软件交替双螺旋式发展的。l19711971年第一款微处理器是年第一款微处理器是IntelIntel的的40044004l2020世纪世纪8080年代初，年代初，IntelIntel研制成功了研制成功了MCS8051MCS8051系列单片机。系列单片

3、机。l19811981年世界上第一个商业嵌入式实时内核年世界上第一个商业嵌入式实时内核（VTRX32VTRX32）诞生（包含许多操作系统的特）诞生（包含许多操作系统的特征，如任务管理、任务间通信、同步与互征，如任务管理、任务间通信、同步与互斥、中断支持、内存管理等功能。）斥、中断支持、内存管理等功能。）2. 2. 发展历史发展历史5 IEEE( IEEE(国际电气和电子工程师协会国际电气和电子工程师协会) )定义定义原文：原文：devices used to devices used to control,monitor,or assist the operation control,moni

4、tor,or assist the operation of equipment,machinery or plants. of equipment,machinery or plants. 嵌入式系统是嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置助操作机器和设备的装置”。可以看出，此。可以看出，此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件定义是从应用上考虑的，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和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。置。 3.IEEE 3.IEEE定义定义64. 4. 一般定义一般定义 “ “以以应用应用为中心，以计算机技术为

5、基础，为中心，以计算机技术为基础，软件、硬件可裁减，软件、硬件可裁减，功能功能、可靠性可靠性、成本成本、体积体积、功耗严格要求功耗严格要求的专用计算机系统。的专用计算机系统。 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的手持的MP3MP3、MP4MP4和一个和一个PC104PC104小型工控机都可以认小型工控机都可以认为是嵌入式系统。为是嵌入式系统。 总之，嵌入式系统采用总之，嵌入式系统采用“量体裁衣量体裁衣”的方式把的方式把所需的功能嵌入到各种应用系统中所需的功能嵌入到各种应用系统中。71.21.2、嵌入式技术的应用领域及发展趋势、嵌入式技术的应用领

6、域及发展趋势1.2.1 嵌入式技术的现状嵌入式技术的现状1.2.2 嵌入式技术的应用领域嵌入式技术的应用领域1.2.3 嵌入式技术的发展趋势嵌入式技术的发展趋势81.2.1 1.2.1 嵌入式技术的现状嵌入式技术的现状 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式技术也将获得广阔和发展空间。美国著名学者式技术也将获得广阔和发展空间。美国著名学者尼葛洛庞帝尼葛洛庞帝19991999年年1 1月访华时预言，月访华时预言，4 4至至5 5年后嵌入年后嵌入式智能工具将是式智能工具将是PCPC和和InternetInternet网络之后最伟大的网络之后最伟大的发明。发明

7、。 在硬件方面，市场上不仅有各大公司生产的在硬件方面，市场上不仅有各大公司生产的各种微处理器芯片各种微处理器芯片, ,还有用于学习和进行研发的各还有用于学习和进行研发的各种配套的软件开发包和开发工具。目前，嵌入式种配套的软件开发包和开发工具。目前，嵌入式底层系统和硬件平台已经相对比较成熟，实现各底层系统和硬件平台已经相对比较成熟，实现各种功能的芯片应有尽有，巨大的市场需求给我们种功能的芯片应有尽有，巨大的市场需求给我们提供了学习嵌入式技术的机遇。提供了学习嵌入式技术的机遇。91.2.1 1.2.1 嵌入式技术的现状嵌入式技术的现状 在软件方面，也有相当多的成熟软件系在软件方面，也有相当多的成熟

8、软件系统。国外的嵌入式操作系统有统。国外的嵌入式操作系统有Windows CEWindows CE、LinuxLinux、ucOSucOS、VxWorksVxWorks等。我国自主开发的等。我国自主开发的嵌入式系统软件产品，如科银京城嵌入式系统软件产品，如科银京城（CoreTekCoreTek）公司的）公司的DeltaSystemDeltaSystem开发平台，开发平台，中科院推出的中科院推出的HopenHopen嵌入式操作系统。嵌入式操作系统。 嵌入式系统技术的发展，大致经历了以嵌入式系统技术的发展，大致经历了以下四个阶段：无操作系统阶段，如单片机；下四个阶段：无操作系统阶段，如单片机；简单

9、操作系统阶段，如简单操作系统阶段，如Power PCPower PC；实时操作；实时操作系统阶段，如系统阶段，如DSPDSP；面向；面向InternetInternet阶段。阶段。101.2.2 1.2.2 嵌入式技术的应用领域嵌入式技术的应用领域 嵌入式技术可应用在：工业控制；交嵌入式技术可应用在：工业控制；交通管理；信息家电；家庭智能管理；网络通管理；信息家电；家庭智能管理；网络及电子商务；环境监测；机器人等领域。及电子商务；环境监测；机器人等领域。 在工业和服务领域中，大量嵌入式技在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控机床、智术也已经应用于工业控制、数控机床、智能工

10、具、工业机器人、服务机器人等各个能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。例如，飞机的电子设备、城市服务方式。例如，飞机的电子设备、城市地铁购票系统等都可应用嵌入式系统来实地铁购票系统等都可应用嵌入式系统来实现。嵌入式系统的应用领域如下图所示。现。嵌入式系统的应用领域如下图所示。11嵌入式系统的应用领域示意图嵌入式系统的应用领域示意图工控设备工控设备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

11、军事国防电子商务电子商务工业控制工业控制网络网络12一些典型的嵌入式系统应用实例一些典型的嵌入式系统应用实例goReader Internet eBookSamsung AnyWebInternet Screen PhoneeRemoteIntelligent Home ControllerTektronix TDS7000 Digital OscilloscopesNixvue Digital AlbumDigital Photo Album133. 3. 其他方面的应用举例其他方面的应用举例 ARM ARM技术的技术的IPIP（知识产权）在许多领域（知识产权）在许多领域已经取得了很大的成功

12、。已经取得了很大的成功。 比如，目前绝大部分的无线设备（如比如，目前绝大部分的无线设备（如手机等）和手机等）和PDAPDA之类的无线设备中都采用了之类的无线设备中都采用了嵌入式技术。在数字音频播放器、数字机顶嵌入式技术。在数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中也得到了更广泛的应用。典型盒和游戏机中也得到了更广泛的应用。典型的嵌入式系统应用实例如下图所示：的嵌入式系统应用实例如下图所示：14典型的嵌入式系统应用实例典型的嵌入式系统应用实例15嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用n家用方面：数字电视、信息家电、智能玩家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。具、手持通讯、

13、存储设备的核心。16嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用 家庭智能管理系统：社区建筑的水、家庭智能管理系统：社区建筑的水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，远程点菜器等。防盗系统，远程点菜器等。17嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用 社会发展方面：嵌入式社会发展方面：嵌入式InternetInternet应用应用18嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用l汽车电子：汽车电子产品（汽车电子：汽车电子产品（1818个嵌入式控个嵌入式控制模块）制模块）CANCAN总线网络。总线网络。VOLVO S80汽车的CAN总线网络19嵌入式系统的具体

14、应用嵌入式系统的具体应用 智能玩具与机器人智能玩具与机器人20嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用 智能机器鱼技术研究智能机器鱼技术研究21嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用仿人型机器人仿人型机器人 Humanoid by University of Humanoid by Beijing Defense Technology in 1999Institute of Technology in 2002 22基于基于Win CE的移动机器人平台的移动机器人平台23嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用军事侦察军事侦察阿富汗参加反恐作战的“赫耳墨斯”价值4万美元，可携带2架摄像机，发

15、挥了很好作用。24嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用反恐防暴反恐防暴20022002年年1111月月2828日，以色列日，以色列一选举投票一选举投票点，发生枪点，发生枪击事件，造击事件，造成至少成至少7 7人人死亡，数十死亡，数十人受伤。以人受伤。以警方用机器警方用机器人在检查一人在检查一具巴勒斯坦具巴勒斯坦枪手的尸体。枪手的尸体。25嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用产品介绍产品介绍- -掌上电脑掌上电脑uCPU:intel PXA255 400MHzuFLASH:64MuSDRAM:64MuBluetouthu影音uCompact Flashu电源管理u红外线接口26嵌入式系统

16、的具体应用嵌入式系统的具体应用产品介绍产品介绍- -高 48 cm重: 6 kg灵活性：20 DOF操作系统: RT-Linux接口形式: USB 1.0 (12Mbps)响应周期: 1ms能源： DC24V x 6.2A (150W)制造：富士通 27嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用产品介绍产品介绍- -工程机械智能监控系统工程机械智能监控系统28嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用产品介绍产品介绍- -29结论：结论： 事实上，嵌入式技术无外不事实上，嵌入式技术无外不在，计在，计算机应用技术也开始进入一算机应用技术也开始进入一个被称为个被称为后后PCPC技术的春天技术的春天。3

17、01.2.3 1.2.3 嵌入式技术的发展趋势嵌入式技术的发展趋势 1 1）目前的发展）目前的发展 经济性经济性 计算机要很便宜，让更多的人能买得起；计算机要很便宜，让更多的人能买得起；小型化小型化 （笔记本、（笔记本、PDAPDA）人们携带方便；）人们携带方便；可靠性可靠性 （汽车（汽车VCDVCD，跳动问题，跳动问题););稳定性稳定性 能够在一般环境条件下或者是苛刻的环境能够在一般环境条件下或者是苛刻的环境条件下运行；条件下运行；高速度高速度 （飞机刹车系统）（飞机刹车系统）实时性实时性 能够迅速地完成数据计算或数据传输；能够迅速地完成数据计算或数据传输；智能性智能性 （知识推理、模糊查

18、询、识别、感知运动）（知识推理、模糊查询、识别、感知运动）实用性实用性 使人们用起来更习惯，对人们更有使价值。使人们用起来更习惯，对人们更有使价值。312 2）未来发展趋势）未来发展趋势l支持开发的工具和操作系统支持开发的工具和操作系统l联网成为必然趋势联网成为必然趋势 l精简系统内核、算法，设备实现小尺精简系统内核、算法，设备实现小尺 寸、微功耗和低成本寸、微功耗和低成本 l提供精巧的多媒体人机界面提供精巧的多媒体人机界面 32（1 1）支持开发的工具和操作系统）支持开发的工具和操作系统l软件系统开发工具和软件包软件系统开发工具和软件包l采用实时多任务编程技术采用实时多任务编程技术l交叉开发

19、工具技术交叉开发工具技术l简化应用程序设计简化应用程序设计l保障软件质量保障软件质量l缩短开发周期缩短开发周期33（2 2）联网成为必然趋势）联网成为必然趋势 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通信接口部联网要求，嵌入设备必需配有通信接口, ,相应需相应需要要TCP/IPTCP/IP协议簇软件支持协议簇软件支持。由于家用电器相互关联由于家用电器相互关联( (如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和

20、信息终端交换信息端交换信息) )及实验现场仪器的协调工作等要求，及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备新一代嵌入式设备还需具备还需具备IEEE1394IEEE1394、USBUSB、CANCAN、BluetoothBluetooth或或IrDAIrDA通信接口，同时也需要提供相应通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式，如应用软件的特定编程模式，如WebWeb或无线或无线WebWeb编程模编程模式，还需要相应的浏览器，如式，还需要相应的浏览器，如HTMLHTML、WMLWML等。等。34

21、（3 3）精简系统内核、算法，设备实现小）精简系统内核、算法，设备实现小尺寸、微功耗和低成本尺寸、微功耗和低成本 为满足这种特性，要求嵌入式产品为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存设计者相应降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片。这就相应提高了对容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。嵌入式软件设计技术要求。35（4 4）提供精巧的多媒体人机界面）提供精巧的多媒体人机界面 嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间的亲和利，自然的人因素之一是它们与使用者之间的亲和利，自然的人

22、机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交互要求以息终端交互要求以GUIGUI屏幕为中心的多媒体界面。屏幕为中心的多媒体界面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效。目前一些先进的彩色图形、图像已取得初步成效。目前一些先进的PDAPDA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，但离掌式语言、同声翻译还有很大距离。布，但离掌式语言、同声翻

23、译还有很大距离。361.3 1.3 嵌入式系统组成简介嵌入式系统组成简介1.3.1 嵌入式系统的重要特征嵌入式系统的重要特征1.3.2 典型嵌式系统的硬件组成典型嵌式系统的硬件组成1.3.3 嵌入式系统的软件组成嵌入式系统的软件组成37嵌入式系统的基本组成38嵌入式系统的架构图嵌入式系统的架构图处理器处理器存储器存储器输入输入输出输出操作系统操作系统应用程序应用程序软件软件结构结构硬件硬件结构结构 应用程序应用程序实时操作系统（实时操作系统（RTOS）输入输输入输出接口出接口处理器处理器/ARM核核MMU/CacheSOC/SOPCUSBGPIOIISLCDUART和和IrDAADC/DACF

24、PGA/CPLDDSP/浮点运算协处理器浮点运算协处理器DMA电源管理电源管理人机交互接口人机交互接口LCD/触摸屏、键盘、鼠标触摸屏、键盘、鼠标设备驱动程序、设备驱动程序、HAL、BSP文件系统文件系统/图形用户应用程序接口图形用户应用程序接口驱动层驱动层OS层层应用层应用层软软 件件以太网以太网看门狗及复看门狗及复位电路位电路Timer/RTCCANFlashSDRAMSRAM内内存存硬硬 件件40软件硬件基本要素软件硬件基本要素硬件硬件l嵌入式处理器嵌入式处理器l各种类型存储器各种类型存储器l模拟电路及电源模拟电路及电源l接口控制器及接插件接口控制器及接插件软件软件l实时操作系统（实时操

25、作系统（RTOS）l板级支持包（板级支持包（BSP）l设备驱动（设备驱动（Device Driver）l协议栈（协议栈（Protocol Stack）l应用程序（应用程序（Application）体系结构API设备管理设备管理中断中断驱动程序驱动程序串口串口驱动程序驱动程序键盘键盘驱动程序驱动程序串口卡串口卡A 硬件抽象硬件抽象串口卡串口卡B 硬件抽象硬件抽象串口串口1串口串口2串口串口4串口串口2串口串口3串口串口1驱动逻辑层驱动逻辑层硬件抽象层硬件抽象层设备设备设备管理层设备管理层API层层为了有效组织和管理各种不同的设备，可以采用分层的思想，为了有效组织和管理各种不同的设备，可以采用分层

26、的思想，把把I/OI/O系统从上到下分为四层，分别为系统从上到下分为四层，分别为APIAPI、设备管理、驱动逻、设备管理、驱动逻辑和硬件抽象。辑和硬件抽象。42 嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为核心，配置必要的外围接口部件。在嵌为核心，配置必要的外围接口部件。在嵌入式系统设计中，应尽可能选择适用于系入式系统设计中，应尽可能选择适用于系统功能接口的统功能接口的SoCSoC/SOPC/SOPC芯片，以最少的外芯片，以最少的外围部件构成一个应用系统，满足嵌入式系围部件构成一个应用系统，满足嵌入式系统的特殊要求。统的特殊要求。 一般包括有一般包括有 ：嵌入式处理器：嵌

27、入式处理器; ; 存储器存储器; ; I/OI/O系统和外设。系统和外设。1 1）嵌入式系统硬件系统）嵌入式系统硬件系统43 包括包括 ： 操作系统、应用软件、驱动层软件操作系统、应用软件、驱动层软件。 (1)(1)操作系统功能简介操作系统功能简介 操作系统层包含嵌入式内核、嵌入式操作系统层包含嵌入式内核、嵌入式TCP/IPTCP/IP网网络系统、嵌入式文件系统、嵌入式络系统、嵌入式文件系统、嵌入式GUIGUI系统和电源系统和电源管理等部分。其中嵌入式内核是基础和必备的部分，管理等部分。其中嵌入式内核是基础和必备的部分，其他部分要根据嵌入式系统的需要来确定。其他部分要根据嵌入式系统的需要来确定

28、。 作为嵌入式系统软硬件资源的管理者，负责系作为嵌入式系统软硬件资源的管理者，负责系统软硬件资源的调度与分配，保证系统资源被有效统软硬件资源的调度与分配，保证系统资源被有效合理使用。嵌入式操作系统掩盖了底层硬件的复杂合理使用。嵌入式操作系统掩盖了底层硬件的复杂性，提高了软件的开发效率和可维护性。性，提高了软件的开发效率和可维护性。 2 2）嵌入式系统的软件系统）嵌入式系统的软件系统 嵌入式嵌入式操作系统操作系统非实时非实时操作系统操作系统实时实时操作系统操作系统硬实时硬实时操作系统操作系统软实时软实时操作系统操作系统(1) 嵌入式操作系统嵌入式操作系统45（2 2）应用程序）应用程序 应用层软

29、件主要是由多个相对独应用层软件主要是由多个相对独立的应用任务组成，每个应用任务完立的应用任务组成，每个应用任务完成特定的工作，如成特定的工作，如I/OI/O任务、计算的任任务、计算的任务和通信的任务等，一般由操作系统务和通信的任务等，一般由操作系统调度各个调度各个任务任务。应用层要针对不同的。应用层要针对不同的应用而编写的程序。应用而编写的程序。 46（3 3）中间层（驱动层软件）中间层（驱动层软件） 使用任何外设都需要有驱动程序的支持，使用任何外设都需要有驱动程序的支持，驱动程序不仅要实现设备的基本功能函数，驱动程序不仅要实现设备的基本功能函数，如初始化、中断响应、发送、接收等，而且如初始化

30、、中断响应、发送、接收等，而且还要提供完备的错误处理函数。中间层为上还要提供完备的错误处理函数。中间层为上层软件提供了设备的操作接口。上层程序层软件提供了设备的操作接口。上层程序只只需需调用驱动程序提供的接口，而不用理会设调用驱动程序提供的接口，而不用理会设备具体的内部操作。备具体的内部操作。 驱动层软件（中间层）将系统软件与底驱动层软件（中间层）将系统软件与底层硬件部分进行了隔离，使得系统的底层设层硬件部分进行了隔离，使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关。具体包括硬件抽象备驱动程序与硬件无关。具体包括硬件抽象层层HALHAL和板级支持包和板级支持包BSPBSP。 47 HALHAL是位于操作

31、系统内核与硬件电路之间是位于操作系统内核与硬件电路之间的接口层，其目的是将硬件抽象化，可以通的接口层，其目的是将硬件抽象化，可以通过程序来控制所有硬件电路，如过程序来控制所有硬件电路，如CPUCPU、I/OI/O、存储器等的操作，从而使设备驱动程序与硬存储器等的操作，从而使设备驱动程序与硬件无关，提高了系统的可移植性。件无关，提高了系统的可移植性。 在定义抽象层时需要根据系统需求规定在定义抽象层时需要根据系统需求规定统一的软硬件接口标准。在功能上应实现相统一的软硬件接口标准。在功能上应实现相关硬件的初始化、数据的关硬件的初始化、数据的I/OI/O操作、硬件设操作、硬件设备的配置操作等功能。引入

32、抽象层还可以对备的配置操作等功能。引入抽象层还可以对系统的软硬件进行并行测试。系统的软硬件进行并行测试。 1 1）硬件抽象）硬件抽象层层HALHAL48l硬件抽象层硬件抽象层l是硬件功能模块的集合，是对硬设备功能的第一是硬件功能模块的集合，是对硬设备功能的第一层抽象，实现基本的层抽象，实现基本的IOIO操作。操作。l所关心的是如何实现硬件功能的软件接口，而不所关心的是如何实现硬件功能的软件接口，而不是设备的管理逻辑。是设备的管理逻辑。l每个硬件可能有多个端口（设备），对应的硬件每个硬件可能有多个端口（设备），对应的硬件抽象层是对这些端口（设备）操作的基本抽象，抽象层是对这些端口（设备）操作的基

33、本抽象，为驱动程序管理这些设备提供接口。为驱动程序管理这些设备提供接口。上层驱动程上层驱动程序在不需要了解具体设备硬件信息的情况下，就序在不需要了解具体设备硬件信息的情况下，就可以操作这些设备。可以操作这些设备。 492 2）板级支持包）板级支持包BSPBSP BSPBSP主要是为驱动程序提供访问硬件设备寄存器主要是为驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包的函数包，从而实现对操作系统的支持。不同操作，从而实现对操作系统的支持。不同操作系统有不同的板级支持包。具体完成如下二方面的系统有不同的板级支持包。具体完成如下二方面的功能：功能： 在系统启动时，完成对硬件的初始化。如对设备在系统启动时，完成

34、对硬件的初始化。如对设备的中断、的中断、CPUCPU的寄存器和内存区域的分配等进行操作。的寄存器和内存区域的分配等进行操作。 为驱动程序提供访问硬件的手段。如系统是统一为驱动程序提供访问硬件的手段。如系统是统一编址的，则可以直接在驱动程序中用编址的，则可以直接在驱动程序中用C C语言的函数进语言的函数进行访问。如是单独编址的，只能用汇编语言编写函行访问。如是单独编址的，只能用汇编语言编写函数进行访问。数进行访问。BSPBSP就是为上层的驱动程序提供访问硬就是为上层的驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包。件设备寄存器的函数包。50 BSP BSP小结小结 当前，实时操作系统的提供商基本当前，实

35、时操作系统的提供商基本上都要提供性能稳定可靠、可移植性好、上都要提供性能稳定可靠、可移植性好、可配置性好、规范化的板级支持包。作为可配置性好、规范化的板级支持包。作为嵌入式系统的开发者，只需在原来板级支嵌入式系统的开发者，只需在原来板级支持包基础上作一定改动，就可以适应性的持包基础上作一定改动，就可以适应性的目标硬件环境。目标硬件环境。51嵌入式系统组成原理架构嵌入式系统组成原理架构521.3.1 1.3.1 嵌入式系统的重要特征和特点嵌入式系统的重要特征和特点 1 1）嵌入式系统的重要特征嵌入式系统的重要特征 （1 1）系统内核小）系统内核小 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技嵌入式系

36、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术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，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操作系统系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如要小得多。比如ENEAENEA公司的公司的OSOS分布式系统，内核只分布式系统，内核只有有5KB5KB，而，而Windows

37、Windows的内核则要大得多。的内核则要大得多。53（）专用性强（）专用性强 嵌入式嵌入式CPUCPU大多工作在为特定用户群设计的系大多工作在为特定用户群设计的系统中，具有低功耗、体积小、集成度高等特点统中，具有低功耗、体积小、集成度高等特点。能能够把通用够把通用CPUCPU中由板卡完成的任务集成在芯片内部，中由板卡完成的任务集成在芯片内部，有利于嵌入式系统设计趋于小型化有利于嵌入式系统设计趋于小型化。移动能力大大移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。嵌入式系统的增强，跟网络的耦合也越来越紧密。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个性化很强，其中的软件系统和硬件的结

38、合非常紧密。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较密。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，大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修这种修改和通用软件的改和通用软件的“升级升级”是完全不同的概念。是完全不同的概念。54（）系统精简和高实时性（）系统精简和高实时性OSOS 嵌入式系统嵌入式系统一般系统软件和应用软件的一般系统软件和应用软件的区分不明显区分不明显，这样既利于控制系统成本，又，这样既利于控制系统成本，又利于实现系统安全。这是嵌入式软件的基本利于实现系统安全。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。要求，而且软件要求固态

39、存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。很多嵌入式系统都需要不断地对所处环境的很多嵌入式系统都需要不断地对所处环境的变化做出反应，而且要实时地得出计算结果，变化做出反应，而且要实时地得出计算结果，不能延迟。不能延迟。55（）高效率地设计（）高效率地设计 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，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，力争在同样的硅片面积上实现量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。更具有竞争

40、力。 （5 5）创新性和有效性）创新性和有效性 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它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，因此嵌入式系的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或的软件一般都固化在存储器芯片或微处理器微处理器中，而不中，而不是存贮于磁盘等载体中。是存贮于磁盘等载体中。（6 6）嵌入式软件开发走向标准化）嵌入式软件开发走向标准化 为了合理地调度多

41、任务、利用系统资源、系统函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，用户必须自行选配数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOSRTOS开开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，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，保障软件质量。并减少开发时间，保障软件质量。 （7 7）嵌入式系统开发需要开发工具和环境）嵌入式系统开发需要开发工具和环境 由于其本身不具备自主开发能力，即使设计通用由于其本身不具备自主开发能力，即使设计通用计算机上的软硬件设备以及各种完成以后，用户通常计算机上的软硬件设备以及各种完成以后，用户通常也是不能对其中的程序功能

42、进行修改，必须有一套开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。发工具和环境才能进行开发。 开发时往往有宿主机和目标机的概念，宿主机用开发时往往有宿主机和目标机的概念，宿主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。要交替结合进行。 交叉式的开发环境示意图交叉式的开发环境示意图 嵌入式系统开发所需的开发工具和环境嵌入式系统开发所需的开发工具和环境582 2）嵌入式系统的特点）嵌入式系统的特点 采用采用3232位位RISCRISC嵌入式微处理器和实时嵌入式微处理器和实时操作系统组成的嵌入式控制系统，

43、与传统操作系统组成的嵌入式控制系统，与传统基于单片机的控制系统和基于基于单片机的控制系统和基于PCPC的控制方的控制方式相比，具有以下突出优点：式相比，具有以下突出优点：u性能方面：性能方面：采用采用3232位位RISCRISC结构微处理器，结构微处理器，主频从主频从30MHz30MHz到到1200MHz1200MHz以上，接近以上，接近PCPC机机的水平，但体积更小，能够真正地的水平，但体积更小，能够真正地“嵌嵌入入”到设备中。到设备中。 59嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点u实时性方面：实时性方面：嵌入式机控制器内嵌实时操作系统嵌入式机控制器内嵌实时操作系统（RTOSRTOS），能够完全保

44、证控制系统的强实时性。），能够完全保证控制系统的强实时性。u人机交互方面：人机交互方面：嵌入式控制器可支持大屏幕的液晶嵌入式控制器可支持大屏幕的液晶显示器，提供功能强大的图形用户界面，这些方面显示器，提供功能强大的图形用户界面，这些方面的性能也接近于的性能也接近于PCPC，优于单片机。，优于单片机。u系统升级方面：系统升级方面：嵌入式控制器可为控制系统专门设嵌入式控制器可为控制系统专门设计，其功能专一，成本较低，而且开放的用户程序计，其功能专一，成本较低，而且开放的用户程序接口（接口（APIAPI）保证了系统能够快速升级和更新。）保证了系统能够快速升级和更新。603 3）嵌入式系统与单片机的区

45、别）嵌入式系统与单片机的区别 嵌入式系统嵌入式系统 单片机系统单片机系统 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位嵌入式微位嵌入式微处理器为核心的硬件设计和基于实时操作系处理器为核心的硬件设计和基于实时操作系统（统（RTOSRTOS）的软件设计。由于有了）的软件设计。由于有了OSOS可以执可以执行多任务调度，支持网络协议行多任务调度，支持网络协议TCP/IPTCP/IP，所以，所以嵌入式系统可以比普通单片机系统更适合完嵌入式系统可以比普通单片机系统更适合完成复杂的任务。成复杂的任务。61l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，它们不适合运行位机

46、，它们不适合运行操作系统，难以进行复杂的运算及处理功能；操作系统，难以进行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、软硬件协同设计。嵌入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；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%左右的工左右的工作量），单片机系统软硬件设计所占比例基本相同。作量），单片机系统软硬件设计所占比例基本相同。l单片机的开发通常是由一个电子工程师完成电路设计单片机的开发通常是由一个电子工程师完成电路设计和软件编程开发工作；嵌入式系统不仅硬件系统的开和软件编程开发工作；

47、嵌入式系统不仅硬件系统的开发比单片机复杂，更最要的是在系统中采用了操作系发比单片机复杂，更最要的是在系统中采用了操作系统，其应用软件的开发转变为使用操作系统标准接口统，其应用软件的开发转变为使用操作系统标准接口的计算机工程领域的应用软件开发。的计算机工程领域的应用软件开发。624 4）嵌入式系统与）嵌入式系统与PCPC之间的区别之间的区别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是通用计是通用计算平台；算平台；l嵌入式系统的资源比嵌入式系统的资源比PCPC少得多；软件故障带少得多；软件故障带来的后果比来的后果比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

48、；有成本、嵌入式系统一般采用实时操作系统；有成本、功耗的要求；得到多种微处理体系的支持并功耗的要求；得到多种微处理体系的支持并需要专用的开发工具。需要专用的开发工具。63嵌入式系统与嵌入式系统与PCPC之间的区别之间的区别 通用计算机系统要求的是高速、海量的通用计算机系统要求的是高速、海量的数值运算。在技术发展上追求总线速度不断数值运算。在技术发展上追求总线速度不断提升、存储容量不断扩大。提升、存储容量不断扩大。 而嵌入式系统要求的是对象体系的智能而嵌入式系统要求的是对象体系的智能化控制能力，在技术发展方向追求对特定对化控制能力，在技术发展方向追求对特定对象系统的嵌入性、专用性和智能化。象系统

49、的嵌入性、专用性和智能化。其计算其计算能力和数据存储能力都受到资源的限制。外能力和数据存储能力都受到资源的限制。外形、尺寸、功能和功耗都受限于应用对象的形、尺寸、功能和功耗都受限于应用对象的设计要求。设计要求。641.3.2 1.3.2 典型嵌式系统的硬件组成典型嵌式系统的硬件组成 1.3.2.1 1.3.2.1 嵌入式系统基本硬件架构嵌入式系统基本硬件架构 主要包括有处理器、外围电路及接口和主要包括有处理器、外围电路及接口和外部设备三大部分。其中外围电路一般包括外部设备三大部分。其中外围电路一般包括有时钟、复位电路、程序存储器、数据存储有时钟、复位电路、程序存储器、数据存储器和电源模块等部件

50、组成。外部设备一般应器和电源模块等部件组成。外部设备一般应配有配有USBUSB、显示器、键盘和其他等设备及接口、显示器、键盘和其他等设备及接口电路。在一片嵌入式微处理器基础上增加电电路。在一片嵌入式微处理器基础上增加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在应用程序都可以固化在ROMROM中。如下图所示：中。如下图所示：典型嵌式系统的硬件组成典型嵌式系统的硬件组成MPU微处理器微处理器电源电源模块模块时钟时钟复位复位FlashRAMROMUSBLCDKeyboar

51、d外围电路外围电路Other外设外设661 1）嵌入式处理器的特点）嵌入式处理器的特点 核心是嵌入式处理器，具备以下核心是嵌入式处理器，具备以下4 4个特点个特点: :（1 1）对实时多任务有很强的支持能力，从而使）对实时多任务有很强的支持能力，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。低限度。（2 2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区

52、保护功能，同时也有需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。利于软件诊断。67嵌入式处理器的特点嵌入式处理器的特点（3 3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。理器。（4 4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中，靠电池供电的嵌入式系统更是如设备中，靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有此，如需要功耗只有mWmW或或W W级。级。 2 2）嵌入式处理器的分类）嵌入

53、式处理器的分类69（1 1）嵌入式微控制器）嵌入式微控制器MCUMCU 嵌入式嵌入式MCUMCU的典型代表是单片机，这种位的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电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。应用。 目前通常使用单片机芯片内部集成目前通常使用单片机芯片内部集成FlashROMFlashROM 、RAMRAM、总线、总线逻辑、定时、总线、总线逻辑、定时/ /计数器、看门狗计数器、看门狗、I/OI/O、串行口、脉宽调制输出等必要功能和外设。、串行口、脉宽调制输出等必要功能和外设。 MCUMCU的最大特点是单片化，体积大大减小，从的最大特点是单片

54、化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器目前而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器目前在工业中的应用还是很多，由于适合于控制，因此在工业中的应用还是很多，由于适合于控制，因此称为微控制器。称为微控制器。嵌入式微控制器图嵌入式微控制器图 71（2 2）嵌入式）嵌入式DSPDSP处理器处理器 DSP DSP（Digital Signal Digital Signal Processor Processor ）数字信号数字信号处理器处理器 2020世纪世纪6060年代发展起来的一门新兴技术，所涉及年代发展起来的一门新兴技术，所涉及的领域非常广泛。如在数学领域中，微积分、概率统的

55、领域非常广泛。如在数学领域中，微积分、概率统计、随机过程、数字分析等都是数字信号处理的基础计、随机过程、数字分析等都是数字信号处理的基础工具。它与网络理论、信号与系统、控制理论、通信工具。它与网络理论、信号与系统、控制理论、通信理论、故障诊断等密切相关。近年来，人工智能、模理论、故障诊断等密切相关。近年来，人工智能、模式识别、神经网络等新兴学科都与数字信号处理密不式识别、神经网络等新兴学科都与数字信号处理密不可分。数字信号处理包括算法的研究和数字信号处理可分。数字信号处理包括算法的研究和数字信号处理的实现两个方面的内容。的实现两个方面的内容。72DSPDSP芯片的特点芯片的特点 l采用哈佛结构

56、：采用数据总线与程序总线采用哈佛结构：采用数据总线与程序总线 分离方式。分离方式。l采用流水线技术采用流水线技术l配有专用的硬件乘法配有专用的硬件乘法- -累加器：可在一个周累加器：可在一个周期内完成一次乘法和一次累加操作。期内完成一次乘法和一次累加操作。l具有特殊的具有特殊的DSPDSP指令：循环寻址、位码倒置。指令：循环寻址、位码倒置。l快速的指令周期快速的指令周期l支持多处理器结构。支持多处理器结构。l省电管理和低功耗省电管理和低功耗DSPDSP的应用的应用l信号处理：数字滤波、快速傅里叶变换、频谱分析、信号处理：数字滤波、快速傅里叶变换、频谱分析、波形产生等。波形产生等。l通信：调制解

57、调、自适应均衡、数据加密和压缩、多通信：调制解调、自适应均衡、数据加密和压缩、多路复用、移动通信、可视电话、路由器等。路复用、移动通信、可视电话、路由器等。l语音和图象的处理：语音编码与合成、文本语音和图象的处理：语音编码与合成、文本- -语音转语音转换、图象压缩与传输、鉴别、转换、模式识别、动画、换、图象压缩与传输、鉴别、转换、模式识别、动画、电子地图、机器人视觉。电子地图、机器人视觉。l军事：保密通信、雷达处理、导航、导弹制导、军事：保密通信、雷达处理、导航、导弹制导、GPSGPS、电子对抗、搜索与跟踪等。电子对抗、搜索与跟踪等。l仪器仪表：频谱分析、函数发生、数据采集、锁相环、仪器仪表：

58、频谱分析、函数发生、数据采集、锁相环、暂态分析。暂态分析。l还有在自动控制、医疗工程、家用电器等方面的应用。还有在自动控制、医疗工程、家用电器等方面的应用。 74DSPDSP处理器小结处理器小结 DSPDSP具有较完善的软、硬件开发工具，如软件仿具有较完善的软、硬件开发工具，如软件仿真器、在线仿真器、真器、在线仿真器、C C编译器等。编译器等。TITI公司提供的公司提供的CCSCCS开发工具功能强大，集成了代码的编辑、编译、连开发工具功能强大，集成了代码的编辑、编译、连接和调试等功能，而且支持接和调试等功能，而且支持C/C+C/C+和汇编的混合编程。和汇编的混合编程。开放式的结构允许用户外扩展

59、自身的模块，开放式的结构允许用户外扩展自身的模块，DSPDSP的开的开发工作。发工作。 DSPDSP具有处理速度快，灵活，精确，抗干扰能力具有处理速度快，灵活，精确，抗干扰能力强，体积小等优点。已经成为一个新的技术领域，强，体积小等优点。已经成为一个新的技术领域，形成了有潜力的产业和市场。形成了有潜力的产业和市场。 目前，国际上目前，国际上DSPDSP的供货商有以下几大公司：的供货商有以下几大公司： TI(TI(德州公司）、德州公司）、ADIADI公司、公司、AT&TAT&T公司。公司。75（3 3）嵌入式微处理器）嵌入式微处理器（Micro Processor Unit)Mi

60、cro Processor Unit) 嵌入式微处理器是由通用计算机中的嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPUCPU演变而演变而来的。与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应来的。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，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。资源实现嵌入式应用的特殊要求。l功能与和标准微处理器基本类似，在工作温度、抗功能与和标准微处理器基本类似，在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。电磁干扰、可靠性等方面一般都做了