嵌入式系统基础教程(绪论)课件

1、本课程简介本科生选修课学分：3总课时：48课时授课：30课时实验：16课时考试：2课时2008年2月19日1南京大学计算机系授课主教材介绍嵌入式系统基础教程俞建新 王健 宋健建机械工业出版社2008年3月第1版书号： ISBN 978-7-111-22944-5定价：42元要求修课同学人手一本2008年2月19日2南京大学计算机系主要参考书ARM Linux嵌入式系统教程马忠梅. 等 编著北京航空航天大学出版社ISBN: 7-81077-526-X2004年9月第1版定价：32.00元简评：围绕最流行的32位ARM处理器和源码开放的Linux操作系统，讲述嵌入式系统的概念、软硬件组成、开发过程

2、，以及嵌入式Linux的应用程序和驱动程序的开发设计方法。借用为宜。2008年2月19日3南京大学计算机系前导课程知识基础课程计算机组成原理，微机原理与接口软件专业课程操作系统汇编语言，ANSI C（标准 C）硬件专业课程模拟电路，数字电路2008年2月19日5南京大学计算机系本课程教学特点本课程属于计算机技术课程注重实验环节计算机硬件软件知识结合偏重应用，紧密结合应用进行开发训练。课堂学习和上机实验相结合2008年2月19日6南京大学计算机系本课程的实验环节软件仿真实验基于Proteus+Keil RealViewMDK硬件实验基于英贝特ARM实验箱2008年2月19日7南京大学计算机系学习

3、成绩评定实验课成绩占20%考勤占10%不定期抽查期末考试成绩占70%2008年2月19日8南京大学计算机系1.1 什么是嵌入式系统？顾名思义：包含（安装）在电子装置（应用对象）内部的计算机系统称为嵌入式系统。基本描述：专门用途的计算机系统常常用于控制广泛存在包含硬件和软件2008年2月19日10南京大学计算机系民用嵌入式设备或产品1MOTOC350彩屏WAP移动电话彪骐数字机顶盒BlackBerry 7230移动电话DL7100/DL7200 数字式示波器嵌入式GIS畅视2000可视电话Palm Zire71型个人数字助理2008年2月19日12南京大学计算机系苹果公司的媒体播放器和手机iPO

4、D和iPHONE2008年2月19日14南京大学计算机系嵌入式产品电子书阅读器飞利浦Readius 亚马逊Kindle2008年2月19日15南京大学计算机系手机的内部结构-12008年2月19日16南京大学计算机系手机的内部结构-22008年2月19日17南京大学计算机系手机的内部结构-32008年2月19日18南京大学计算机系富士数码相机FinePix F460富士公司2006年前后推出500万像素中档相机光学镜头：3倍变焦LCD ：2.5英寸电荷耦合器件(CCD)：索尼公司500万像素的ICX505图像处理芯片：ADI公司的AD9948A读取CCD的输出信号，图像数据处理2008年2月1

5、9日20南京大学计算机系富士数码相机FinePix F460（续）电机控制电路：三洋公司的ASIC(LB8659)用于控制镜头拉伸、缩放和聚焦微控制器：NEC公司的uPD78F0533处理按键，完成主要的系统控制功能内存储器：三星公司的SDRAM (K4M283233)提供图像处理所需的工作内存2008年2月19日21南京大学计算机系嵌入式系统高端应用的产品美国AGM-86B战略空射巡航导弹美国火星登陆车国产战斗机F-7MG机器人国产88式坦克2002年型林肯黑木(Blackwood)汽车2008年2月19日23南京大学计算机系嵌入式系统的定义（1）根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定

6、义：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置。”英文原文为：devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants.2008年2月19日24南京大学计算机系嵌入式系统的定义（3）根据中国微机学会的定义：嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统，可以分为系统级，板级，片级。芯片级嵌入含程序或算法的处理器模块级嵌入系统中的某个核心模块板系统级嵌入主计算机系统2008年2月19日26南京大学计算机系专家观点（1）嵌入式系统只是单板机在某种场合下的应用

7、个体经营的单片机公司经理语我们的控制装置产品都用嵌入式系统设计方案中科院自动化研究所工程师语单片机是嵌入式系统的初级形态，SOC是嵌入式系统的高级形态南京市单片机协会理事资深专家语。2008年2月19日27南京大学计算机系专家观点（2）要想成功地设计一个嵌入式系统，就必须寻找或开发一个合适的软件和硬件平台。电子工程专辑()主编语嵌入式系统是信息产业走向二十一世纪知识经济时代的最重要的经济增长点之一，对中国的信息产业来说充满了机遇和挑战。单片机实验室高级工程师语国内外嵌入式系统市场是广阔天地，嵌入式系统是新的经济增长点。北京计算机高级专家工控学会资深理事语。2008年2月19日28南京大学计算机

8、系参考资料微软公司的网页2008年2月19日30南京大学计算机系参考解释（2）Embedded System Definition A specialized computer system that is part of a larger system or machine. Typically, an embedded system is housed on a single microprocessor board with the programs stored in ROM. Virtually all appliances that have a digital interface

9、 - watches, microwaves, VCRs, cars - utilize embedded systems. Some embedded systems include an operating system, but many are so specialized that the entire logic can be implemented as a single program. 2008年2月19日31南京大学计算机系嵌入式系统的应用领域移动电话信息家电视听设备飞机人造卫星导弹鱼雷车辆机器人掌上电脑医疗设备工业控制计算机外围设备水面舰船潜艇坦克战车自行火炮环境监测其它

10、交通管理嵌入式系统2008年2月19日32南京大学计算机系嵌入式系统在汽车产业的应用单芯片微电脑控制系统雨刷、车灯系统、仪表盘、电动门窗等MCU系统ABS系统、智慧安全气囊、主动式悬吊系统、发动机管理系统等SoC系统混合动力总成、底盘综合控制、汽车定位导航、车辆状态记录与监控等2008年2月19日33南京大学计算机系汽车上嵌入式系统的装备情况据统计，从1989年至2000年，平均每辆车上电子装置在整个汽车制造成本中所占的比例由16增至23以上。一些豪华轿车上，使用单片微型计算机的数量已经达到48个，电子产品占到整车成本的50以上。目前电子技术的应用几乎已经深入到汽车所有的系统。2008年2月1

11、9日34南京大学计算机系两种汽车使用的嵌入式系统一类是汽车电子控制装置它和车上机械系统进行配合使用，即所谓“机电结合”的汽车电子装置；它们包括发动机、底盘、车身电子控制。例如电子燃油喷射系统、制动防抱死控制、防滑控制、牵引力控制、电子控制悬架、电子控制自动变速器、电子动力转向等。2008年2月19日35南京大学计算机系两种汽车使用的嵌入式系统（续）另一类是车载汽车电子装置车载汽车电子装置是在汽车环境下能够独立使用的电子装置，它和汽车本身的性能并无直接关系。它们包括汽车信息系统（行车电脑）、导航系统、汽车音响及电视娱乐系统、车载通信系统、上网设备等。2008年2月19日36南京大学计算机系汽车嵌

12、入式控制的发展方向向集中综合控制发展：将发动机管理系统和自动变速器控制系统，集成为动力传动系统的综合控制（PCM）；将制动防抱死控制系统（ABS）、牵引力控制系统（TCS）和驱动防滑控制系统（ASR）综合在一起进行制动控制；通过中央底盘控制器，将制动、悬架、转向、动力传动等控制系统通过总线进行连接。控制器通过复杂的控制运算，对各子系统进行协调，将车辆行驶性能控制到最佳水平，形成一体化底盘控制系统（UCC）。2008年2月19日37南京大学计算机系汽车电子系统模块的布局2008年2月19日38南京大学计算机系汽车电子应用：主被动集成方案Active Passive Integration App

13、roach APIAAPIA可利用网络覆盖汽车的所有主动及被动安全系统，并集成了环境传感器。APIA系统复杂，包括自适应巡航控制、组合传感器、侧面传感器、数据网关、相应的控制单元等等。系统核心是危险控制模块，它能意识到潜在的碰撞，并引入预先设定的措施。2008年2月19日39南京大学计算机系1.2 嵌入式系统的发展简史第一阶段以4到8位单片机为核心的可编程控制器系统第二阶段以8到16位嵌入式处理器（CPU）为基础第三阶段32位RISC嵌入式中央处理器嵌入式操作系统第四阶段基于Internt接入为标志的嵌入式系统2008年2月19日40南京大学计算机系从4个方面考察嵌入式系统历史可从4个方面考察

14、嵌入式系统的历史硬件软件代表产品系统结构近6年以来嵌入式系统成为计算机业界的热点技术，全球大型IT企业无一不在进军嵌入式技术。2008年2月19日41南京大学计算机系嵌入式硬件历史大事1971年11月微处理器诞生，代表产品Intel 4004微处理器1980年美国Intel公司推出MCS-51单片机1985年美国Xilinx公司推出FPGAFPGA现场可编程门阵列Field Programmable Gate Array1994年英国ARM公司推出ARM6101988年 DSP微处理器问世代表产品是美国德州公司TMS320C302008年2月19日42南京大学计算机系军用嵌入式计算机系统发展第

15、一阶段 1970年代到1980年代军用标准阶段美国陆军的NEBULA架构美国海军的UYK-43架构和AYK架构等使用的编程语言不统一陆军使用NEBULA、空军使用PASCAL、海军使用CMS2第二阶段 1980年代中期到1980年代末美军在通用化标准化系列化上作了重大改进军内统一使用ADA语言实时操作系统趋于完善2008年2月19日43南京大学计算机系军用嵌入式计算机系统发展（续）第三阶段 1990年代初开始32位嵌入式处理器广泛使用多种实时操作系统出现PSOS+ miRMX III2008年2月19日44南京大学计算机系嵌入式软件历史回顾早期的单片机执行由专用的监控程序控制，不含操作系统。目

16、前许多简单的单片机应用仍然使用监控程序作为控制软件。1980年代，开始在单片机上使用基于操作系统的控制程序。现在高端嵌入式系统软件都在操作系统的支持下运行2008年2月19日45南京大学计算机系嵌入式操作系统简况1981年Ready System开发了世界上第1个商业嵌入式实时内核（VRTX32），它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、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。后来，出现了如WRS公司的VxWorks、QNX公司的QNX、Symbian公司的Symbian、Integrated System Incorporation (ISI)的PSOS。此外，还有Pal

17、m OS、WinCE、嵌入式Linux、LynxOS、uCOS、Nucleus、以及国内的Hopen、Delta OS等嵌入式操作系统。2008年2月19日46南京大学计算机系1.3 嵌入式系统的特点专门用于特定任务嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算平台。技术融合集计算机，通信及其它高新技术于一体。有实时约束一般采用实时操作系统有功耗约束软件没有系统和应用的区别，软件固化。系统内核小软硬件可裁剪高可靠性资源比PC少得多嵌入式系统需要专用的开发工具非垄断市场2008年2月19日47南京大学计算机系软件硬件基本要素硬件嵌入式处理器各种类型存储器模拟电路及电源接口控制器及接插件软件实时操作系

18、统（RTOS）板级支持包（BSP）设备驱动（Device Driver）协议栈（Protocol Stack）应用程序（Application）2008年2月19日48南京大学计算机系1.4 嵌入式系统的分类 有多种对嵌入式系统的分类方法，以下是部分分类方法：按用途分类：军用/民用按载体分类：宇航/车载 按通信性质分类：无线/有线按网络性质分类：联网/单机按环境分类：普通/恶劣按功耗分类：低功耗/普通功耗主要分类方法按硬件软件性质2008年2月19日49南京大学计算机系1.4.1 按照技术复杂度分类根据控制技术的复杂度可以把嵌入式系统分为三类：无操作系统控制的嵌入式系统NOSES，Non-OS

19、 control Embedded System；小型操作系统控制的嵌入式系统SOSES，Small OS control Embedded System；大型操作系统控制的嵌入式系统LOSES，Large OS control Embedded System。2008年2月19日50南京大学计算机系1.4.2 按照用途分类按照用途可以把嵌入式系统分成以下三类：工业用军用民用2008年2月19日51南京大学计算机系1.5 嵌入式系统基本组成嵌入式系统的硬件由嵌入式处理器、外围电路和外部设备三大部分所组成。嵌入式处理器包括：嵌入式微处理器（MPU）、微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）。

20、外围电路包括：各式存储器（RAM、ROM、FLASH），时钟电路，各种I/O接口电路，调试接口（JTAG、BDM等）。外部设备包括：存储卡（CF、SD卡）、LCD屏、触摸屏、手写笔、键盘等。2008年2月19日52南京大学计算机系嵌入式系统常用硬件器件嵌入式处理器MCU, DSP, MPU可编程逻辑器件FPGA, CPLD存储器芯片电源模块周边元件和接插件2008年2月19日53南京大学计算机系典型嵌入式系统硬件组成（1）2008年2月19日54南京大学计算机系典型嵌入式系统硬件组成（2）2008年2月19日55南京大学计算机系嵌入式系统的软件基本构成2008年2月19日56南京大学计算机系基

21、于VxWorks操作系统的嵌入式软件层次结构2008年2月19日57南京大学计算机系嵌入式系统结构演变硬件系统4位单片机8位单片机/ 16位单片机32位专用微处理器32位DSP微处理器SoCSoPC软件系统实时监控程序专用系统通用系统2008年2月19日58南京大学计算机系1.5.1 实时性能分类依据操作系统的实时性能类型划分，有以下几种类型。参看下图：嵌入式系统分时系统实时系统软实时系统硬实时系统2008年2月19日59南京大学计算机系1.5.2 按照电路板分类中国计算机协会微机专业委员会对嵌入式系统给出以下分类：单硅片嵌入式系统Single-Silicon Embedded System单

22、板嵌入式系统Single-Board Embedded System多板嵌入式系统Multi-Board Embedded System2008年2月19日60南京大学计算机系高端嵌入式产品中各种CPU所占市场份额2008年2月19日61南京大学计算机系嵌入式系统开发工具高级语言编译器Compiler Tools源程序模拟器Source Simulator目标监控器Object Monitor实时在线仿真系统ICEIn-Circuit Emulator2008年2月19日62南京大学计算机系嵌入式系统与单片机区别从历史的角度来看，这两个名词术语没有本质的区别。但是，它们都是专用的计算机系统，与

23、通用型的微机系统有着本质的区别。现在的一般说法：嵌入式系统在含有操作系统的软件的控制下运行，而单片机系统不含操作系统，只在控制程序下运行。低端嵌入式系统：单片机+印刷线路板高端嵌入式系统： SoC2008年2月19日63南京大学计算机系1.6 嵌入式处理器分类嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分，嵌入式处理器有多种功能。按照处理器功能分类，主要如下五种：通用型嵌入式微处理器（简称：MPU）微控制器（MCU）数字信号处理器（DSP）混合处理器和片上系统（SOC）嵌入式双核或者多核处理器2008年2月19日64南京大学计算机系通用型嵌入式微处理器英文全称General Purpose Em

24、bedded Micro Processor也称为嵌入式微处理单元Embedded Micro Processor Unit缩略语：EMPU，或者MPU2008年2月19日65南京大学计算机系通用型嵌入式微处理器有两种类型一类是嵌入式系统中使用的通用处理器x86处理器（从80186、80386到Pentium M）就是这一类处理器的典型代表。另一类是专门为嵌入式系统设计的处理器属于这一类的通用型嵌入式微处理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、ColdFire、68000、MIPS、ARM系列等。使用通用型嵌入式微处理器时都要在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等

25、方面采取各种措施。2008年2月19日66南京大学计算机系微控制器又称单片机（SCM，Single Chip Microcomputer）它将整个计算机系统集成到一块芯片中，体积减小，功耗和成本下降，可靠性提高，速度更快，性能更好，电磁辐射更少。它通常以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能部件和外设。有代表性的通用微控制器系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/1

26、2/16、68300等。2008年2月19日67南京大学计算机系数字信号处理器本教材中讨论的嵌入式DSP处理器（简称为DSP处理器或者DSP）是专门用于嵌入式系统的数字信号处理器。它是系统结构和指令集做了特殊设计的处理器，使其适合执行DSP算法程序。嵌入式DSP处理器有两个发展来源，一是DSP处理器经过单片化、EMC（电磁兼容）改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器；二是在通用单片机或SoC中增加DSP协处理器。DSP处理器可分为两大类：定点DSP和浮点DSP。嵌入式DSP处理器中比较有代表性的产品是德州仪器公司的TMS320系列和Motorola公司的DSP56000系列。 2008年2月

27、19日68南京大学计算机系片上系统把一个或多个CPU单元以及功能部件集成在单个芯片上。这种芯片就是所谓的片上系统SoC。为了解决SoC设计中遇到的难题，设计方法必须进一步优化。因此，人们提出了基于FPGA的SoC设计方案可编程片上系统（System On a Programmable Chip，称为SOPC）。随着百万门级的FPGA芯片、功能复杂的IP 核（知识产权核）和可重构的嵌入式处理器软核的出现，作为未来电子系统设计新领域的SoPC技术已经成为了国际上电子系统设计新技术的热点，具有广阔的应用前景。Altera公司、Xilinx公司、Lattice公司、QuickLogic公司等全球最重要

28、的FPGA及EDA公司都分别推出了SoPC系统解决方案。 2008年2月19日69南京大学计算机系嵌入式双核处理器双核（Dual Core）处理器就是基于单个半导体的一个处理器芯片上拥有两颗一样功能的处理器核心，即将两颗物理处理器核心整合入一个内核中通过协同运算来提升性能。其优势在于克服了传统处理器通过提升工作频率来提升处理器性能而导致耗电量和发热量越来越大的缺点。2008年2月19日70南京大学计算机系嵌入式多核处理器嵌入式多核处理器往往用于音频或者视频处理。这些DSP处理器的主要结构是一个或多个的微控制器（MCU）核外加一个DSP核。例如，美国AD公司生产的Blackfin系列产品是适用于

29、多格式音频、视频、语音和图像处理的嵌入式DSP处理器系列。采用Blackfin芯片的最终产品可以是便携式媒体播放器(PMP)、VoIP（通过IP传输话音）电话机、网络摄像机（IP Network.Camera）以及移动电视设备等。2008年2月19日71南京大学计算机系Blackfin系列多核处理器Blackfin系列中的ADSP-BF561处理器是一款双内核的具有对称多处理（SMP）架构的DSP处理器，时钟频率为750MHz，它能够以两种工作方式执行。下图是第1种工作模式。在该模式下，可以让Core A运行操作系统、网络协议栈和控制任务，让Core B运行信号处理的RISC/DSP任务。20

30、08年2月19日72南京大学计算机系BF561处理器的第1种工作模式2008年2月19日73南京大学计算机系BF561处理器的第2种工作模式2008年2月19日74南京大学计算机系1.7 嵌入式系统发展趋势196019701980199020002010年代11/100100每人使用计算机数量时代特点2020MFPCCE2008年2月19日75南京大学计算机系如何描述当前的IT时代？后PC时代？Post PC era信息电器（信息家电）时代？Information Appliance3C时代?Consumer Electronics、Computer、Communication普适计算时代？P

31、ervasive Computing无所不在的计算时代？Ubiquitous Computing2008年2月19日76南京大学计算机系后PC时代IA时代若干年前未来学家的语言正在变成现实，现在已经进入了后PC时代 。美国著名未来学家尼葛洛庞帝(Nicholas Negroponte) 1999年初来华访问时说过：嵌入式智能工具将是继PC和Internet之后最伟大的发明。MIT的David Clark于1999年首次提出“后PC时代（post-PC era）”的概念，他认为：在后PC时代，具有联网功能的信息电器（IA）和手持设备（handheld device）将逐步取代PC。2008年2月

32、19日77南京大学计算机系计算机产品发展路线图摩尔定律仍然适用大型机: 60年代 小型机: 70年代 PC: 80-90年代 后PC: 2000年VLSILSIMSISoC2008年2月19日78南京大学计算机系嵌入式产品和台式计算机处理器芯片使用量比较2008年2月19日79南京大学计算机系后PC时代的新秀-信息电器信息电器 (Information Appliance，IA)1998年HP公司的一名资深专家Don Norman给出了IA的定义：An appliance specializing in information : Knowledge, facts, graphics, ima

33、ges, video, or sound. An information appliance is designed to perform activity, such as music, photography, or writing. A distinguishing feature of information appliance is the ability to share information among themselves.2008年2月19日80南京大学计算机系后PC时代当前业界特征后PC时代特征表现在以下几个方面：产品发展趋势国民产值研究和开发方向社会物质和精神需要人才需

34、求2008年2月19日81南京大学计算机系信息电器与嵌入式系统信息电器的核心就是嵌入式系统信息电器的成本取决于嵌入式系统的成本信息电器使用性能取决于嵌入式系统的软件信息电器的发展方向决定着嵌入式系统的发展方向讨论题：哪些是信息电器？2008年2月19日82南京大学计算机系普适计算基本特征普适计算是指无所不在的、随时随地可以进行计算的一种方式。普适计算主要通过移动设备，如信息家电或各种嵌入式设备实现。包括：如掌上电脑、BP机、车载智能设备、笔记本计算机、手表、智能卡、智能手机、机顶盒、POS销售机、屏幕电话（除了普通话机的功能还可以浏览因特网）等新一代智能设备。普适计算设备可以一直或间断地连接着

35、网络。与Internet、Intranet及Extranet连接，使用户能够随时随地获取相关的各种信息，并做出回应。2008年2月19日83南京大学计算机系无所不在计算无所不在计算(ubiquitous computing)强调人与计算环境的紧密联系，使计算机和网络更有效地融入人们的生活，让人们在任何时间、任何地点都能方便快捷地获得网络计算提供的各种服务。无所不在计算研究的两个关键技术：自然人机交互网络计算2008年2月19日84南京大学计算机系普适计算大事记1988年，Mark Weiser提出了普适计算的思想，并预测计算模式会发展为普适计算。1990年代末，普适计算这一概念得到广泛关注，逐渐升温。 1999年，IBM正式提出普适计算的概念。 同年，召开第一届Ubicomp国际会议。 /2000年，第一届Pervasive Computing国际会议。 2002年，IEEE Pervasive Computing期刊创刊。2008年2月19日85南京大学计算机系普适计算知识领域包括以下计算机科学与技术知识领域分布式计算多媒体技术移动计算人工智能人机交互嵌入式系统信息融合感知网络2008年2月19日86南京大学计算机系普适计算的科研动向现在和未来的计算机科学技术研究热点美国排名前10位的大学无一例外地投巨资设立了以“普及计算”为主要方向的研究计划