第1章嵌入式系统导论

第1章目录★1

概述

1.1什么是嵌入式系统1.2嵌入式系统的特点及分类★2嵌入式微处理器和嵌入式操作系统2.1嵌入式微处理器2.2嵌入式操作系统★3嵌入式系统设计过程3.1需求分析3.2规格说明3.3体系结构设计3.4设计硬件和软件构件3.5系统集成3.6系统测试

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概述

1.1什么是嵌入式系统

1.2嵌入式系统的特点及分类★2嵌入式微处理器和嵌入式操作系统2.1嵌入式微处理器2.2嵌入式操作系统★3嵌入式系统设计过程3.1需求分析3.2规格说明3.3体系结构设计3.4设计硬件和软件构件3.5系统集成3.6系统测试1.1什么是嵌入式系统简介

经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变还在加速。嵌入式系统具有无数的种类，每类都具有自己独特的个性。例如，MP3、数码相机与打印机就有很大的不同。汽车中更是具有多个嵌入式系统，使汽车更轻快、更干净、更容易驾驶。现实中的嵌入式系统嵌入式系统在很多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些产业，包括工业自动化、国防、运输和航天领域。例如神州飞船和长征火箭中肯定有很多嵌入式系统，导弹的制导系统也是嵌入式系统，高档汽车中也有多达几十个嵌入式系统。在日常生活中，人们使用各种嵌入式系统，但未必知道它们。事实上，几乎所有带有一点“智能”的家电（全自动洗衣机、电脑电饭煲…）都是嵌入式系统。嵌入式系统广泛的适应能力和多样性，使得视听、工作场所甚至健身设备中到处都有嵌入式系统。现实中的嵌入式系统嵌入式系统的概念嵌入式系统以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、重量、功耗严格要求的专用计算机系统简而言之，是含有处理器的专用软硬件系统具有自主的信息处理能力（信息装备）英国电机工程师协会的定义Devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants（用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置）嵌入式系统示例——汽车控制系统马达控制器车灯嵌入式系统示例——汽车控制系统尾灯控制系统后车门控制系统前车门控制系统座椅控制系统发动器控制系统所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统

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概述

1.1什么是嵌入式系统

1.2嵌入式系统的特点及分类★2嵌入式微处理器和嵌入式操作系统2.1嵌入式微处理器2.2嵌入式操作系统★3嵌入式系统设计过程3.1需求分析3.2规格说明3.3体系结构设计3.4设计硬件和软件构件3.5系统集成3.6系统测试1.2嵌入式系统的特点及分类●嵌入式系统的特点●嵌入式系统的分类●嵌入式系统的应用嵌入式系统的特点：1.2嵌入式系统的特点及分类系统内核小专用性强系统精简高实时性多任务的操作系统专门的开发工具和环境Tornado2.2ads1.2keilJ-LinkU-Linksuperpro嵌入式系统的分类由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，所以其分类也可以从硬件和软件进行划分。

1.2嵌入式系统的特点及分类嵌入式系统的分类1.2嵌入式系统的特点及分类---------嵌入式系统的硬件嵌入式微控制器（MCU）嵌入式DSP处理器(DSP)嵌入式微处理器MPU嵌入式片上系统（SOC）嵌入式处理器嵌入式处理器

嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。——嵌入式微处理器CPUROMRAM外设1外设2单板计算机嵌入式处理器

嵌入式微控制器又称单片机，它是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般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、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。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。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、数目众多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系统约70％的市场份额。——嵌入式微控制器复位部件看门狗部件晶振部件I/O部件中断部件ROM部件SRAM部件定时器部件CPU核嵌入式处理器

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。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola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。DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造的R.E.A.LDSP处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品。——嵌入式DSP处理器嵌入式处理器

随着EDA电子设计自动化的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是SystemOnChip(SOC)。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。SoC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、美国埃施朗

Echelon和Motorola联合研制的Neuron神经元芯片等。专用SoC一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是Philips的SmartXA，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载JAVA或C语言的专用的SOC，可用于公众互联网如Internet安全方面。——嵌入式片上系统(SOC)嵌入式系统的分类1.2嵌入式系统的特点及分类---------嵌入式系统的软件嵌入式系统实时系统分时系统硬实时系统软实时系统嵌入式系统的应用1.2嵌入式系统的特点及分类国防武器设备。通信信息设备。过程控制。智能仪器。消费产品。生物微电子技术。基于RTLinux的仿人机器人高48cm

重:6kg

灵活性：20DOF操作系统:RT-Linux

接口形式:USB1.0(12Mbps)响应周期:1ms

能源：DC24Vx6.2A(150W)制造：富士通2004年“勇气号”再次登陆火星

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概述

1.1什么是嵌入式系统1.2嵌入式系统的特点及分类★2嵌入式微处理器和嵌入式操作系统2.1嵌入式微处理器2.2嵌入式操作系统★3嵌入式系统设计过程3.1需求分析3.2规格说明3.3体系结构设计3.4设计硬件和软件构件3.5系统集成3.6系统测试2.1嵌入式微处理器嵌入式微处理器有许多种流行的处理器核，芯片生产厂家一般都基于这些处理器核生产不同型号的芯片。本节将主要介绍以下几种嵌入式处理器的架构，以及典型芯片制造商生产的芯片型号。

嵌入式微处理器2.1嵌入式微处理器

ARM已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的RISC标准。ARM处理器有三大特点：小体积、低功耗、低成本而高性能；16/32位双指令集；全球的合作伙伴众多。嵌入式微处理器--------ARM／StrongARM2.1嵌入式微处理器

MIPS是MicroprocessorwithoutInter---lockedPipelineStages没有互锁管线阶段的微处理器的缩写，是一种处理器内核标准，它是由MIPS技术公司开发的。嵌入式微处理器--------

MIPS2.1嵌入式微处理器

MIPS是MicroprocessorwithoutInter---lockedPipelineStages的缩写，是一种处理器内核标准，它是由MIPS技术公司开发的。嵌入式微处理器--------

MIPS2.1嵌入式微处理器

PowerPC处理器品种很多，既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面。嵌入式微处理器--------

PowerPC2.1嵌入式微处理器

x86系列处理器是我们最熟悉的了，它起源于Intel架构的8080,再发展出286、386、486，直到现在的Pentium4、Athlon和AMD的64位处理器Hammer。从嵌入式市场来看，486DX是当时和ARM、68K、MIPS和SuperH齐名的五大嵌入式处理器之一，8080是第一款主流的处理器。嵌入式微处理器--------

x862.1嵌入式微处理器

Motorola68000(68K)

是出现得比较早的一款嵌入式处理器，68K采用的是CISC结构，与现在的PC指令集保持了二进制兼容。嵌入式微处理器--------

68K/Coldfire

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1.1什么是嵌入式系统1.2嵌入式系统的特点及分类★2嵌入式微处理器和嵌入式操作系统2.1嵌入式微处理器

2.2嵌入式操作系统★3嵌入式系统设计过程3.1需求分析3.2规格说明3.3体系结构设计3.4设计硬件和软件构件3.5系统集成3.6系统测试

2.2嵌入式操作系统

概述

计算机系统由硬件和软件组成，在发展初期没有操作系统这个概念，用户使用监控程序来使用计算机。随着计算机技术的发展，计算机系统的硬件、软件资源也愈来愈丰富，监控程序已不能适应计算机应用的要求。于是在六十年代中期监控程序又进一步发展形成了操作系统(OperatingSystem)。发展到现在，广泛使用的有三种操作系统即多道批处理操作系统、分时操作系统以及实时操作系统。概述监控程序操作系统实时操作系统分时操作系统多道批处理操作系统时间先后

适用于多个用户共享系统资源适用于计算中心等较大的计算机系统适用于嵌入式设备和有实时性要求的系统中

2.2嵌入式操作系统

概述监控程序操作系统实时操作系统分时操作系统多道批处理操作系统时间先后适用于多个用户共享系统资源适用于计算中心等较大的计算机系统适用于嵌入式设备和有实时性要求的系统中实时操作系统是我们介绍的重点

2.2嵌入式操作系统

实时操作系统的特点IEEE的实时UNIX分委会认为实时操作系统应具备以下的几点:异步的事件响应切换时间和中断延迟时间确定优先级中断和调度抢占式调度内存锁定连续文件同步

2.2嵌入式操作系统

基本概念

对基于芯片的开发来说，应用程序一般是一个无限的循环，可称为前后台系统或超循环系统。很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计，例如微波炉、电话机、玩具等。在另外一些基于微处理器应用中，从省电的角度出发，平时微处理器处在停机状态，所有事都靠中断服务来完成。——前后台系统

2.2嵌入式操作系统

基本概念

中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为，前台也叫中断级。时间相关性很强的关键操作一定是靠中断服务程序来保证的。循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看成后台行为，后台也可以叫做任务级。这种系统在处理的及时性上比实际可以做到的要差。ISRISRISRISR后台前台中断服务程序时间——前后台系统基本概念

操作系统是计算机中最基本的程序。操作系统负责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与协调等并发的活动；操作系统提供用户接口，使用户获得良好的工作环境；操作系统为用户扩展新的系统功能提供软件平台。——操作系统硬件硬件驱动操作系统用户程序

2.2嵌入式操作系统

uClinux是一个完全符合GNU/GPL公约的操作系统，完全开放代码。uClinux从Linux

2.0/2.4内核派生而来，沿袭了主流Linux的绝大部分特性。它是专门针对没有MMU的CPU，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。适用于没有虚拟内存或内存管理单元(MMU)的处理器，例如ARM7TDMI。它通常用于具有很少内存或Flash的嵌入式系统。它保留了Linux的大部分优点：稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持、以及标准丰富的API等。常见的嵌入式操作系统——嵌入式Linux

2.2嵌入式操作系统

常见的嵌入式操作系统

WindowsCE是微软开发的一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备操作，它是精简的Windows95。WindowsCE的图形用户界面相当出色。WinCE具有模块化、结构化和基于Win32应用程序接口以及与处理器无关等特点。WinCE不仅继承了传统的Windows图形界面，并且在WinCE平台上可以使用Windows95/98上的编程工具（如VisualBasic、VisualC++等）、使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在WindowsCE平台上继续使用。

——WinCE

2.2嵌入式操作系统

常见的嵌入式操作系统——VxWorksVxWorks操作系统是美国公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），是嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等，甚至在1997年4月登陆火星表面的火星探测器上也使用到了VxWorks。

2.2嵌入式操作系统

常见的嵌入式操作系统

OSE主要是由ENEADataAB下属的ENEAOSESystemsAB负责开发和技术服务的，一直以来都充当着实时操作系统以及分布式和容错性应用的先锋，并保持良好的发展态势。

OSE的客户深入到电信，数据，工控，航空等领域，尤其在电信方面，该公司已经有了十余年的开发经验，同诸如爱立信，诺基亚，西门子等知名公司确定了良好的关系。——OSE

2.2嵌入式操作系统

常见的嵌入式操作系统

NucleusPLUS是为实时嵌入式应用而设计的一个抢先式多任务操作系统内核，其95％的代码是用ANSIC写成的，因此非常便于移植并能够支持大多数类型的处理器。

NucleusPLUS采用了软件组件的方法。每个组件具有单一而明确的目的，通常由几个C及汇编语言模块构成，提供清晰的外部接口，对组件的引用就是通过这些接口完成的。由于采用了软件组件的方法，使NucleusPLUS的各个组件非常易于替换和复用。——Nucleus

2.2嵌入式操作系统

常见的嵌入式操作系统

eCos是RedHat公司开发的源代码开放的嵌入式RTOS产品，是一个可配置、可移植的嵌入式实时操作系统，设计的运行环境为RedHat的GNUPro和GNU开发环境。eCOS的所有部分都开放源代码，可以按照需要自由修改和添加。eCOS的关键技术是操作系统可配置性，允许用户组和自己的实时组件和函数以及实现方式，特别允许eCOS的开发则定制自己的面向应用的操作系统，使eCos能有更广泛的应用范围。——eCos

2.2嵌入式操作系统

常见的嵌入式操作系统μC/OS-II是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪、占先式的实时多任务操作系统。其绝大部分源码是用ANSIC写的，使其可以方便的移植并支持大多数类型的处理器。μC/OS-II通过了联邦航空局（FAA）商用航行器认证。自1992年问世以来，μC/OS-II已经被应用到数以百计的产品中。μC/OS-II占用很少的系统资源，并且在高校教学使用是不需要申请许可证。——μC/OS-II

2.2嵌入式操作系统

常见的嵌入式操作系统TRON是指“实时操作系统内核（TheReal-timeOperatingsystemNucleux）”,它是在1984年由东京大学的Sakamura博士提出的，目的是为了建立一个理想的计算机体系结构。通过工业界和大学院校的合作，TRON方案正被逐步用到全新概念的计算机体系结构中。uITRON是TRON的一个子方案，它具有标准的实时内核，适用于任何小规模的嵌入式系统，日本国内现有很多基于该内核的产品，其中消费电器较多。目前已成为日本事实上的工业标准。——uITRON

2.2嵌入式操作系统

常见的嵌入式操作系统TRON明确的设计目标使其甚至比Linux更适合于做嵌入式应用，内核小，启动速度快，即时性能好，也很适合汉字系统的开发。另外，TRON的成功还来源于如下两个重要的条件：

1.它是免费的

2.它已经建立了开放的标准，形成了较完善的软硬件配套开发环境，较好地形成了产业化。——uITRON

2.2嵌入式操作系统

几种嵌入式操作系统的比较嵌入式系统的选择

2.2嵌入式操作系统

PalmOSWindowsCE3.0嵌入式Linux大小核心几十KB，整个嵌入式环境也不大核心占500KB的ROM和250KB的RAM。整个WindowsCE操作系统，包括硬件抽象层（HAL和HardwareAbstractionLayer）、WindowsCEKernel、User、GDI、文件系统和数据库，大约共1.5MB核心从几十KB到500KB，整个嵌入式环境最小才100KB左右，并且以后还将越来越小。可开发定制可以方便的开发定制用户开发定制不方便，受Microsoft公司限制较多。用户可以方便的开发定制，可以自由的卸装用户模块，不受任何限制。互操作性可操作性强互操作性较强，WindowsCE可通过OEM的许可协议使用于其他设备互操作性很强实用性比较好比较好很好适用的应用领域应用领域较广，特别适用于掌上电脑大开发。应用领域较广，WindowsCE是为新一代非传统的PC设备而设计的，这些设备包括掌上电脑、手持电脑以及用于车载电脑。由于Linux内核结构及功能等原因，嵌入式Linux应用领域非常广泛，特别适于进行信息家电的开发。2/1/2023522.3嵌入式系统的发展历史及趋势20世纪70年代单片机出现1975年TI推出了第一片4位单片机——TMS-10001976年Intel：8048——>8051（8位）20世纪90年代ARM（1991年，32位）ARM7系列、ARM9系列ARM10E系列、ARM11系列SecurCore系列、Cortex系列PowerPC、MIPS2/1/2023532.3嵌入式系统的发展历史及趋势（续）20世纪80年代实时操作系统出现1981年，ReadySystem:VRTX32WindRiver:VxWorks实时性强、可靠性高20世纪90年代实时多任务操作系统WindRiver:VxWorksMicrosoft:WinCE友好的图形界面2/1/2023542.3嵌入式系统的发展历史及趋势（续）市场巨大、发展迅速、前景广阔产品种类不断丰富，应用范围不断普及性能不断提高核心处理芯片位数更高多种媒体处理能力的汇聚功耗不断降低，体积不断缩小软件成为影响价格的主要因素硬件模块化、标准化软件越来越复杂NvidiaIon平台（离子平台）Ion=ATOM+Geforce9400M54GFLOPS、14W2/1/2023552.3嵌入式系统的发展历史及趋势（续）程序设计语言汇编语言——〉C语言——〉C++语言优秀的开发环境软件开发环境——完善、友好的工具链项目管理、编辑、编译、调试、下载硬件开发环境开发板、仿真器、万用电表、示波器、逻辑分析仪嵌入式系统设计工程硬件、软件、开发环境集成化、一体化网络化、图形化、多媒体化2/1/2023©国防科技大学计算机学院601室56固件设计语言选用情况美国版EETimes子网站EmbeddedSystemsDesign十三年来针对嵌入式软件所应用之设计语言的调查统计表

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概述

1.1什么是嵌入式系统1.2嵌入式系统的特点及分类★2嵌入式微处理器和嵌入式操作系统2.1嵌入式微处理器2.2嵌入式操作系统★3嵌入式系统设计过程3.1需求分析3.2规格说明3.3体系结构设计3.4设计硬件和软件构件3.5系统集成3.6系统测试需求分析规格说明体系结构设计硬件设计系统集成系统测试产品软件设计执行装置设计设计过程的主要抽象层次

3嵌入式系统设计过程概述可以把嵌入式系统的开发看作对一个项目的实施。项目的生命周期一般分为识别需求、提出解决方案、执行项目和结束项目4个阶段。嵌入式系统项目开发也是如此。结束项目执行项目提出解决方案识别需求投入人力时间概述1.需求分析识别需求是项目生命周期的最初阶段。当需求被客户确定时，项目就产生了。这个阶段的主要任务是确认需求，分析投资收益比，研究项目的可行性，分析厂商所应具备的条件。2.体系结构设计主要由各厂商向客户提交标书、介绍解决方案。这个阶段是赢得项目的关键，公司