第1章 嵌入式系统概述

嵌入式系统及应用电气工程系高辉办公室：图书馆166电气工程系Email：gaohui2005@163.com课程简介

课程性质（考试-闭卷）课时安排：36（理论知识）+12（上机）成绩评定：

期末（50%）＋实验（20%）＋平时（30%）教材：1.高锋《单片微型计算机原理与接口技术》(第3版)科学出版社2.顾亦然等《嵌入式系统及应用》自编教材参考书：金敏等《嵌入式系统——组成、原理与设计编程》人民邮电出版社课程内容

第一部分80S51单片机（21+4）课时基本结构指令系统与程序设计中断系统、定时器/计数器及串行口单片机系统扩展与系统综合应用实例第二部分嵌入式系统（15+8）课时硬件基础软件基础

ARM体系结构

ARM指令集与程序设计嵌入式系统开发基础第1章嵌入式系统概述1.1嵌入式系统的发展及应用1.2嵌入式系统的定义、组成与特点1.3嵌入式系统的种类1.4单片机概述1.5本章小结、习题1.1嵌入式系统的发展及应用

计算机系统的分类嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的发展史1.1.1计算机系统的分类图1-1传统计算机系统分类金字塔

微型计算机

小型机

中型机

大型机

超级计算机

1．传统计算机分类

通用计算机系统:具有计算机的标准形态，可以装配不同的应用软件，以雷同面目出现并应用在各个领域。

嵌入式(计算机)系统:以嵌入的形式隐藏在各种设备、产品或系统中。2．以应用为中心的分类1.1.2嵌入式系统的应用概况

1．在应用数量上嵌入式系统远远超过了通用计算机系统平均每个家庭使用40个嵌入式处理器平均每个汽车需要35个嵌入式处理器

2001年，Gartner估计存在70亿嵌入式处理器

70亿嵌入式处理器占据了94%处理器市场

IntelPentium、MotorolaPowerPC等通用处理器，仅占6%的处理器市场1.1.2嵌入式系统的应用概况2．在应用领域方面图1-2常见消费类产品

消费产品(ConsumerProduct)

图1-3智能消费类产品图1-4工程机械智能控制器

工业控制

(IndustryControl)图1-5汽车电子产品图1-6地震中救命的通信设备

通信设备

(Telecommunication)图1-7穿刺肿瘤医疗仪器

智能仪器(IntelligentInstrument)图1-8智能玩具机器人机器人(Robot)

图1-9基于WinCE的移动机器人平台图1-10基于RTLinux的仿人机器人图1-111997年4月在火星表面登陆的火星探测器（基于VxWorks）图1-122004年“勇气号”再次登陆火星图1-14阿富汗战争中的军事电子设备

军事电子设备和现代武器图1-15军用机器人（2002年11月28日，以色列一举投票点发生枪击事件，造成至少7人死亡、数十人受伤。以警方用机器人在检查一具巴勒斯坦枪手的尸体）

图1-16高性能武器平台图1-17高性能武器平台图1-18太空科学

太空科学自助点菜系统自助点菜系统

嵌入式系统前景广阔社会

新的电子产品，尤其消费电子产品发展及其迅速！嵌入式市场广阔，但人才短缺学生嵌入式系统需要软硬件综合知识需要更全面的系统知识和领域知识更容易找到工作1.1.3嵌入式系统的发展史1．二十世纪七十年代

1971年11月，世界上第一片微处理器Intel4004

嵌入式应用发展最重要的里程碑。其后相继推出了许多8位、16位的微处理器

Intel

8080/8085、

8086

Motorola

6800、68000

Zilog

Z80、Z8000系列化、模块化的单板计算机2．二十世纪八十年代

80年代初，出现了单片机Intel进一步完善了8048，在它的基础上研制成功了8051单片机其后发展的

DSP产品更快地提升了嵌入式系统的技术水平

1981年，第1个商业嵌入式实时内核(VTRX32)

随后，出现了一些嵌入式操作系统1.2嵌入式系统的定义、组成与特点

嵌入式系统的定义嵌入式系统的组成与体系结构嵌入式系统的基本特征1.2.1嵌入式系统的定义1．IEEE的定义【定义1-1】嵌入式系统是一种用于控制、监视或者辅助操作机器设备的装置（Devicesusedtocontrol，monitor，orassisttheoperationofequipment，machineryorplants）【定义1-2】嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统，可分为系统级、板级、片级。系统级：各种类型的工控机板级：各种类型的带CPU的主板、PC104片级：各种以单片机、DSP、微处理器为核心的产品2．微机学会的定义【定义1-3】嵌入式系统（EmbeddedSystem）是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。3．一般定义1.2.2嵌入式系统的组成与体系结构1．嵌入式系统的组成图1-19嵌入式系统组成

2．嵌入式系统的体系结构框架图1-20嵌入式系统体系结构框架

1.2.3嵌入式系统的基本特征

专用性小型化与有限资源系统软硬件设计的协同一体化软件开发需要交叉开发环境1.3嵌入式系统的种类

按实时性能分类按软件结构分类

1.3.1按实时性能分类按是否具有实时性能分为嵌入式非实时系统嵌入式实时系统(1)嵌入式非实时系统嵌入式非实时系统的正确性仅仅依赖于计算处理的逻辑结果，与结果产生的时间无关这类系统主要应用于科学计算和一般实时性要求不高的场合，如掌上电脑、电子词典等(2)嵌入式实时系统嵌入式实时系统是能够对外部事件在限定时间内做出及时响应的嵌入式系统这类系统在嵌入式系统中占有很大比例，如过程控制、数据采集、通信等领域嵌入式实时系统除具有嵌入式系统的基本特征外，还具有以下重要特点：①实时性②可靠性①实时性衡量嵌入式实时系统的性能主要有以下性能指标：确定性（Determinism）确定性要求系统对外部事件的响应时间必须是确定的和可重复的，不管当时系统内部状态如何，都是可预测的。该性能指标反映系统对运行情况的最好和最坏等情况做出精确估计的能力。它是实时系统最重要的性能指标之一。

响应时间（ResponseTime）

系统从识别一个外部事件到做出响应的时间。是最重要的性能指标之一。对不同的控制过程有不同的响应时间要求：对于慢变化过程，具有几分钟甚至更长的响应时间都可以认为是实时的对于快速过程，其响应时间可能要求达到毫秒、微秒、纳秒级甚至更短。

生存时间（SurvivalTime）是数据有效等待时间，在这段时间里数据是有效的吞吐量（Throughput）

是在一段给定时间内，系统可以处理的事件总数为实现以上实时性能的要求，嵌入式系统一般采用如下方式：采用高速硬件。如高速处理器、高速A/D、D/A等

利用嵌入式处理器提供的中断功能

需要嵌入式实时操作系统（RTOS）的支持

应用程序代码量小、执行速度快②

可靠性

硬件平台的可靠性 体现在对硬件平台的EMC电磁兼容性能、防震性能、防水性能的要求。例如：往往选择工业级甚至军品级嵌入式处理器

软件采用固态化存储只读存储器或电子盘而不是磁盘等机械类访问载体FLASH高密度、高效率、高可靠性

减小体积、提高速度、防震性能和使用寿命

软件具有出错处理和自动复位功能应用程序采用特殊的容错和出错处理措施具有故障诊断和修复能力在运行死机之后自动恢复先前的运行状态。1.3.2按软件结构分类按软件结构分类为嵌入式单线程系统嵌入式循环轮询系统有限状态机嵌入式事件驱动系统嵌入式前后台系统嵌入式多任务系统嵌入式多处理器系统嵌入式单线程系统包括循环轮询系统有限状态机适用场合：常见于小型、简单的嵌入式应用，其编程简单且易于理解，但系统的确定性不能保证(1)嵌入式单线程系统（EmbededSingle-threadSystem）①嵌入式循环轮询(PollingLoop)系统在该系统中，程序依次检查系统的每一个输入条件，一旦条件成立就进行相应的处理。状态转换图：图1-21有限状态机示意图

②有限状态机(FSM，FiniteStateMachine)

是能对外部事件直接响应的系统包括:

嵌入式前后台系统嵌入式多任务系统嵌入式多处理器系统(2)嵌入式事件驱动系统（EmbededEvent-drivenSystem）①嵌入式前后台(Foreground/Backgroud)系统该系统又称为嵌入式中断驱动系统系统组成后台是一个循环轮询系统，一直处于运行状态，通常又称主程序；前台是由一些中断处理过程组成的。

运行方式图1-22嵌入式前后台系统运行方式

当有一前台事件

(外部事件)发生时将引起中断，暂时中止后台运行，转入进行前台处理，处理完成后又回到后台继续运行。②嵌入式多任务（Multitask）系统

适用场合对于一个复杂的嵌入式系统而言，当采用中断处理程序加一个后台主程序这种软件结构难以实时、准确、可靠地完成系统功能时，或存在一些相关或不相关的过程需要在一个系统中同时处理时，就需要采用嵌入式多任务系统。

运行机制图1-23嵌入式前多任务系统示意图

系统由多个任务、中断处理过程和嵌入式操作系统组成。每个任务按顺序或优先级执行的，并行性、任务间的相互通信和同步需要操作系统的支持完成

适用场合当某些工作用单个处理器来处理难以完成时，就需要使用多个处理器同时处理运行机制多个任务可以分别放在不同的处理器上执行，宏观上看是并发的，微观上看也是并发的③嵌入式多处理器/多核系统1.4单片机概述嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit，MCU)

－－单片机定义：单片计算机是把微型计算机主要基本功能部件：CPU、RAM/ROM、I/O及其它有关部件都集成在一个芯片上的单芯片计算机。由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又叫单片微控制器（SingleChipMicrocontroller）。MCU特点单片化

一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成了各种必要的功能和外设

由于单片机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

嵌入式系统的主流，占据了嵌入式系统大约70%的市场份额产地：Intel1976.9:MCS-48单片机、8748/8048/80351985:8031/8051/87518031：128bytes内部RAM，2个16位定时/计数器，32位并行I/O口，一个全双工串行口，21个特殊功能寄存器

64K空间的可扩展外部数据RAM64K空间的可扩展外部程序存贮器空间8051：片内4KPROM8751：片内4KEPROMMCS-51系列单片机概述8032/8052：比8031/8051仅增加了一个定时/计数器，把片内的ROM、RAM增加一倍，其余相同87C51/80C51/80C31：CHMOS制造工艺，既具CMOS低功耗，又具HMOS高速，高封装密度等特点，具掉电保护和冻结运行两种独特的处理方式。(1)智能化产品：如通信产品：小型交换机、电话计费、114

保安产品：防盗报警器、防火报警器等

(2)智能化测控系统：如流量计、声纳测速测距仪、烟气分析仪等

(3)智能化仪表：频谱分析仪等

(4)机电一体化产品：如数控机床、电传打印机等。

(5)智能化接口：磁盘驱动器、键盘管理等

(6)智能化消费类电子产品：如微波炉、变频空调、洗衣机等MCS51单片机应用范围

在单片机中尽可能多地把应用所需的存储器、各种功能的I/O口都集成在一块芯片内，使单片机的功能更加强大。如把LED、L