微机原理课程课件

第一节嵌入式系统概论§1.1.1嵌入式系统的概念与特点

一、嵌入式系统（EmbeddedSystem）定义：

嵌入式系统是指用于实时控制、监视、管理或辅助其他设备运行的设备，可以是专用或多用途（但一般具有可编程的特性）的设备，“嵌入”意味着这些系统本身与所控制和管理的系统融为一体的，是其中的一个有机组成部分，是各种控制系统的基本构造单元。由上面的定义，可以看出嵌入式系统的一些特征：1.嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统。

电子计算机是为解决海量数值计算而发明和发展起来的。而微型机一旦进入对象体系中后，便失去了通用计算机的形态和功能，变成了形形色色的自动化系统。从而导致了现代计算机技术的两大分支：通用计算机系统与嵌入式计算机系统。2.单片机是以嵌入式应用为唯一目的的典型的嵌入式系统。

嵌入式应用分微控制器（Micro－control—MCU）和嵌入式微处理器（EmbeddedMicroprocessor—MPU）应用两种。微控制器即俗称为单片机（SingleChipComputer），设计的目标就是面向控制，面向嵌入式应用的。3.嵌入式系统的组成：

一般由：嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序等四个部分组成。通常，嵌入式系统中的系统程序（包括操作系统）和应用程序是浑然一体的。这些程序被编译连接成一个可以执行的二进制映象文件（image），并被固化在系统中，在系统复位后自动执行。4.嵌入式系统的分类：按形式上可以分为三大类，即（1）系统级：

为各种类型的工控机，如STD工控机、工业PC等。例：将工控机嵌入到舰船上构成航行自动驾驶仪。（2）板级：

各种类型的带CPU的主板。（3）器件级：

以单片机最为典型。二、嵌入式系统的特点：1.系统的复杂性

据估计，大约有100～250亿个嵌入式系统正在使用，分布在十分广泛的范围，几乎所有的现代电子设备中都有嵌入式系统，功能各异，复杂程度可想而知。2.系统的实时性

嵌入式系统多数与生产过程的实时控制相关。生产过程本身的特性往往决定了这类系统不可能随意中断正常的生产过程去进行测试或维修。多数造价昂贵的嵌入式系统也往往没有备份系统，实时诊断的难度也相应增加。3.系统的可靠性

嵌入式系统在一些关键系统的控制过程中得到广泛应用（如：钢铁、石化等企业）。控制系统的任何微小的错误都可能导致整个生产过程的中断和巨额的经济损失。嵌入式计算机隐藏在系统或设备中，用户很难直接接触控制，一旦工作就要求它可靠运行。嵌入式产品的使用人员多为非计算机专业人士，使用环境不定，往往条件恶劣（高温、高湿、多尘、强电磁干扰等)。4.系统的专用性

用途固定，通常执行特定功能，用于特定设备，完成特定的任务。5.技术密集

是计算机技术、微电子技术和行业技术相结合的产物，必然是一个技术密集，不断创新的知识集成系统。6.开发困难

嵌入式系统往往本身不具备自举开发能力，必须要一套开发工具和环境才能进行开发。其开发系统与实际运行的系统并不相同，需要交叉编译系统和适当的调试系统。§1.1.2嵌入式系统的应用

嵌入式系统已广泛应用于信息家电、移动通信、手持信息设备以及工业控制等领域。用于实现对宿主设备的控制、监视或管理。应用范围十分广泛，因此不存在所谓嵌入式系统的典型应用。§1.1.2嵌入式系统的应用§1.1.2嵌入式系统的应用1.制造与过程控制

自动化工厂、柔性制造系统（FMS）、无人物流小车、机器人、加工中心、核电站、污水处理系统、发（变）电站、能源控制系统、石化企业的控制设备、建筑设备等。§1.1.2嵌入式系统的应用2.运输

交通指挥系统、售票系统、航空、铁路、公路运输系统、停车场管理系统、雷达系统、检票系统等。§1.1.2嵌入式系统的应用3.建筑设施

电力供应、备用电源、火警报警与控制系统、供热与通风系统、电梯、车库、安防系统、闭路电视监视、温湿度控制等。§1.1.2嵌入式系统的应用4.通信

电话交换机、卫星和全球定位系统（GPS）、移动电话等。5.办公设备电话系统、传真系统、复印机、照相机和摄像机、商用电脑、掌上电脑等。§1.1.2嵌入式系统的应用6.银行和金融

自动柜员机、信用卡系统、验钞机、点钞机、安全系统等。7.医疗诊断监视系统心脏起搏器、理疗控制系统、热疗机、X光设备、电磁成像系统等。§1.1.2嵌入式系统的应用8.家庭中的应用

每个家庭使用的嵌入式处理器约30～40个。一台PC机中就可能使用了10来个嵌入式处理器。其他家电中，电冰箱、微波炉、洗衣机、录像机、电子钟、洗碗机、DVD播放机、电视机、音响设备、通用遥控器、电子玩具、电子宠物等。§1.1.2嵌入式系统的应用9.汽车中的嵌入式系统

汽车内部正迅速发展成为一个具有相当规模的局域网，如CAN（控制局域网）总线网络。汽车中的GPS系统与电子导航系统（电子地图）、防碰撞系统（安全气囊）、油/气比控制、车用电脑、音响、车灯、智能化的侧视镜。据资料介绍，S级的梅塞德斯轿车，每辆车内平均装有64个微处理器。§1.1.2嵌入式系统的应用10.电气工程中的嵌入式系统

嵌入式系统在电气设备的控制、监视、检测，以及电力系统的运行、管理中广泛应用。例如：电机的自动化生产；电机检测、监视、保护、控制；电力设备（线路、变压器等）的检测、保护、控制；电力自动装置(如励磁调节器、调速器、并列装置等)；电力系统微机保护；变电站综合自动化；电力系统综合自动化；

§1.1.2嵌入式系统的应用10.电气工程中的嵌入式系统

便携式互感器智能测试仪§1.1.2嵌入式系统的应用10.电气工程中的嵌入式系统

微机型自动准同期并列装置§1.1.2嵌入式系统的应用10.电气工程中的嵌入式系统§1.1.2嵌入式系统的应用10.电气工程中的嵌入式系统晶闸管智能投切无功补偿及谐波滤波成套设备微机控制器§1.1.2嵌入式系统的应用10.电气工程中的嵌入式系统“地区电网电压无功优化分散控制系统”“基于虚拟仪器技术的继电保护电气参数综合测试仪”§1.1.3嵌入式系统工业的特点和要求一、嵌入式系统是不可垄断的高度分散的工业

从某种意义上说，通用计算机行业的技术是垄断的。当代的通用计算机工业被认为是由Wintel（Microsoft和Intel90年代初建立的联盟）垄断的工业。嵌入式系统则是一个分散的工业，充满了竞争、机遇与创新，没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断市场。嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软件产品开发。二、嵌入式系统具有的产品特征1.嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的。如果独立于应用自行发展，则会失去市场。因此，嵌入式处理器的功能、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约。2.嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设

计，量体裁衣，去除冗余。3.嵌入式系统和具体应用有机的结合在一起，它的升级换代也是和具体的产品同步进行。因此，嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。4.嵌入式处理器的发展也体现出稳定性。一个体系结构一般要存在8～10年的时间。一个体系结构及其相关的片上外设、开发工具、库函数、嵌入式应用产品是一套复杂的知识系统。因此，用户和半导体厂商都不会轻易的放弃一种处理器。5.嵌入式系统中的软件一般都固化在ROM中，其应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长，常强调可继承性和技术衔接性，发展比较稳定。§1.1.3嵌入式系统工业的特点和要求三、嵌入式系统软件的特征

嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，其特征主要有：1.软件要求固态化存储。2.软件代码高质量、高可靠性：以减少程序二进制代码的长度，提高执行速度。3.系统软件（OS）的高实时性是基本要求在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键。这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成。4.嵌入式系统软件一般需要RTOS开发平台虽然嵌入式系统的应用程序可以没有OS直接在“裸机”上运行，但是为了合理的调度多任务。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RTOS开发平台，这样才能保证程序执行的实时性和可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。四、嵌入式系统开发需要开发工具和环境

嵌入式系统本身不具备自举开发的能力，设计完成后，用户必须有一套开发工具和环境才能方便的对其硬件、软件进行调试与修改。五、嵌入式系统开发人员以应用专家为主

嵌入式系统要和各个不同行业的应用相结合，要求更多的计算机以外的专业知识，其开发人员往往是各个应用领域的专家。因此对开发工具的基本要求是易学、易用、高效、可靠。返回目录下一节§1.2.1 嵌入式系统微处理器的发展

一、嵌入式系统微处理器的分类与发展

嵌入式系统微处理器在目前的嵌入式系统硬件设计上占了很大的影响力，嵌入式系统开发人员必须要从琳琅满目的嵌入式系统微处理器中选择一个最适当的微处理器产品作为嵌入式系统控制核心，才能够兼具低成本、高效率的产品优势。以微处理器在单一指令内所能处理的位数来衡量，嵌入式微处理器的发展可以分为以下几个阶段。表1.2.1以位数来对嵌入式系统微处理器分类

4位

8位

16位

32位

64位

嵌入式微处理器（单片机型）

TMS1000COPS8048/49/508051/52,Z86801/04/05

8096/9768200

ARMRISCcoreMIPS32BitsRISCcore

MIPS64BitsRISCcore嵌入式微处理器（一般用途型）

4004，40408085，Z8068026809650280868018680286Z8000

803868048668000/10/20/30/40

PentiumⅡ/Ⅲ

二、CISC和RISC

两种不同结构的微处理器：CISC—ComplexInstructionSetComputer

复杂指令集计算机RISC—ReducedInstructionSetComputer

精简指令集计算机RISC与CISC相比具有如下特点：1)．

使用相当少的指令类别及寻址方式2)．在单一执行的周期内完成指令3)．

CPU中拥有更多的寄存器4)．

使用最优的程序代码编译

由于RISC架构的CPU的硬件设计单纯，成本低廉、省电效益佳等特点，深受嵌入式系统产品的欢迎。

三、数字信号处理器（DSP）

即DigitalSignalProcess是专门处理数字信号数据的微处理器，基本上DSP是针对特定的任务而发展的一种微处理器。

DSP最重要的是大量的即时运算功能；最基本的运算功能是乘法与加法运算如：Σaibi。DSP的内置硬件构架可以在很短的时间内处理如离散傅立叶转换之类的复杂的加法和乘法问题。

§1.2.2 嵌入式应用的开发设计技术

一、嵌入式应用系统开发的特征

嵌入式应用常将性能要求放在第一位

与通用计算机相比，嵌入式系统的软、硬件更关注时间限制、性能约束和对外交互等问题。即它不但要求满足功能要求，还要求满足性能需求，甚至将性能需求放在第一位。

2.性能要求体现在限定时间的约束或代码大小的约束上，如：

一个处理算法能否满足严格的时间约束，是否需要建造特殊的硬件来完成其任务？OS能否满足高效的中断处理、多任务和通信的要求？编程语言能否支持并发程序的设计，等等3.结论：

嵌入式系统的开发不仅要考虑软件的设计，同时还要考虑硬件的设计，不但要考虑功能的设计，还要考虑性能的设计。

事实上，嵌入式系统的最大问题是设计问题，而不是实现问题。

二.嵌入式系统设计的3个层次

1.第一层次：以PCBCAD软件和ICE为主要工具的设计方法。

PCBCAD—印制板计算机辅助设计软件和PROTEL99ICE—在线（联机）仿真器。这是至今国内单片机应用系统开发人员一直沿用的方法：

系统总体设计选购通用元器件功能检验设计电气原理图设计PCB板图PCB板加工、焊接硬件调试模块划分流程(算法)设计编码软件联调联调“产品定型”硬件设计软件设计2.第二层次：以EDA工具软件和EOS为开发平台的设计方法。

EDA—电子设计自动化EOS—嵌入式实时操作系统

这是一种利用各种通用的可编程半定制逻辑器件来设计和制作部分专用的大规模集成电路（ASIC），然后将ASIC、可编程外围器件、μc或μp在PCB板上布局、布线以构成系统的设计方法。

其中关键是ASIC的开发与设计，即硬件设计人员从过去选择和使用标准通用IC，逐步转向自己设计和制作部分专用的IC器件。

作为ASIC基础的半定制逻辑器件经历了如下发展过程：

PLA—可编程逻辑阵列；PAL—可编程阵列逻辑；GAL—通用阵列逻辑；CPLD—复杂可编程逻辑器件；FPGA—现场可编程门阵列。

发展的趋势是：集成度、速度不断提高；功能不断增强；结构更合理；使用更方便、灵活。

3.第三层次：以IP内核库为基础，用软、硬件协同设计的设计方法。

*.IP（IntellectualProperty知识产权）内核模块是一种预先设计好的具有某种确定功能的集成电路、器件或部件。

*.IP有三种不同的形式：

(1)软IP内核（softIPcore）: 主要描述功能行为（behavior）提交给用户的是经过行为级设计优化和功能验证的HDL（硬件描述语言）文本。亦称为虚拟器件。

(2)硬IP内核（firmIPcore）：基于物理（physical）描述并经过工艺验证，是基于某种半导体工艺的物理设计，提供给用户的是电路物理结构掩膜版图和全套工艺文件，即可以拿了就用的全套技术。

(3)固IP内核（firmIPcore）：完成结构（structure）描述，设计的深度介于软IP内核和硬IP内核之间。提供给用户的一般是门电路级网表。

软IP内核、固IP内核、硬IP内核相当于集成电路（器件或部件）的毛坯、半成品、成品。

常用的IP内核模块有：

各种CPU（如：32/64位CISC/RISC结构的CPU）；

各种微控制器/单片机（8/16）；

32/64位DSP、DRAM、SRAM、EEPROM、Flashmemory、A/D、D/A、USB、PCI、网络单元、编译器、编码/解码器、模拟器件模块等。

丰富的IP内核模块库为快速地设计专用集成电路和单片系统SOC（SystemOnChip）以尽快占领市场提供了基本保证。

从20世纪90年代开始的，由“集成电路”级设计不断转向“集成系统”级设计，目前已进入SOC设计阶段。

SOC的设计方法不是把系统所需要的所有的集成电路简单地二次集成到1个芯片上，这样实现的系统是不可能达到SOC所要求的高密度、高速度、高性能、小体积、低电压、低功耗等指标的。

一个最有效的途径（高速、高可靠性）便是通过授权使用成熟优化的IP内核模块来进行设计集成和二次开发。

4.三个层次的设计方法并行存在，各有应用范围，不会简单地用后者取代前者。

初级应用设计人员会以第一种方法为主，富有经验和一定条件的设计人员会以第二种方法为主；很专业且具有相当条件的设计人员会以第三种方法进行简单的SOC的设计和应用。但所有的设计人员都可以应用大厂商推出的用第三种方法设计的专用SOC。

复杂的SOC只有那些有相当的能力和实力的半导体大厂商才能设计和实现。

如：TI、philips、WINBOND和Atmel等厂商就是通过Intel授权，用其MCS-51的IP内核模块结合自己的特长，开发出有个性的与IntelMCS-51兼容的单片机，如：P80CL51、AT89C51、AT89C2051、9058515、W78E516等。

§1.2.3SOC嵌入式微处理器

一.定义

SOC（SystemOnChip）嵌入式微处理器，顾名思义，是单个芯片上构成的系统，它结合了许多功能模块，做在一个芯片上。例如：DSP微处理器加通信接口单元（含有：USB、TCP/IP、GSM通信接口，等）。二.SOC嵌入式系统的优点：

*.高密度—高集成度；*.低电压、低功耗—利用改变内部工作电压，降低芯片功耗；*.高速度—减少了各单元电路及电路板上的信号传递，整体上提高了μp的运行速度；*.高抗干扰性能—内嵌的线路，大大避免了外部电路板在信号传递时造成的损耗和干扰。注1：

SOC并不是简单的将所要的集成电路二次集成到一个芯片上，而是在全新理念上通过系统硬、软件协同设计，在单个芯片上完成整个系统的功能。

注2：SOC与单片机的区别：SOC使单片机应用技术发生了革命性的变化：从选择厂家提供的定制产品时代进入了由用户自行开发设计器件的时代。(2)SOC设计中，设计者面对的不再是电路芯片，而是能实现设计功能的IP模块库，即SOC设计的观念是：“设计自己的专用集成电路”。

三.RISC结合DSP的SOC嵌入式系统微处理器

DSP—DigitalSignalProcessRISC—ReducedInstructionSetComputer

DSP的龙头老大德州仪器公司倚仗性能优越的DSP处理器称霸世界DSP市场。最近推出的一项非常先进的SOC嵌入式系统微处理器技术，称为OMAP。

OMAP—OpenMultimediaApplicationPlatform开放式多媒体应用平台，其构成为：DSP+RISC(ARM)+若干外围电路模块代表芯片为OMAP1510，其结构见图:

OMAP1510硬件结构框图上图中，DSP或ARM微处理器分别完成各自的操作或运算，两者之间通过DSP/BIOSBridge接口交换数据。

主要应用于实时的多媒体影音数据处理、语音识别系统、因特网通信、无线通信与电子商务等。

四.整合型嵌入式系统微处理器1.ARM公司ARMRISC架构微处理器

ARM公司是一家提供RISC架构嵌入式系统微处理器的公司，位于英国，成立于1990年11月。ARM公司既不生产芯片，也不销售芯片，它只出售芯片技术授权。采用ARM技术IP核的微处理器遍及汽车、消费电子、成像、工业控制、海量存储、网络、安保和无线等各类产品市场。

ARM嵌入式处理器是一种16/32位的高性能、低功耗的RISC芯片。世界上几乎所有的主要半导体厂商都生产基于ARM体系结构的通用芯片，或在其专用芯片中嵌入ARM的相关技术。如：TI、Intel、Motorola、Atmel、Philips、Nec、Sharp、NS、Hynix……2001年基于ARM内核的处理器已占据了32位RISC芯片75％的市场份额，可以说ARM技术几乎无处不在。

ARMRISC架构微处理器系列目前主要分为几个家族产品，分别为ARM7Thumb、ARM9Thumb、ARM10Thumb以及StrongARM等家族。其中StrongARM已有Intel公司取得专用授权，只能由Intel公司从事StrongARM架构微处理器的改进与生产。

(1)ARM7Thumb系列

含ARM710T、ARM720T、ARM740T是一种以ARM7TDMI微处理器为运算核心的RISC架构的32位嵌入式系统微处理器。它面向中初级市场应用，强调价格与传统的8位或16位的嵌入式系统微处理器相差不大，却拥有32位CPU的执行效率，很受市场的欢迎。

ARM7Thumb家族的特性：

*.拥有32位的ALU、寄存器、移位寄存器；*.拥有32位的寻址模式；*.拥有32×8DSP乘法器，可以做数字信号处理；*.拥有16位的Thumb指令集。

Thumb是将ARM指令集的一个子集重新编码而形成的一个指令集，即将部分32位的ARM指令压缩成16位而得到密度更高的代码。使用Thumb指令集可以以16位的系统开销得到32位的系统性能。

(2)ARM9Thumb系列

使用ARM9TDMI处理器内核，包括ARM920T、ARM922T和ARM940T，3种类型。

ARM920T与ARM940T微处理器核心架构如下图所示ARM940T微处理器核心架构图4K字节指令快取内存4K字节数据快取内存ARM9TDMI微处理器核心总线接口单元写入缓冲器AMBA总线处ARM920T微处理器核心架构图

4K字节指令快取内存4K字节数据快取内存ARM9TDMI微处理器核心总线接口单元写入缓冲器AMBA总线处EMI接口(3)ARM10Thumb系列针对更强大的多媒体市场及更有效率的即时数据处理等用途所设计的ARMRISC64位架构微处理器。包括：

ARM1020E、ARM1022E、ARM1026EJ-S3种类型。最高频率为300MHZ，具有32K字节的数据快取内存（DCache）和32K字节的指令快取内存（ICache）。ARMRISC嵌入式微处理器的应用范围：*.无线通信设备如：移动电话、笔记本电脑、Internet设备等。*.数字消费设备如：机顶盒、MP3和MPEG4播放器等。*.成像设备如：激光打印机、数码照相机和摄像机等。*.工业控制如：马达控制（运动控制器芯片）和能量控制等。*.汽车、通信和信息系统等。（4）StrongARM微处理器家族共包含有4种不同的微处理器：StrongARM110、SA1100、AS1110、SA1111均为32位。最具代表性的为SA1110是采用ARMV4设计出来，具有以下功能：1）总线工作频率最高可达100MHZ2）含有16KB的指令快取内存（CACHES）3）含有8KB的数据快取内存（CACHES）4）提供一个外围装置控制模块，用来控制与SA1110相连的外围设备，如：LCD显示器、USB控制器、红外线（IrDA）控制器、UART等。5）支持各种协议的控制接口如：MotorolaSPI、NationalMicroWire、TISynchronousSerial、以及PhillipsUCB1100与UCB1200protocol等。StrongARM主要应用在掌上电脑，如：Compaq公司的IPAQH3630、大众公司的LEOE300等。§1.2.4嵌入式微处理器的技术进步集成了越来越多的部件，如：定时器、比较器、A/D、D/A、串行口、WatchDog、LCD控制器、CAN网路控制模块。也有采用三核（TnCore）结构，一片内含有三个CPU，各负其责。一、内部结构的进步二、功耗、封装的进步设置了多种降低功耗的方式，如：等待、暂停、睡眠、空闲、节电等，如Philips公司的P87LPC762单片机，空闲时消耗电流为1.5mA，封装大量采用贴片工艺，以大量减小体积。三、电源电压的进步扩大了电源电压的范围，使得微处理器在较低电压上仍然能工作，是目前的发展目标之一，一般单片机可在3.3～5.5V，有一些可达到2.2～6V的指标。Motorola的8位MCUHCS08系列，工作电压为1.8V，而性能却与许多16位MCU相当。

四、制造工艺的进步基本上采用CMOS技术，大多采用0.6μm以上的光刻工艺，个别公司如：Motorola已采用了0.35μm甚至0.25μm技术，大大提高了CPU芯片内部密度和可靠性。

五、嵌入式系统与Internet的连接使嵌入式设备能与Internet连接已成为一种趋势，它要求专门为嵌入式微控制器设备设计网络服务器，并通过标准网络浏览器进行过程控制。 如：DVD播放机可以拨号进入Internet的电影数据库直接获得音像资料。GPS（全球定位系统）正越来越多地集成于各类汽车之中。六、实现嵌入式设备Internet网络化的三种方法

关键是在嵌入式系统中实现TCP/IP协议―传输控制协议/网际包协议，是Internet网的标准。1）专用的TCP/IP协议栈软件包：

如VxWorks实时操作系统（美）、DeltaOS（中）中均有支持TCP/IP协议的模块。

§1.3.1嵌入式RTOS简介嵌入式软件是嵌入式产品的核心，开发嵌入式系统需要一个支持实时多任务的操作系统(RTOS)内核来支持。

目前在国内大多数的嵌入式软件开发还是基于处理器直接编写，而没有采用商品化的RTOS，因此在开发嵌入式系统时无法将操作系统软件与应用软件分开处理，导致再次开发时都要特别定制系统软件和应用软件，开发的代价太大，成本过高。

解决方法是使用一个RTOS内核，这是一个高效率的实时多任务内核。在内核上设计了不同的API接口，这些是应用程序开发的基础。因此，RTOS也是一个软件开发平台。

一、RTOS的定义

RTOS（RealTimeOperatingSystem）是一种用于实时系统中的计算机操作系统。即一个能在指定的时间内完成系统功能和对外作出响应的系统。从表现看，RTOS是实时嵌入式系统中运行的一段背景程序。应用程序则是运行在这个基础之上的多个任务。RTOS根据各个任务的要求进行资源的管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。RTOS根据各任务的优先级来动态的切换各个任务，保证对实时性的要求。与传统的循环控制体系结构相比，这种体系结构是一个很大的改进。从性能上看，RTOS与普通的OS的主要区别是在“实时”二字上。在实时计算中，系统的正确性不仅仅依赖于计算的逻辑结果，而且依赖于结果产生的时间。因此实时系统可定义为“一个能在指定时间内完成系统功能和对内部或外部作出响应的系统”。二、RTOS的必要性1.传统的嵌入式系统的设计方法：选择元器件－>设计印刷电路板－>编制系统软件和应用软件－>调试－>定型。缺点：存在这诸多不稳定因素和安全隐患；不便于升级；软件难以共享等。

2.实时嵌入式系统的功能不断增强，嵌入式CPU档次越来越高，位数由八位、十六位到三十二位甚至是六十四位。3.软件的设计越来越复杂，包括：多个任务的管理与调度、多中断的嵌套处理、大容量内存的管理以及图形用户界面、网络连接、多CPU通信等。综上可见，必须要依靠一定的OS内核，且是实时OS内核去统一管理和调度多任务；实现任务之间的通信；实时的内存动态管理等以满足系统的实时性和各种强大功能的要求。

RTOS是一段嵌入在目标代码中的软件，用户的应用程序都建立在RTOS上，而且RTOS是一个可靠性和可信性很高的实时内核，它将CPU时间、中断、I/O、定时器等资源都包装起来留给用户一个标准的API，并根据各个任务的优先级合理地在不同任务之间分配CPU时间。

三、几种流行的嵌入式RTOS

美国：

Psos、VxWorks、PalmOS(掌上电脑)、WinCE(消费电子)、QNx、LynxOS、uc/OS-II

中国：

Hopen

RTOS的应用领域一般为：消费电子、工控、医疗设备、网络设备、航空、防御系统、汽车、交通等。四、嵌入式RTOS的基本功能和特点：

任何操作系统的目的都是给用户提供方便，使得用户可更少地考虑硬件系统而专注于自己应用程序的开发。（一）一般的RTOS以提供“微小内核”为主，包含下面一些基本功能：

1.任务管理：系统中运行的任务状态有运行态、就绪态和休眠态。

RTOS主要实现在应用程序中建立任务、删除任务、挂起任务、恢复任务以及对任务的响应、切换和调度等功能。2.内存管理：主要提供内存资源的合理分配和存储保护功能，许多系统还提供虚拟内存的管理方式。3.任务间的通信、同步与互斥对多数RTOS的内核都必须解决任务之间的通信、同步与互斥。任务的通信有共享数据结构和信息机制两种方式；同步具备单向和双向的同步方式；互斥主要是对共享资源的互斥访问。4.定时管理

系统提供时钟，进行系统各个任务时间片的分配，以及对于实时操作系统的快速时间响应。5.中断管理系统采用中断模式实现对外界的响应，中断管理负责中断的初始化安装、现场的保存和恢复，中断栈的嵌套管理。

6.外设管理

对键盘、显示器、通信端口、外接控制器等外设提供相应的驱动程序以方便用户。7.文件系统

嵌入式系统的存储方式多种多样，如MMC接口（虚拟内存管理模块）、串口FLSH、U盘等。因此文件系统的支持程序也是多种多样的，而且小巧。（二）嵌入式操作系统的特点

与桌面机的OS架构不同，由于嵌入式系统五花八门，应用领域差别较大的特点，因此嵌入式系统大多是“量体裁衣”，与通用操作系统相比有如下特点：1.必须有良好的硬件适应性和移植性，以适应嵌入式平台的多样性、嵌入式CPU的快速更新。2.只要求占用很小的内存资源，因为嵌入式系统提供的资源很有限，都是在片上的FLASH或者RAM上运行。

3.模块化设计，可安装和卸载：针对各种嵌入式平台，嵌入式操作系统必须具有可裁减、安装和卸载的功能，以适应嵌入式硬件平台的多样性和低成本要求。4.固化代码：嵌入式操作系统和应用软件一般被固化在嵌入式系统的ROM中，和少采用辅助存储器。

1.4.1计算机中的数制及相互转换

1.4.1.1进位计数制

按进位原则进行计数的方法,称为进位计数制。

1.十进制数(Decimal)两个主要特点:

（1）有10个不同的数字符号:0、1、2、…、9;

（2）低位向高位进位的规律是“逢十进一”。

因此,同一个数字符号在不同的数位所代表的数值是不同的。如555.5中4个5分别代表500、50、5和0.5,这个数可以写成555.5=5×102+5×101+5×100+5×10-1

式中的“10”称为十进制的基数

10２、101、100、10-1称为各数位的权。

任意一个十进制数N都可以表示成按权展开的多项式:

其中,di是0～9共10个数字中的任意一个,m是小数点右边的位数,n是小数点左边的位数,i是数位的序数。例如,543.21可表示为

543.21=5×102+4×101+3×100+2×10-1+1×10-2

一般而言,对于用R进制表示的数N,可以按权展开为式中,ai

是0、1、…、（R-1）中的任一个,m、n是正整数,R是基数。在R进制中,每个数字所表示的值是该数字与它相应的权Ri的乘积,计数原则是“逢R进一”。2.二进制数（Binary)

当R=2时,称为二进位计数制,简称二进制。在二进制数中,只有两个不同数码:0和1,进位规律为“逢二进一”。任何一个数N,可用二进制表示为

例如,二进制数1011.01可表示为

(1011.01)2=1×23+0×22+1×21+1×20+0×2-1+1×2-2

3.八进制数

(Octal)

当R=8时,称为八进制。在八进制中,有0、1、2、…、7共8个不同的数码,采用“逢八进一”的原则进行计数。如（503)8可表示为(503)8=5×82+0×81+3×80

4.十六进制(Hexadecimal)

当R=16时,称为十六进制。在十六进制中,有0、1、2、…、9、A、B、C、D、E、F共16个不同的数码,进位方法是“逢十六进一”。例如,（3A8.0D）16可表示为（3A8.0D)16=3×162+10×161+8×160+0×16-1+13×16-2

表1.1各种进位制的对应关系

十进制二进制八进制十六进制十进制二进制八进制十六进制000091001119111110101012A2102211101113B3113312110014C41004413110115D51015514111016E61106615111117F71117716100002010810001081.4.1.2不同进制间的相互转换1.十六进制转换成十进制：按权展开法

例1

将数(10.101)2,(46.12)8,(2D.A4)16转换为十进制。（10.101)2=1×21+0×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3=2.625(2D.A4)16=2×161+13×160+10×16-1+4×16-2=45.640622.二进制与十六进制之间的相互转换由于24=16,故可采用“合四为一”的原则,即从小数点开始分别向左、右两边各以4位为一组进行二—十六换算:若不足4位的以0补足,便可将二进制数转换为十六进制数。反之,采用“一分为四”的原则,每位十六进制数用四位二进制数表示,就可将十六进制数转换为二进制数。

例2将（110101.011)2转换为十六进制数。00110101.011035.6即（110101.011)2=(35.6)16

例3将（4A5B.6C)16转换为二进制数。4A5B.6C0100101001011011.01101100即（4A5B.6C)16=(100101001011011.011011)2

3.十进制数转换成二、八、十六进制数

任意十进制数N转换成R进制数,需将整数部分和小数部分分开,采用不同方法分别进行转换,然后用小数点将这两部分连接起来。

(1)整数部分:除基取余法。分别用基数R不断地去除N的整数,直到商为零为止,每次所得的余数依次排列即为相应进制的数码。最初得到的为最低有效数字,最后得到的为最高有效数字。例4将（168)10转换成二、八、十六进制数。

(2)小数部分:乘基取整法。分别用基数R(R=2、8或16）不断地去乘N的小数,直到积的小数部分为零（或直到所要求的位数）为止,每次乘得的整数依次排列即为相应进制的数码。最初得到的为最高有效数字,最后得到的为最低有效数字。例5：0.625D=（）B=（）H1.4.2二进制数的运算1.4.2.1二进制数的算术运算二进制数只有0和1两个数字,其算术运算较为简单,加、减法遵循“逢二进一”、“借一当二”的原则。1.加法运算规则:0+0=0;0+1=1;1+0=1;1+1=10(有进位)例1求1001B+1011B。

2.减法运算规则:0-0=0;1-1=0;1-0=1;0-1=1(有借位)例2求1100B-111B。3.乘法运算规则:0×0=0;0×1=1×0=0;1×1=1例3求1011B×1101B。

即10100101B/1111B=1011B

4.除法运算规则:0/1=0;1/1=1例4求10100101B/1111B1.4.2.2二进制数的逻辑运算1.“与”运算

“与”运算是实现“必须都有,否则就没有”这种逻辑关系的一种运算。运算符为“·

”,其运算规则如下:0·0=0,0·1=1·0=0,1·1=1

例5若X=1011B,Y=1001B,求X·Y。.即X·Y=1001B2.“或”运算

“或”运算是实现“只要其中之一有,就有”这种逻辑关系的一种运算,其运算符为“+”。“或”运算规则如下:0+0=0,0+1=1+0=1,1+1=1

例6若X=10101B,Y=01101B,求X+Y。101010110111101+即X+Y=11101B3.“非”运算

“非”运算是实现“求反”这种逻辑的一种运算，如变量A的“非”运算记作。其运算规则如下:A例7若A=10101B,求。A4.“异或”运算

“异或”运算是实现“必须不同,否则就没有”这种逻辑的一种运算,运算符为“

”。其运算规则是:例8若X=1010B,Y=0110B,求XY。101001101100即XY=1100B1.4.3带符号数的表示1.4.3.1机器数及真值计算机在数的运算中,不可避免地会遇到正数和负数,那么正负符号如何表示呢？由于计算机只能识别0和1,因此,我们将一个二进制数的最高位用作符号位来表示这个数的正负。规定符号位用“0”表示正,用“1”表示负。例如,X=-1101010B,Y=+1101010B,则X表示为:11101010B,Y表示为01101010B。1.4.3.2数的码制

1.原码当正数的符号位用0表示,负数的符号位用1表示,数值部分用真值的绝对值来表示的二进制机器数称为原码,用［X］原表示,设X为整数。若X=+Xn-2Xn-3…X1X0,则［X］原=0Xn-2Xn-3…X1X0=X;

若X=-Xn-2Xn-3…X1X0,则［X］原=1Xn-2Xn-3…X1X0=2n-1-X。其中,X为n-1位二进制数,Xn-2、Xn-3、…、X1、X0为二进制数0或1。例如+115和-115在计算机中（设机器数的位数是8）其原码可分别表示为［+115］原=01110011B;［-115］原=11110011B可见,真值X与原码［X］原的关系为

值得注意的是,由于［+0］原=00000000B,而［-0］原=10000000B,所以数0的原码不唯一。

8位二进制原码能表示的范围是:-127~+127。2.反码一个正数的反码,等于该数的原码;一个负数的反码,由它的正数的原码按位取反形成。反码用［X］反表示。若X=-Xn-2Xn-3…X1X0,则［X］反=1Xn-2Xn-3…X1X0。例如:X=+103,则［X］反=［X］原=01100111B;X=-103,［X］原=11100111B,则［X］反=10011000B。3.补码

“模”是指一个计量系统的计数量程。如,时钟的模为12。任何有模的计量器,均可化减法为加法运算。仍以时钟为例,设当前时钟指向11点,而准确时间为7点,调整时间的方法有两种,一种是时钟倒拨4小时,即11-4=7;另一种是时钟正拨8小时,即11+8=12+7=7。由此可见,在以12为模的系统中,加8和减4的效果是一样的,即-4=+8（mod12）对于n位计算机来说,数X的补码定义为即正数的补码就是它本身,负数的补码是真值与模数相加而得。例如,n=8时,

［+73］补=01001001B

［-73］补=10000000B-01001001B=10110111B可见,数0的补码表示是唯一的。在用补码定义求负数补码的过程中,由于做减法不方便,一般该法不用。负数补码的求法:用原码求反码,再在数值末位加1,即:［X］补=［X］反+1。例如:［-30］补=［-30］反+1=［+30］原+1=11100001+1=11100010B。

8位二进制补码能表示的范围为:-128~+127,若超过此范围,则为溢出。在微型计算机中，带符号数都以补码数的形式存放1.4.4数据格式与数的表示范围8位二进制数1.无符号数。00H~FFH，0~2552.带符号补码数。D7符号位，表示数的补码。

00~7FH，符号位为0，正数，0~12780H~FFH，符号位为1，负数的补码。-128~-18位带符号二进制数据的表示范围是：

-128~+1271.4.5BCD码和ASCII码1.4.5.1BCD码十进制数8421BCD码十进制数8421BCD码00000501011000160110200107011130011810004010091001表1.28421BCD编码表

例1写出69.25的BCD码。根据表1.2,可直接写出相应的BCD码:69.25=（01101001.00100101）BCD

1.4.5.2ASCII码表1.3ASCII码表1.4.6微型计算机的组成及工作过程1.4.6.1基本组成图1.1微型计算机的基本组成1.中央处理器CPUCPU（CentralProcessingUnit）是计算机的核心部件,它由运算器和控制器组成,完成计算机的运算和控制功能。运算器又称算术逻辑部件（ALU,AithmctiealLogicUnit）,主要完成对数据的算术运算和逻辑运算。控制器（Controller）是整个计算机的指挥中心,它负责从内部存储器中取出指令并对指令进行分析、判断,并根据指令发出控制信号,使计算机的有关部件及设备有条不紊地协调工作,保证计算机能自动、连续地运行。CPU中还包括若干寄存器（Register）,它们的作用是存放运算过程中的各种数据、地址或其它信息。寄存器种类很多,主要有:

通用寄存器:向ALU提供运算数据,或保留运算中间或最终的结果。累加器A:这是一个使用相对频繁的特殊的通用寄存器,有重复累加数据的功能。程序计数器PC:存放将要执行的指令地址。指令存储器IR:存放根据PC的内容从存储器中取出的指令。在微型计算机中,CPU一般集成在一块被称为微处理器（MPU,MicroProcessingUnit）的芯片上。两个决定CPU性能的重要指标：1）字长字长指的是计算机一次能够并行传送，处理的二进制数的位数。例如：8位机，如51单片机CPU能够处理的二进制数是8位（bit)或一个字节（byte)。16-bit机呢？字长越长，CPU的处理能力越强。2）寻址范围寻址范围决定了CPU能够寻址的最大的数据或程序空间。由地址总线的数目决定。

16根地址线，寻址范围是216字节。即64KB。计算机中210=1024=1K问题：若是一计算机能寻址1MB，则其地址总线有（）根地址线？

2.存储器M

存储器（Memory）是具有记忆功能的部件,用来存储数据和程序。存储器根据其位置不同可分为两类:内存储器和外存储器。内存储器（简称内存）和CPU直接相连,存放当前要运行的程序和数据,故也称主存储器（简称主存）。它的特点是存取速度快,基本上可与CPU处理速度相匹配,但价格较贵,能存储的信息量较小。外存储器（简称外存）又称辅助存储器,主要用于保存暂时不用但又需长期保留的程序和数据。存放在外存的程序必须调入内存才能进行。外存的存取速度相对较慢,但价格较便宜,可保存的信息量大。

存储器M的分类：1.随机存取存贮器（RAM：RandomAccessMemory)

可读可写，使用灵活，断电后，不能保存信息。静态动态2.只读存储器（ROM：ReadOnlyMemory)

存储的信息固定，不易丢失，断电后可以保持信息。不能随时写入信息。掩膜ROM:信息一次也不能改变。可编程的PROM（ProgrammableROM):可写一次，用专门编程器光可擦可编程EPROM（ErasablePROM）：可改写，紫外线。可对整个芯片擦除和改写多次。电可擦可编程EEPROM（ElectricallyEPROM):用电写入或改写，可改写一个或多个字节，可改写多次。3.输入/输出接口（I/O接口）输入/输出（I/O）接口由大规模集成电路组成的I/O器件构成,用来连接主机和相应的I/O设备（如:键盘、鼠标、显示器、打印机等）,使得这些设备和主机之间传送的数据、信息在形式上和速度上都能匹配。不同的I/O设备必须配置与其相适应的I/O接口。4.总线总线（BUS）是计算机各部件之间传送信息的公共通道。微机中有内部总线和外部总线两类。内部总线是CPU内部部件之间的连线。外部总线是指CPU与其它部件之间的连线。外部总线有三种:数据总线DB（DataBus）,地址总线AB（AddressBus）和控制总线CB(ControlBus）。1.6.2计算机软件1.指令：使计算机完成某种基本操作的命令。即规定输入某个特定二进制码时，CPU发出命令完成的一个特定的操作。例：E5H20H（MOVA20H）

CPU发出命令把地址为20H的内部RAM单元中存放的内容传送到累加器A中。因为面向计算机，所以称之为机器语言或机器码。优点：计算机可直接识别，执行速度快缺点：不易记忆，容易出错。2.汇编语言用助记符（英文缩写）来代替操作数。例：MOVA，20H通过人工汇编或自动汇编为机器码执行。助记符和机器码之间一一对应。优点：比机器码容易记忆，理解。面向机器，快。缺点：通用性差。3.高级语言BASIC，FORTRAN，C……..

执行时，需编译或解释为机器语言才能被计算机识别，执行。优点：面向用户，人机界面友好，掌握容易，移植性好。缺点：占内存，执行速度比机器码慢，实时性不好。4.系统软件5.应用软件1.4.6.3基本工作过程根据冯·诺依曼原理构成的现代计算机的工作原理可概括为:存储程序和程序控制。存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列（即程序）及运行中所需的数据,通过一定的方式输入并存储在计算机的存储器中。程序控制是指计算机能自动地逐一取出程序中的一条条指令,加以分析并执行规定的操作。

电源接通，PC=0000H(ProgramCounter)1.取指

1）PC值地址寄存器AR(AddressRegister) 2）（PC）+1PC 3）由AR选中内存单元地址

4）CPU发出读命令

5）指令(代码)通过数据总线送入指令寄存译码器。

2.1MCS-51系列单片机的基本结构一、主要功能概述

MCS－51系列单片机是美国Intel公司在1980年推出的高性能8位单片机，包含51和52两个系列。51系列中主要有8031、8051、8751三种机型，它们指令和引脚完全兼容，仅片内ROM有所不同。1.8位CPU2.片内带振荡器，频率fosc的范围为1.2～12MHz3.128个字节的片内数据存储器4.4K字节的片内程序存储器(8031无)51系列主要功能为：5.程序存储器的寻址范围为64KB6.片外数据存储器的寻址范围为

64KB7.21个字节专用寄存器8.4个8位并行I/O口：P0、P1、

P2、P3

9.1个全双工串行口，可多机通信10.2个16位定时/计数器，中断系统有5个中断源11.111条指令，含乘、除法，有很强的位处理能力12.片内采用单总线结构，单一＋5V

电源

52系列主要有8032、8052两种机型。与51系列不同在于：片内数据存储器增至256个字节，3个16位定时/计数器，6个中断源。二、内部结构MCS-51系列单片机的内部结构如下图所示：P0驱动器RAM地址寄存器RAMEPROM或ROMP2驱动器P0锁存器P2锁存器B寄存器A暂存器2暂存器1SP16位地址寄存器缓冲器PSWALUP1锁存器P1驱动器振荡器P3锁存器P3驱动器PC加1PCDPTR中断系统串行口定时/计数器定时及控制指令寄存器PSENALEEARSTVccVssP0.0～P0.7P2.0～P2.7P1.0～P0.7P3.0～P3.71、运算器

它包含ALU、累加器A、暂存器、寄存器B、程序状态字PSW等功能部件。PSW(程序状态字)为8位D7D6D5D4D3D2D1D0CACF0RS1RS0OV---PC进位标志位

D7有进位或借位时C＝1,否则C＝0AC辅助进位标志

D3有进位或借位时AC＝1，否则AC＝

0，用于BCD运算FO软件标志用户定义，通过软件置位或清零RS1、RS0工作寄存器选择选择四个工作寄存器组中一组投入工作(见后面内容)OV溢出标志作有符号数运算，若结果超过-128

～+127则OV＝1，否则OV＝0P奇偶标志

A中1的个数若为奇数P=1,否则P=0例如：MOVA,#7FHADDA,#4FH0111,1111B+0100,1111B1100,0110B结果:(A)=C6H,C=0,AC=1,OV=1,P=02.控制器

3.片内存储器

4.4个I/O接口

5.串行接口

6.定时/计数器

7.中断系统

8.堆栈指针SP：8位，栈区放在片内RAM内

9.数据指针DPTR：16位，访问片外

ROM、RAM和扩展I/O时用10.振荡器

MCS-51系列单片机内含一个高增益反相放大器，外接晶体便成为自激振荡器，如下图所示：

30pF30pFC1C2XTAL1XTAL2单片机单片机外接晶体的接法

晶体与两个电容C1、C2构成并联谐振。振荡器频率取决于晶体,电容微调，取30pF,电容应尽量靠近单片机芯片安装。三、MCS-51系列单片机引脚图VccP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.6P0.7P0.5EA/VDDALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.3P2.2P2.4P2.1P2.0P1.0P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.6P1.7P1.5RSTVPDRXDP3.0TXDP3.1INT0P3.2INT1P3.3T0P3.4WRP3.6RDP3.7T1P3.5XTAL2XTAL1Vss1220403921............

一般采用双列直插式40引脚(DIP40)封装，也有方形封装，用HMOS工艺制造，也有低功耗CHMOS工艺制造，加“C”识别。部分引脚采用分时复用技术。

1.电源引脚

Vcc：接＋5V电源正极

Vss：接＋5V电源负极，系统数字地

GND2.外接晶体引脚

XTAL1:XTAL2:该两脚连接外接晶体的两脚3.输入输出引脚P0.0～P0.7:可作为准双向I/O口。在接有片外存储器或扩展I/O口时，P0口分时复用为低8位地址总线和8位数据线。

P1.0～P1.7:可作为准双向I/O口。在52系列中还有第二种功能。

P2.0～P2.7:可作为准双向I/O口。在接有片外存储器或扩展I/O口时，P2口用作高8位地址总线。

P3.0～P3.7:可作为准双向I/O口。具有第二种功能，如下图所示：

引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0请求输入端）P3.3INT1（外部中断1请求输入端）P3.4T0（定时器/计数器0脉冲输入端）P3.5T1（定时器/计数器1脉冲输入端）P3.6WR（片外数据存储器写选通信号输出端）P3.7RD（片外数据存储器读选通信号输出端）4.控制线

ALE/PROG:地址锁存有效信号输出端。在访问片外存储器时，其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8位地址.该引脚输出频率为振荡频率fosc的1/6。片内含有EPROM的机型，该脚用作编程脉冲输入端。

PSEN:片外取指信号输出端，仅对程序存储器作用，一般连程序存储器的OE端。

RST/VPD:RST是复位端RESET。Vcc掉电期间，该脚接备用电源VPD，可保存片内

RAM的信息。

EA/VDD:片外程序存储器选用端。该引脚为低电平时只选用片外程序存储器，否则先选用片内程序存储器，对片内含有EPROM

的机型，该脚用作编程电压输入端。功能多/引脚少，许多引脚具有第二功能。AB总线由P0、P2组成16位DB总线由P0分时复用8位CB总线有ALE、PSEN、RST、EA、

INT0、INT1、T0、T1、WR、RD等10根。引脚特点2.2并行输入/输出接口

P0、P1、P2、P3口为4个8位并行I/O接口，共32根，可并行输入或输出8位数据，也可按位操作。一、P0口1.P0口1位的结构原理图如图所示：

V1、V2构成输出驱动器，与门3、反相器4及模拟开关构成输出控制电路，三态门1为输入缓冲器。DQCLKQ&2读锁存器内部总线写锁存器1读信号地址/数据控制信号&3V2V1VccP0.i“0”“1”4P0口1位结构原理图2.P0口的功能(1)地址/数据分时复用总线功能

CPU访问外部存储器，控制信号为“1”，模拟开关打向上面。输出时，将输出地址/数据信息送至V1、V2管输出，当地址/数据信息为“1”，V1截至，V2导通。反之，V1、V2状态相反输入时，执行取指操作或输入数据，地址经V1、V2输出，输入数据经输入缓