嵌入式系统概论课件

1、第一章嵌入式系统概述山东大学精品课程嵌入式系统原理与接口技术主编：贾智平张瑞华清华大学出版社内容提要计算机系统的分类微型计算机系统嵌入式系统微型计算机及嵌入式系统的发展微型计算机的性能指标嵌入式系统的性能指标嵌入式系统的应用2计算机系统的分类计算机系统按应用范围分为以下两种：通用计算机嵌入式计算机/嵌入式系统3通用计算机 具有一般计算机的基本标准形态，通过装配不同的软件，以基本雷同的面目出现并应用于社会各领域。 通用计算机按处理字长、运算速度、结构规模分为：大型、中型、小型和微型计算机。大型计算机实例4大型计算机实例“银河”计算机从1978年开始研制，到1983年通过了国家鉴定。它是由中国国防

2、科技大学自行设计的第一个每秒向量运算1亿次的巨型计算机系统。10万亿次曙光4000A超大型计算机，是一套由中国曙光信息产业有限公司研制的超级计算机系统。该系统使用了共2560个AMD Opteron 850 2.2GHz处理器，速度达每秒10万亿次。该系统于2004年6月投入服务，当时在全世界所有超级计算机中排名第十，现排名降至42。5嵌入式计算机/嵌入式系统嵌入式计算机/嵌入式系统： 是专用计算机，以核心部件的形式出现在各种装置、设备、产品和系统中。 例如：监控设备、移动电话、家电、机器人、视听设备、医疗设备等装置中所用的计算机。6内容提要计算机系统的分类微型计算机系统嵌入式系统微型计算机及

3、嵌入式系统的发展微型计算机的性能指标嵌入式系统的性能指标嵌入式系统的应用7微型计算机通常所说的“微机”，准确的称谓应是微型计算机系统。微型计算机系统从局部到全局存在三个层次：微处理器微型计算机微型计算机系统8微处理器微处理机MPU/微处理器/CPUMPU（P）= ALU + CU + R + 内部总线微处理机包括：算术逻辑部件ALU（Arithmetic Logic Unit）；控制部件CU（Control Unit）；寄存器组R（Registers）；内部总线。9微处理机的组成10微型计算机微型计算机（Micro Computer）或简称微机是以微处理机为核心，加上由大规模集成电路制作的存储

4、器M（ROM和RAM）、I/O（输入输出）接口和系统总线组成的。微型计算机 = 微处理机 + ROM和RAM + I/O接口 + 系统总线11微型计算机的结构框图12微型计算机的三种总线结构 在单总线结构中，系统存储器M和I/O使用唯一的一套信息通路，因而微处理器对存储器和I/O的读写只能分时进行。大部分中低档微机都是采用这种结构，因为它的逻辑结构简单、成本低廉、实现容易。1.单总线结构13 双总线结构中，I/O和M都各自具有到MPU的总线通路，即MPU可以分别在两套总线上同时与M和I/O口交换信息，这相当于展宽了总线带宽，提高了总线的数据传输速率。目前高档微机就是采用这种结构。 在这种结构中

5、，MPU要同时管理与M和I/O的通信，这势必加重MPU在管理方面的负担。为此现在通常采用专门的I/O处理芯片即所谓的智能I/O接口来履行I/O管理任务，以减轻MPU的负担。2.双总线结构14 在这种结构中, MPU通常通过局部总线访问局部M和局部I/O，也可以作为主设备访问全局M和I/O。当对全局M和全局I/O访问时，必须由总线控制逻辑统一安排才能进行，这时该微处理器就是系统的主控设备。这种结构可以实现双重总线上并行工作：并且对等效总线带宽的增加、系统数据处理和数据传输效率的提高效果更明显。目前各种高档微型机和工作站基本上都是采用这种双重总线结构。 3.双重总线结构15微型计算机系统微型计算机

6、系统微型计算机系统： MCS = MC + 外围设备（外存+I/O外设）+ 电源 + 辅助电路 + 软件（系统 软件、应用软件）微型计算机系统（Micro Computer System）是以微型计算机为核心，再配以相应的外围设备,电源、辅助电路和控制微型计算机工作的软件而构成的完整的计算系统。16微型计算机系统系统软件：用来支持应用软件的开发与运行的，它包括操作系统、标准实用程序和各种语言处理程序等。应用软件：用来为用户解决具体应用问题的程序及有关的文档和资料。1718内容提要计算机系统的分类微型计算机系统嵌入式系统微型计算机及嵌入式系统的发展微型计算机的性能指标嵌入式系统的性能指标嵌入式系

7、统的应用19嵌入式系统嵌入式计算机/嵌入式系统嵌入式计算机是专用计算机，以核心部件的形式出现在各种装置、设备、产品和系统中。 嵌入式系统 = 嵌入式处理器 + 存储器 + 接口电路/外围电路 + 外设 + 嵌入式操作系统 + 应用软件。20嵌入式系统嵌入式处理器及其分类嵌入式系统的概念及组成嵌入式系统的特点嵌入式系统的分类21嵌入式处理器嵌入式处理器由以下四部分组成： 微处理器(EMPU)、嵌入式微控制器(MCU)、嵌入式DSP处理器(EDSP)、嵌入式片上系统(SOC)。22嵌入式微处理器(EMPU)嵌入式微处理器 (Embedded Microprocessor Unit, EMPU) 嵌

8、入式微处理器必须装配在专门设计的电路板上，在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件（俗称单板计算机）。嵌入式微处理器 = CPU + 硬件接口（存储器接口，键盘接口等）+ 辅助电路（时钟、A/D、D/A、调试电路等）23和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。嵌入式微处理器EMPU是由通用计算机中的CPU演变而来的，8038680387。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。24嵌入式处理器目前主要有Am186/88、38

9、6EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。25嵌入式微控制器(MCU)嵌入式微控制器(Microcontroller Unit,MCU) 嵌入式微控制器俗称单片机，是将整个计算机系统集成到一块芯片中。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。嵌入式微控制器一般是以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制

10、输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等部件。26MCU = CPU + 存储器 + I/O接口 + 辅助电路（时钟、A/D、D/A等）。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。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。27嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。目前MCU占嵌入式系统约70的市场份额。近来Atmel推出的AVR

11、单片机由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更高的发展。 28嵌入式DSP处理器(EDSP)嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)。嵌入式DSP是专用于离散信号的处理、计算，针对某些领域而设计的处理器。DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。DSP算法：数字滤波、FFT、谱分析等。29DSP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

12、片，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP的运算速度的进一步提高，使得其应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。30课后阅读材料嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texas Instruments的TMS320系列和Motorola摩托罗拉的DSP56000系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。摩托罗拉公司于1997年推出了24位DSP56300系列的首枚芯片DSP56301，并不断升级，该系列24位DSP提供了大容量的片内存储器、滤波器、协处理器,具有较优异的性能与体积、价位、功耗比。3

13、1嵌入式片上系统(SoC)片上系统SoC（System on Chip）: 将系统功能模块集成于一块芯片上的系统。 嵌入式片上系统从整个系统性能要求出发，把微处理器、芯片结构、外围器件各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，并通过建立在全新理念上的系统软件和硬件的协同设计，在单个芯片上实现整个系统的功能。32 课后阅读材料SoC设计技术始于20世纪90年代中期，它是一种系统级的设计技术。使用专用集成电路ASIC行芯片设计的技术称为片上系统技术，即SoC。使用大规模可编程逻辑阵列CPLD/Field-Programmable Gate Array)进行芯片设计的技术称为可编程片上系统技术，即SoP

14、C(System on Programmable chip)。片上系统SOC.doc33嵌入式系统的概念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 of equipment, machinery or plants）。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。34嵌入式系统的组成嵌入式系统 = 嵌入式处理器 + 存储器 + 接口电路外围电

15、路 + 外设 + 嵌入式操作系统 + 应用软件。硬件部分软件部分开发环境35 硬件部分存储器接口电路外围电路36嵌入式微处理器EMPU嵌入式微处理器EMCU嵌入式微控制器EDSP嵌入式数字信号处理器ESoC嵌入式片上系统37存储器嵌入式系统的存储器按其所处位置分为内部存储器和外部存储器：内部存储器位于嵌入式处理器芯片内部，其特点是容量小、可快速访问。外部存储器位于嵌入式处理器芯片外部，其特点是容量大、访问速度慢。38存储器的类型静态易失性存储器SRAM动态存储器DRAM非易失性存储器：EPROM 紫外线可擦除可编程存储器。内部存储器位于嵌入式处理器芯片内部，其特点是容量小、可快速访问。EEPR

16、OM电可擦除可编程存储器。Flash闪速存储器（Flash Memory）亦称快擦写存储器。主要特点是既可在不加电的情况下长期保存信息，有非易失性，又能在线进行快速擦除与重写，兼具有EEPROM和SRAM的优点。其集成度与位价格己接近EPROM，是代替EPROM和EEPROM的理想器件 。 39接口电路外围电路通信接口:非易失性存储器：RS-232接口(通用异步收发器,Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART)软件开发调试时，用于进行各种输入输出操作。USB接口（通用串行总线）。Ethernet（以太网接口）。 40输入输出设备，电源及辅

17、助设备输入/输出设备LCD：液晶显示器。触摸屏：触摸屏可实现鼠标和键盘功能。 工作原理：触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。电源及辅助设备41软件部分软件部分包括嵌入式操作系统以及相应的各种应用程序。嵌入式操作系统：一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，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。典型的嵌入式操作系统有：windows CE、vxWo

18、rk、 嵌入式Linux，C/OS-II 等。42 嵌入式操作系统的结构框图43嵌入式操作系统的组成嵌入式操作系统通常包括：驱动层：硬件相关的底层驱动软件和设备驱动接口；如：LCD、触摸屏的驱动及接口。操作系统层：系统内核（基本模块），扩展模块（可裁剪）。应用层：应用程序接口。44嵌入式操作系统的主要功能多任务管理/进程调度：提供调度机制（调度程序）控制程序的起始、执行、暂停和结束。进程的状态：运行状态、就绪状态、等待状态 等待运行就绪结束新进程三种状态关系图45进程的调度：调度程序的调用由某些特定事件引起，如：进程的创建，进程的删除，时钟的嘀嗒，外设的中断事件等。调度算法：先来先服务FCFS

19、、轮询、优先级算法及其三种算法的各种组合。46存储管理：因系统资源有限，嵌入式系统通常采用动态内存管理（不采用虚拟内存管理）。动态管理：当某程序需使用内存时，利用操作系统提供的分配函数分配内存，用完通过释放函数释放其所占内存。47典型嵌入式操作系统介绍商用型：windows CE，vxWork等。免费型：嵌入式Linux，C/OS-II等。阅读资料： 典型嵌入式操作系统.doc48C/OS-II基于抢占式的实时多任务内核，实时内核总是运行优先级最高已就绪任务，是真正的实时操作系统。特点：可固化、可剪裁、具有高稳定性和可靠性；源码公开，便于移植和维护；结构紧凑，内核可编译至2k10k；使用c语言

20、开发，已移植到40多个处理器。49Linux操作系统：真正的抢先式多任务处理，支持多用户、内存保护、虚拟内存，支持绝大多数的32位和64位CPU。嵌入式Linux,例：CLinux保留了Linux操作系统稳定性好、网络能力优异以及对文件系统的支持等主要优点，但内核比原Linux 内核小得多。支持没有MMU(存储器管理单元)的微处理器，如ColdFire、ARM、MIPS、 SPARC、SuperH等。50嵌入式系统的开发工具和环境开发工具一般用于开发主机，包括语言编译器、连接定位器、调试器等。Kdevelop是一套功能强大的集成开发环境，整合了开发程序所需的编译器、连接器、除错工具、版本控制工

21、具等，可以用Kdevelop快速地建立各式各样的应用程序。Kdevelop为快速地开发C/C+应用程序提供强有力的开发工具。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。51嵌入式系统的特点通常是面向特定应用的；空间和各种资源相对不足，必须高效率地进行设计，量体裁衣、去除冗余；产品升级换代和具体产品同步，具有较长的生命周期；软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身；不具备自举开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。52嵌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四类 ：嵌入式系统的分类.doc单个微处理器。常用的嵌入式处理器

22、如Philips的89LPCxxx系列，Motorola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。53内容提要计算机系统的分类微型计算机系统嵌入式系统微型计算机及嵌入式系统的发展微型计算机的性能指标嵌入式系统的性能指标嵌入式系统的应用54微型计算机及嵌入式系统的发展概述： 微型计算机、嵌入式系统的发展与集成电路制造技术密切相关，20世纪70年代集成电路发展到LSI

23、阶段，71年intel推出了第一枚微处理器芯片，从此揭开了微型计算机、嵌入式系统高速发展的序幕。55微型计算机的发展史19751980198519901995200010,0001,0001010010.1MIPS8086Pentium IV 80286i386i486Pentium Pentium IIPentium III56全球第一块微处理器40041971年，4位，工作频率108kHz,寻址空间640B。新一代8位微处理器8080 1974年，8位，时钟频率2MHz，寻址空间64KB。57第一代微处理机16位的8086 CPU 主频5MHz/8MHz/10MHz,寻址空间1MB；Int

24、el 8088/8086 + IBM 操作系统；第一代个人计算机 personal computer；第二代微处理机16位的80286 CPU主频20MHz,可访问1GB的虚拟地址空间。58第三代微处理机32位的80386 CPU时钟频率33MHz,具有4GB的物理寻址能力(地址总线数据总线32位）；分段、分页存储管理部件MMU，支持虚拟存储器，可管理64TB的虚拟存储空间。59第四代微处理机32位的80486 CPU主频超过100MHz；8k的数据和指令高速缓存；内部集成浮点运算部件,首次采用了RISC（精简指令集）技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令；采用了时钟倍频技术，也就是说芯片内部

25、的运行速度是外部总线运行速度的两倍，即芯片内部以2倍于系统时钟的速度运行。 60第五代微处理机32位的Pentium频率有:66MHz1GHz,CPU的内部频率从60MHz到1GHz不等；超标量流水线，具有u、v两条指令流水线，每个时钟周期可执行两条简单指令；借助转移目标缓冲器实现分支转移的动态预测；外部数据总线经总线接口部件扩展到64位；8k指令cache, 8k数据cache。61高能奔腾（Pentium Pro） 内部时钟频率133MHz； 16KB一级cache，256kB 二级cache； 动态执行技术；包括无序执行、动态分支预测和推测执行；无序执行，可以打乱程序原有指令顺序，按照优

26、化顺序同时执行多条指令；推测执行，处理器使用一种动态分支预测算法来预测程序代码中的分支结果，然后推测性地执行预测出的代码分支。62多能奔腾（Pentium MMX）MMX（MultiMedia Extensions，多媒体扩展指令集）；频率主要有166/200/233MHz；将一级缓存提高到32kB；多媒体扩展技术/ MMX技术；4种新的数据类型； 8个64位宽的MMX寄存器； 增加了57条MMX（多媒体扩展）指令，有效地增强了CPU处理音频、图像和通信等多媒体应用的能力。63二代奔腾（Pentium ）主频分233MHz、266MHz、300MHz和333MHz；把Pentium Pro的动

27、态执行技术与MMX多媒体增强技术相结合；双重独立的总线结构具有纠错功能的64位CPU总线负责与系统内存和IO通信，具有可选纠错功能的专用总线负责与L2 cache交换数据，二者相互独立、并行工作；SEC单边接触封装技术 为了双重独立总线结构的需要；Pentium II处理器的封装采用了一种新型的单边接触SEC（Single Edge Contact）卡式盒结构。64三代奔腾（Pentium ）主频达到1GHz；集成动态执行技术、MMX技术和SIMD流技术等最新技术于一身，71条新增的SSE(单指令多数据扩展)指令大大提高了对视频、3D图像、音频的处理和Internet浏览能力。65四代奔腾（P

28、entium 4）主频达到1.3GHz-2GHz；NetBurst微处理器体系结构，突发式数据传送方式极大提高了多媒体数据传送速度；快速执行引擎：在处理器中简单的算术逻辑单元(ALUs)运行在2倍的处理器核心频率下；66执行跟踪高速缓存：专用的缓冲存储器，存储和转移高速处理所需数据；高级动态执行：它靠提供一个执行单元能选择的很大的指令窗口来实现。大的乱序指令窗口允许处理器消除发生在指令等待相关内容解决时产生的延迟；SSE2指令集，新增144条指令，多达20级超长流水线。67嵌入式系统的发展第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统；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

29、入式系统；第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统；第四阶段是以Internet为标志的嵌入式系统 。68ARM技术的发展历程英国剑桥Acorn Computer公司，1983年10月1985年4月开发，1985年4月26测试成功（Acorn RISC Computer，ARM）。 1990年11月，Advanced RISC Machine Limited(ARM Limited)成立，推出世界上首个商用单芯片RISC处理器。使用RISC(Reduced Instruction Set Computer)体系结构。ARM7起完全扩展到32位（原为26位地址空间），3级流水线结构，支持Th

30、umb模式。691995年，ARM、Apple、DEC联合开发StrongARM SA-110，5级流水线结构，降低能耗。XScale是下一代StrongARM芯片的发展基础，低功耗,高主频。ARM10TDMI是ARM处理器中的高端产品，6级流水线结构，64位存储器。ARM11是性能最好的一个系列，静、动态组合的跳转预判。70电脑用于控制设备或嵌入系统的历史几乎电脑自身的历史一样长；计算机控制系统；单片机掀起电子化浪潮；微处理器高速发展推动了嵌入式系统。71嵌入式系统的演变8031/8051单片机系统，自行编写程序；68360/386EX控制系统，自己编写简单的操作系统；32位嵌入式处理器 +

31、 pSoS嵌入式操作系统 + TCP/IP协议栈；各种SoC + 嵌入式Linux/VxWorks + 嵌入式Web设备server以及各种复杂网络协议栈 + GUI图形界面 + 无线模块 = 现代可移动的网络智能设备。72后PC技术的时代小到mp3，PDA等微型数字化产品，大到网络家电，智能家电，车载电子设备；嵌入式系统是这个后PC时代的擎天之柱；1999年世界电子产品产值已超过12000亿美元，2000年达到13000亿美元，预计2005年，销售额将达18000亿美元。73内容提要计算机系统的分类微型计算机系统嵌入式系统微型计算机及嵌入式系统的发展微型计算机的性能指标嵌入式系统的性能指标嵌

32、入式系统的应用74微型计算机系统的主要性能指标字长： 字长是计算机内部一次可以处理的二进制数码的位数。一般一台计算机的字长决定于它的通用寄存器、内存储器、ALU的位数和内部数据总线的宽度。75存储器容量：存储器容量：指存储设备可容纳二进制信息的最大字节数。存储二进制信息的基本单位是位(bit)。一般把8个二进制位组成的通用基本单元叫作字节B(Byte的缩写）。微型计算机中通常以字节为单位表示存储容量，并且将1024B简称为1KB，1024KB简称为1MB（兆字节），1024MB简称为1GB（吉字节），1024GB简称为1TB（太字节）。286以上的高档微机一般都具有1MB以上的内存容量和40M

33、B以上的外存容量。76运算速度：计算机的运算速度一般用每秒钟所能执行的指令条数来表示。主频为CPU的额定工作频率，亦称内频，为CPU工作周期的最小时序，直接反映了CPU的工作速度。77常用于计算运算速度方法有： 1根据不同类型的指令出现的频度，乘上不同的系数，求得统计平均值，得到平均运算速度，这时常用MIPS(Millions of Instruction Per Second即百万条指令秒)作单位。 例：Dhrystone为测试整数与逻辑运算性能而设计的c语言程序，大约含有2000条汇编代码 ，测量结果以MIPS为单位。 2直接给出CPU的主频和每条指令的执行所需的时钟周期。主频一般以MHZ为单位。78外设扩展能力（微机目标）：外设扩展能力指计算机系统配接各种外部设备的可能性、灵活性和适应性。一台计算机允许配接多少外部设备对于系统接口和软件配置都有重大影响。在微型计算机系统中，打印机型