大学课件物联网与嵌入式系统开发-第1章-嵌入式系统概述

1、嵌入式系统概述 本章主要内容1.1 嵌入式系统简介1.2 嵌入式系统的组成1.3 嵌入式处理器简介1.4 嵌入式系统应用1.5 嵌入式系统发展趋势1.6 物联网与嵌入式系统1.7 嵌入式开发工具 思考与习题1.1 嵌入式系统简介1 嵌入式系统的概念（1）电气和电子工程师协会（IEEE）的定义：嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（2）国内一个普遍被认同的定义：以应用为中心、以计算机技术为基础、软/硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。回本章目录1.1 嵌入式系统简介2 嵌入式系统发展史（1）20世纪70年代，使用8位的芯片，执

2、行一些单线程的程序。（2）80年代到90年代，32位芯片，使用VxWorks，WinCE、Linux等操作系统，支持多任务、内存管理等特性，但网络使用较少。（3）21世纪，32位或64位芯片，同样使用VxWorks、WinCE、Linux等操作系统，广泛地使用了各种网络，支持多种网络协议，甚至可以在设备上嵌入Web浏览器。1.2 嵌入式系统的组0 组成框图回本章目录1.2 嵌入式系统的组成（1）1 硬件层 硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（如SDRAM、ROM、Flash等）、通用设备接口和I/O接口（如A/D、D/A、I/O等）。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，

3、就可构成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ROM中。1.2 嵌入式系统的组成(2)嵌入式系统组成硬件图1.2 嵌入式系统的组成（3）1 硬件层（续2）（1）嵌入式微处理器嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器与通用CPU最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将通用CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。1.2 嵌入式系统的组成（4）1 硬件层（续3）（1）嵌入式微处理器（续） 嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯诺依曼体系或哈佛体系结构；指令系统可以选

4、用精简指令系统（Reduced Instruction Set Computer，RISC）和复杂指令系统（Complex Instruction Set Computer，CISC）。RISC计算机在通道中只包含最有用的指令，确保数据通道快速执行每一条指令，从而提高了执行效率并使CPU硬件结构设计变得更为简单。1.2 嵌入式系统的组成（5）1 硬件层（续4）（1）嵌入式微处理器（续） 嵌入式微处理器有各种不同的体系，即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度，或集成了不同的外设和接口。据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，体系结构有30多个系列，其中主流的体

5、系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但与全球PC市场不同的是，没有一种嵌入式微处理器可以主导市场，仅以32位的产品而言，就有100种以上的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。1.2 嵌入式系统的组成（6）1 硬件层（续5）（2）存储器Cache：Cache是一种容量小、速度快的存储器阵列，它位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。在需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能地从Cache中读取数据，而不是从主存中读取，这样就可大大改善系统的性能，提高微处理器和主存之间的数据传输速率。1.2 嵌入式系统的组成

6、（7）1 硬件层（续6）（2）存储器（续） 主存：主存是嵌入式微处理器能直接访问的寄存器，用来存放系统和用户的程序及数据。它可以位于微处理器的内部或外部，其容量一般为256KB1GB，根据具体的应用而定，一般片内存储器容量小、速度快，片外存储器容量大。1.2 嵌入式系统的组成（8）1 硬件层（续7）（2）存储器（续）常用于主存的存储器有ROM类：NOR Flash、EPROM和PROM等RAM类：SRAM、DRAM和SDRAM等其中NOR Flash 凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛的应用。1.2 嵌入式系统的组成（9）1 硬件层（续8）（2

7、）存储器(续) 辅助存储器（即外存）：辅助存储器用来存放大数据量的程序代码或信息，它的容量大、但读取速度与主存相比就慢很多，用来长期保存用户的信息。嵌入式系统中常用的外存有硬盘、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等。1.2 嵌入式系统的组成（10）1 硬件层（9续）（3）通用设备接口和I/O接口嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口，外设通过和片外其他设备或传感器的连接来实现微处理器的输入/输出功能。嵌入式系统中常用的设备接口有A/D、D/A（模/数、数/模）转换接口、RS-232C（串行通信）接口、Ethernet（以太网）接口、USB（通用串行总线）接口、音视频接口、II

8、C总线、IIS总线、SD卡接口、现场总线、SPI（串行外围设备）接口等。1.2 嵌入式系统的组成（11）2 中间层 硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer，HAL）或板级支持包（Board Support Package，BSP），它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无须关心底层硬件的具体情况，根据BSP 层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。1.2 嵌入式系统的组成（12）2 中间层（续1）BSP具有以下两个特点。 硬件相关性：

9、因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，而作为上层软件与硬件平台之间的接口，BSP需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法； 操作系统相关性：不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此，不同的操作系统具有特定的硬件接口形式。1.2 嵌入式系统的组成（13）2 中间层（续2） BSP是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。设计一个完整的BSP需要完成两部分工作（1）嵌入式系统的硬件初始化以及BSP功能（2）设计硬件相关的设备驱动。1.2 嵌入式系统的组成（14）2 中间层（续3）（1）嵌入式系统的硬件初始化以及BSP功能 系统初始化过程可以分

10、为3个主要环节，按照自底向上、从硬件到软件的次序依次为：片级初始化、板级初始化和系统级初始化。 片级初始化：完成嵌入式微处理器的初始化，包括设置嵌入式微处理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微处理器核心工作模式和嵌入式微处理器的局部总线模式等。片级初始化把嵌入式微处理器从上电时的默认状态逐步设置成系统所要求的工作状态。这是一个纯硬件的初始化过程。1.2 嵌入式系统的组成（15)板级初始化 完成嵌入式微处理器以外的其他硬件设备的初始化。另外，还需设置某些软件的数据结构和参数，为随后的系统级初始化和应用程序的运行建立硬件和软件环境。这是一个同时包含软/硬件两部分在内的初始化过程。1.2 嵌入式系统

11、的组成（16）系统初始化 该初始化过程以软件初始化为主，主要进行操作系统的初始化。BSP将对嵌入式微处理器的控制权转交给嵌入式操作系统，由操作系统完成余下的初始化操作，包含加载和初始化与硬件无关的设备驱动程序，建立系统内存区，加载并初始化其他系统软件模块，如网络系统、文件系统等。最后，操作系统创建应用程序环境，并将控制权交给应用程序的入口。1.2 嵌入式系统的组成（17）2 中间层（续）（2）设计硬件相关的设备驱动 硬件相关的设备驱动程序的初始化通常是一个从高到低的过程。尽管BSP中包含硬件相关的设备驱动程序，但是这些设备驱动程序通常不直接由BSP使用，而是在系统初始化过程中由BSP将它们与操

12、作系统中通用的设备驱动程序关联起来，并在随后的应用中由通用的设备驱动程序调用，实现对硬件设备的操作。与硬件相关的驱动程序是BSP设计与开发中另一个非常关键的环节。1.2 嵌入式系统的组成（18）3 软件层 系统软件层由实时多任务操作系统（Real-Time Operation System，RTOS）、文件系统、图形用户接口（Graphic User Interface，GUI）、网络系统及通用组件模块组成。RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。1.2 嵌入式系统的组成（19）3 软件层（续1）（1）嵌入式操作系统嵌入式操作系统（Embedded Operation System，EOS）

13、负责嵌入系统的全部软/硬件资源的分配、任务调度、控制、协调并发活动。它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。目前，已推出了一些应用比较成功的EOS产品系列。1.2 嵌入式系统的组成（20）3 软件层（续2）（2）嵌入式文件系统嵌入式文件系统比较简单，主要提供文件存储、检索和更新等功能，一般不提供保护和加密等安全机制。它以系统调用和命令方式提供文件的各种操作，主要有设置、修改对文件和目录的存取权限；提供建立、修改、改变和删除目录等服务；提供创建、打开、读写、关闭和撤销文件等服务。1.2 嵌入式系统的组成（21）嵌入式文件系统还具有以下特点：兼容性。嵌入式文件系统通

14、常可以支持多种标准的文件系统，如FAT32、JFFS2、YAFFS等。实时文件系统。除支持标准的文件系统外，为提高实时性，有些嵌入式文件系统还支持自定义的实时文件系统，这些文件系统一般采用连续的方式存储文件。可裁剪、可配置。根据嵌入式系统的要求选择所需的文件系统，选择所需的存储介质，配置可同时打开的最大文件数等。1.2 嵌入式系统的组成（22）支持多种存储设备。嵌入式系统的外存形式多样，嵌入式文件系统需方便地挂接不同存储设备的驱动程序，具有灵活的设备管理能力。同时根据不同外部存储器的特点，嵌入式文件系统还需要考虑其性能、寿命等因素，发挥不同外存的优势，提高存储设备的可靠性和使用寿命。1.2 嵌

15、入式系统的组成（23）3 软件层（3）嵌入式图形用户接口图形用户界面或图形用户接口（Graphical User Interface，GUI）的广泛应用是当今计算机发展的重大成就之一，它极大地方便了非专业用户的使用，人们从此不再需要死记硬背大量的命令，取而代之的是通过窗口、菜单、按键等方式来方便地进行操作。而嵌入式GUI具有下面几个方面的基本要求：轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特点。1.2 嵌入式系统的组成（24）3 软件层（3）嵌入式图形用户接口（续） 嵌入式系统中的图形界面一般使用以下几种方法实现：针对特定的图形设备输出接口，自行开发相关的功能函数；购买针对特定嵌入

16、式系统的图形中间软件包；采用源码开放的嵌入式GUI系统；使用独立软件开发商提供的嵌入式GUI产品。1.3 嵌入式处理器简介 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。范围极其广阔，从最初的位处理器，目前仍在大规模应用的8位单片机，到最新的受到广泛青睐的32位、64位嵌入式CPU。 目前，世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种，流行体系结构包括MCU、MPU等30多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导体制造商都大规模生产嵌入式处理器，并且公司自主设计处理器也已经成为了未来嵌入式领域的一大趋势，其中从单片机、DSP到FPGA，有着各式各样的品种，速度越来

17、越快，性能越来越强，价格也越来越低。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从64KB到1GB，处理速度最快可以达到2000 MIPS，封装从8个引脚到324个引脚（如TI的ARM Cortex A8 AM335x）不等。回本章目录1.3 嵌入式处理器简介（1）1嵌入式微处理器 嵌入式微处理器（Micro Processor Unit，MPU）是由通用计算机中的CPU演变而来的。它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但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

18、。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。目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/StrongARM/ARM Cortex系列等。其中ARM/StrongARM/ARM Cortex是专为手持设备开发的嵌入式微处理器，属于中档的价位。1.3 嵌入式处理器简介（2）2嵌入式微控制器 嵌入式微控制器（Micro Controller Unit，MCU）的典型代表是单片机，从70年代末单片机的出现到今天，虽然已经经过了30多年的历史，但这种8位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极

19、其广泛的应用。单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比，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，因此称微控制器。1.3 嵌入式处理器简介（3）2嵌入式微控制器（续） 由于MCU低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的包括MCS-51、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、

20、C166/167、68K、ARM Cortex M3系列以及 MCU 8XC930/931、C540、C541，并且有支持IIC、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU约占嵌入式系统70的市场份额。近来Atmel出产的AVR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。1.3 嵌入式处理器简介3嵌入式DSP处理器 嵌入式DSP处理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、

21、FFT、谱分析等各种仪器上，EDSP获得了大规模的应用。 DSP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。MPU较低的处理速度无法满足DSP的算法要求，其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。随着大规模集成电路技术发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片，其运算速度比MPU快了几十倍，在语音合成和编/解码器中得到了广泛应用。1.3 嵌入式处理器简介（4）3嵌入式DSP处理器（续） 至80年代中期，随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理

22、、图像硬件处理技术的基础。到80年代后期，DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。90年代后，DSP发展到了第五代产品，集成度更高，使用范围也更加广阔。 目前，应用最为广泛的是TI的TMS320C2000/C5000 /6000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。1.3 嵌入式处理器简介（5）4SoC片上系统 SoC（System on Chip）片上系统追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话题之一。SoC最大的特点是成功实现了软/硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。

23、而且SoC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点地连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。1.3 嵌入式处理器简介（6）4SoC片上系统（续） 由于SoC往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，比较典型的SoC产品是Philips的Smart XA，少数通用系列如Siemen

24、s的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。 预计在不久的将来，一些大的芯片公司将通过推出成熟的、能占领多数市场的SoC芯片，一举击退竞争者。SoC芯片也将在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中发挥重要的作用。1.4 嵌入式系统应用 嵌入式系统是数字化产品的核心，制造工业、过程控制、通信、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等均是嵌入式计算机的应用领域。1消费类电子产品 消费类电子产品是指这样一些电子设备，它们能提供信息服务或通过网络系统交互信息，同时，简单易用、价格低廉、维护

25、简便。回本章目录1.4 嵌入式系统应用（1）1消费类电子产品（续） 在后PC时代，计算机将无处不在，家用电器将向数字化和网络化发展，电视机、电冰箱、微波炉、电话机等都将嵌入计算机，并通过家庭控制中心与Internet连接，转变为智能网络家电，还可以实现远程医疗、远程教育等。目前，智能小区的发展为机顶盒打开了市场，机顶盒将成为网络终端，它不仅可以使模拟电视接收数字电视节目，而且可以上网、炒股、点播电影，实现交互式电视，依靠网络服务器提供各种服务。嵌入式系统为信息家电（网络冰箱、机顶盒、家庭网关、数字机顶盒等）的实现提供了可能和广阔的技术前景，嵌入式应用如图1-3所示。1.4 嵌入式系统应用（2）

26、1消费类电子产品1.4 嵌入式系统应用（3）2移动计算设备 移动计算设备包括手机、PDA、掌上电脑等各种移动设备。中国拥有最大的手机用户，而掌上电脑和PDA等因为易于使用、携带方便、价格便宜而得到了快速发展，PDA与手机已呈现融合趋势。用掌上电脑或PDA上网，人们可以随时随地获取信息。 新的手持设备将使无线互联访问成为更加普遍的现象。与互联网连接，结合音频应用，如MP3、MP4功能，将会促使移动计算设备市场创造新的销售记录。整合手机模块，为移动计算设备提供语音功能，也将是大势所趋。1.4 嵌入式系统应用（4）3网络设备 设计和制造嵌入式瘦服务器、嵌入式网关和嵌入式因特网路由器已成为嵌入式Int

27、ernet时代的关键和核心技术。其中包括路由器、交换机等各种网络设备。基于Linux等的网络设备价格低廉，将为企业提供更为廉价的网络方案。美国贝尔实验室预测：在这阶段“将会产生比PC时代多成百上千倍的瘦服务器和超级嵌入式瘦服务器，这些瘦服务器将与我们这个世界任何物理信息、生物信息相连接，通过Internet自动、实时、方便、简单地提供给需要这些信息的对象”。1.4 嵌入式系统应用（5）4工控、仿真、医疗仪器等 工业、医疗卫生、国防等各部门对智能控制需求的不断增长，同时也对嵌入式微处理器的运算速度、可扩充能力、系统可靠性、功耗和集成度等方面提出了更高的要求，如工业过程控制、数字机床、电力系统、电

28、网安全、电网设备监测、石油化工系统。就传统的工业控制产品而言，低端型采用的往往是8位、16单片机。但是随着技术的发展，32位、64位的处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来几年内必将获得长足的发展。 我国工业生产需要完成的智能化、数字化改造和自动控制等工作为嵌入式系统提供了很大的市场，而且工控、仿真、数据采集、军用领域一般都要求操作系统支持实时工作。1.5 嵌入式系统发展趋势 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机，为嵌入式市场展现了美好的前景，从中我们可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势。回本章目录1.5 嵌入式系统发展趋势（1）1小型化、信息化、网络化、可视化 网络化、信息

29、化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高，使得以往单一功能的设备，如电话机、手机、电冰箱、微波炉等功能不再单一，结构变得更加复杂，这就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能。为了满足应用功能的升级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器（如32位、64位RISC芯片或信号处理器DSP）增强处理能力，同时增加功能接口（如USB），扩展总线类型（如CAN BUS），加强对多媒体、图形等的处理，逐步实施片上系统（SoC）的概念。在软件方面，采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。网络互连成为必然趋势，特别是移动互联网、物联网的发

30、展。1.5 嵌入式系统发展趋势（2）1小型化、信息化、网络化、可视化（续） 未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网络通信接口。传统的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口，除了支持TCP/IP协议，还支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA等通信接口中的一种或者几种，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。在软件方面，系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入Web浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网。1.5 嵌入式系统发展趋势（3）2精简系统内核、算法，降低功耗和软/硬件成本 未来的嵌入式产品是软

31、/硬件紧密结合的设备，为了减低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内核，只保留和系统功能紧密相关的软/硬件，利用最低的资源实现最适当的功能，这就要求设计者选用最佳的编程模型和不断改进算法，优化编译器性能。因此，既要软件人员有丰富的硬件知识，又需要掌握嵌入式软件技术，如Java、Web和WAP等。1.5 嵌入式系统发展趋势（4）3开发平台化、软件标准化，云计算、透明计算、可重构、虚拟化、多核技术 嵌入式操作系统将进一步走向开放，即开源、标准化、组件化。嵌入式软件开发平台化将是今后的一个发展趋势，最终实现嵌入式软件开发简单化。系统可升级，代码重用技术在嵌入式系统中得到更多的应用。多核技术可使嵌入式计

32、算的功能更强大。 可重构性是指在一个系统中，其硬件模块或（和）软件模块均能根据变化的数据流或控制流对系统结构和算法进行重新配置（或重新设置）。可重构系统最突出的优点是能够根据不同的应用需求，改变自身的体系结构，以便与具体的应用需求相匹配。1.5 嵌入式系统发展趋势（5）3开发平台化、软件标准化，云计算、透明计算、可重构、虚拟化、多核技术 虚拟化是指计算机软件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行。虚拟化技术可以扩大硬件的容量，简化软件的重新配置过程。CPU的虚拟化技术可以单CPU模拟多CPU并行，允许一个平台同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计

33、算机的工作效率。虚拟化技术是降低多内核处理器系统开发成本的关键。 云计算是分布式处理、并行处理和网格计算的发展，或者说是这些计算机科学概念的商业实现。它的核心是海量数据的存储和计算，特别强调虚拟化技术的应用。简言之，云计算就是一种依托Internet的超级计算模型，将巨大的资源联系在一起为用户提供各种IT服务。1.5 嵌入式系统发展趋势（6）4人机交互友好化 嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素是它能提供非常友好的用户界面。图像界面，灵活的控制方式，使得人们感觉嵌入式设备就像是一个熟悉的老朋友。这方面的要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面、多媒体技术上痛下苦功。手写文字输入、语音拨号上网、

34、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使使用者获得自由的感受。目前一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，但一般的嵌入式设备距离这个要求还有很长的路要走。1.5 嵌入式系统发展趋势（7）5产品功能融合 嵌入式系统软/硬件融为一体，同一个产品的具有多种功能是嵌入式发展的一个趋势，例如手机除具有通话功能外还具有照相、MP4、上网、GPS导航等多种功能。1.5 嵌入式系统发展趋势（8）6安全性 随着嵌入式和互联网技术的发展，嵌入式系统安全信息安全日趋重要，如路由器、网络存储设备的安全性，入侵检测、防信息泄漏、后门发现和漏洞分析，加/解密设备和芯片，安全协议，公钥基础结构（PKI）系统

35、，组合公钥（CPK）系统，安全支付系统，电子防伪系统以及网络安全监控系统，虚拟专用网和无线网络领域的安全监管，等级保护管理，可信计算技术，网络安全预警系统，内容安全和网络容灾，信息系统安全、保障云计算、物联网、新一代信息网络以及面向三网融合的安全性，多媒体内容监管等都是嵌入式的应用领域。1.6 物联网与嵌入式系统 物联网这个概念，在中国早在1999年就提出来了，当时称为传感网。其定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。“物联网概念”是

36、在“互联网概念”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念。回本章目录1.6 物联网与嵌入式系统（1） 2009年9月，在北京举办的“物联网与企业环境中欧研讨会”上，欧盟委员会信息和社会媒体司RFID部门负责人Lorent Ferderix博士给出了欧盟对物联网的定义：物联网是一个动态的全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力，其中物理的和虚拟的“物”具有身份标识、物理属性、虚拟的特性和智能的接口，并与信息网络无缝整合。物联网将与媒体互联网、服务互联网和企业互联网一道，构成未来的互联网。1.6 物联网与嵌入式系统（2） 和传统的互联

37、网相比，物联网有其鲜明的特征。（1）它是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署了海量的多种类型传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性地采集环境信息，不断更新数据。1.6 物联网与嵌入式系统（3）（2）它是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量极其庞大，形成了海量信息，在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议。1.6 物联

38、网与嵌入式系统（4）（3）物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。1.6 物联网与嵌入式系统（5）物联网中的“物”要满足以下条件： 要有数据传输通路； 要有一定的存储功能； 要有CPU； 要有操作系统； 要有专门的应用程序； 遵循物联网的通信协议； 在世界网络中有可被识别的唯一编号。1.6 物联网与嵌入式系统（6）物联网3个源头： 物联网有3个源头，即智慧源头

39、、网络源头、物联源头。智慧源头是微处理器，网络源头是互联网，物联源头是嵌入式应用系统的4个通道接口。与物理参数相连的是前向通道的传感器接口；与物理对象相连的是后向通道的控制接口；实现人物交互的是人机交互接口；实现物物交互的是通信接口。物联网系统的基本特点是“三化两性”，即无人化、自动化、智慧化、实时性与无限性。1.6 物联网与嵌入式系统（7） 物联网的实现需要用到嵌入式技术，嵌入式系统作为“物联网”的核心，是当前最热门最有前景的IT应用领域之一。物联网其实就是把所有的物体都连在网络上，这些就要通过嵌入式系统来实现。物联网的物联源头是嵌入式系统。嵌入式系统诞生于嵌入式处理器，距今已有30多年的历

40、史。早期经历过电子技术领域独立发展的单片机时代，进入21世纪，才进入多学科支持下的嵌入式系统时代。从诞生之日起，嵌入式系统就以“物联”为己任，具体表现为：嵌入到物理对象中，实现物理对象的智能化。1.7 嵌入式开发工具1.7.1 软件开发工具1.7.2 硬件开发工具回本章目录1.7 嵌入式开发工具 根据功能的不同，ARM应用软件的开发工具分别有编译软件、汇编软件、链接软件、调试软件、嵌入式实时操作系统、函数库、评估板、JTAG仿真器和在线仿真器等。当用户选用ARM处理器开发嵌入式系统时，选择合适的开发工具可以加快开发的速度，节省开发成本。因此，一套含有编辑软件、编译软件、汇编软件、链接软件、调试

41、软件、工程管理及函数库的集成开发环境（IDE）一般来说是必不可少的。至于嵌入式实时操作系统和评估板等其他开发工具，则可以根据应用软件规模和开发计划来选用。回本节目录1.7 嵌入式开发工具（续） 使用集成开发环境开发基于ARM的应用软件，包括编辑、编译、汇编、链接等工作全部在PC上均可完成。调试工作需要配合其他模块或产品才能完成。目前常用的开发工具有ARM SDT、ARM ADS、Multi2000、TRACE32-ICD、Hitools for ARM、Embedded IDE for ARM等集成开发环境，EPI公司的JEENI、ARM公司的Multi-ICE等 JTAG仿真器，也可以选择开

42、放源代码的GNU工具。因为实时在线仿真器的价格昂资的原因，所以在软件开发中很少使用。本部分以软件开发工真和硬件开发工具类两大部分介绍了常用的ARM SDT、ARM ADS、GNU开发工具、JEENI和Multi-ICE。1.7 嵌入式开发工具1.7.1 软件开发工具1ARM SDT ARM SDT是ARM公司为方便用户在ARM芯片上进行应用软件开发而推出的一套集成开发工具。ARM SDT经过ARM公司逐年的维护和更新，目前的最新版本是2.5.2，但从版本2.5.1开始，ARM公司宣布推出二套新的集成开发工具ARM ADS 1.0，取而代之ARM SDT。今后将不会看到ARM SDT的新版本。

43、ARM SDT由于价格适中，同时经过长期的推广和普及，目前拥有广泛的ARM软件开发用户群体；也被相当多ARM公司的第三方开发工具合作伙伴集成到自己的产品中，如美国EPI公司的JEENI仿真机。 ARM SDT可在Windows95/98/NT、Solaris2.5/2.6和HP-UX 10上运行，支持最高到ARKM9的所有处理器（包括StrongARM）。1.7 嵌入式开发工具1.7.1 软件开发工具（续）2ARM ADS ARM ADS是ARM公司推出的新一代ARM集成开发工具，用来取代ARM SDT，它是一种快速而节省成本的完整软件开发解决方案，最新版本为1.2.1。 ARM ADS起源于

44、ARM SDT，它对SDT的模块进行了增强，并替换了一些SDT的组成部分。用户可以感受到的最大的变化是：ADS使用CodeWarrior IDE集成开发环境代替了SDT的APM，使用AXD替换了ADW。现成集成开发环境的一些基本特性在ADS中才得以体现，如源文件编辑器语法高亮和窗口驻留等功能等。 ARM ADS支持ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、StrongARM和XScale系列处理器。除了SDT支持的操作系统外，还可以在Windows2000/XP和RedHat Linux 6-2/7.1上运行。1.7 嵌入式开发工具1.7.1 软件开发工具（续）3GNU开发工具 随着Linu

45、x操作系统和GNU开轰工具的普及，针对不同处理器的开放源代码开发工具也给用户提供了一个廉价的选择，对于嵌入式Linux开发者，可以选用GNU开发工具。 运行于Linux操作系统下的自由软件GNU gcc编译器，不仅可以编译Linux操作系统下运行的应用程序、编译Linux本身，还可以进行交叉编译，编译运行于其他CPU上的程序。可以进行交叉编译的CPU（或DSP）涵盖了几乎所有知名厂商的产品。用于嵌入式应用的、众所周知的CPU包括：Intel的i386、Intel i960、AMD29K、ARM、MIPS、M68K、ColdFire、PowerPC、68HC11/12、TI的TMS320，等等。1.7