第1讲嵌入式系统概述

第1章

嵌入式系统设计基础

§1.1嵌入式系统简介§1.2嵌入式处理器§1.3嵌入式操作系统第1章嵌入式系统设计基础21.1嵌入式系统简介§1.1.1嵌入式系统的定义§1.1.2嵌入式系统的组成§1.1.3嵌入式系统的特点§1.1.4嵌入式系统的应用§1.1.5嵌入式系统的发展第1章嵌入式系统设计基础3什么是嵌入式系统根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：

嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。第1章嵌入式系统设计基础4简单地讲·嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求·专用性：软、硬件按对象要求裁减·计算机：实现对象的智能化功能就是嵌入到对象中的专用计算机系统三要素：嵌入、专用、计算机嵌入式系统的特点:由三要素引出第1章嵌入式系统设计基础5广义地说一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件集合体。即以应用为中心、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、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统发展的最高形式——片上系统（SOC）

第1章嵌入式系统设计基础6嵌入式系统的组成

接口电路处理器系统电路系统专用电路图1.1嵌入式系统的硬件组成嵌入式系统硬件电路一般有3个主要的组成部分：第1章嵌入式系统设计基础7

硬件。处理器；存储器（ROM、RAM）；输入输出设备；其他部分辅助系统完成功能。

应用软件

实时操作系统（Real-TimeOperatingSystem，RTOS）。该系统用来管理应用软件，并提供一种机制，使得处理器分时地执行各个任务并完成一定的时限要求。

第1章嵌入式系统设计基础8应用领域社会经济的发展产生了一些新的需求，同时促进了嵌入式技术的广泛应用中国正在成为世界制造大国，在消费电子、工业应用、军事国防、网络设备等领域都有嵌入式系统的应用第1章嵌入式系统设计基础9嵌入式技术刺激了许多新的应用需求嵌入式技术发展又在不断刺激新的技术产生－信息家电、医疗电子病历、微小型智能武器消费电子嵌入式应用信息家电智能玩具军事电子通信设备移动存贮工控设备智能仪表汽车电子网络设备工业军事国防电子商务网络第1章嵌入式系统设计基础10工业控制、工业设备等机电产品过去在工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统等方面，大部分低端型设备主要采用是８位单片机。

随着技术发展，目前许多设备除了进行实时控制，还须将设备状态，传感器的信息等在显示屏上实时显示。第1章嵌入式系统设计基础11信息家电将成为嵌入式系统最大的应用领域。只有按钮、开关的电器显然已经不能满足人们的日常需求。具有用户界面，能远程控制，智能管理的电器是未来的发展趋势，如冰箱、空调等的网络化、智能化等。信息家电——智能家居第1章嵌入式系统设计基础12办公信息化第1章嵌入式系统设计基础13消费类电子—智能玩具、手持通讯的核心第1章嵌入式系统设计基础14交通管理、环境监测交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。加油站、停车场管理第1章嵌入式系统设计基础15嵌入式Internet应用第1章嵌入式系统设计基础16航天领域第1章嵌入式系统设计基础17未来嵌入式系统的发展趋势●联网成为必然趋势●小尺寸、微功耗和低成本●提供精巧的多媒体人机界面●“无所不在的智能”（AmbientIntelligence，AmI）第1章嵌入式系统设计基础181.2嵌入式处理器§1.2.1嵌入式系统的分类§1.2.2嵌入式处理器的分类§1.2.3ARM微处理器第1章嵌入式系统设计基础19嵌入式系统的分类▲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）▲系统级嵌入▲非实时系统（PDA）▲软实时系统（消费类产品）▲硬实时系统（工业和军工系统）按表现形式分（硬件范畴）：按实时性要求分（软件范畴）：第1章嵌入式系统设计基础201.2.2嵌入式处理器的分类微控制器（MCU）数字信号处理器（DSP）片上系统（SOC）与SOPC微处理器（MPU）第1章嵌入式系统设计基础21MCU（MicroControlUnit)

嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种８位的电子器件，目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、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、EEPROM等各种必要功能和外设。第1章嵌入式系统设计基础22MCU处理能力非常有限MCU微控制器：总线宽度一般为4位、8位或16位，处理速度有限，一般在几个MIPS，进行一些复杂的应用很困难，运行操作系统就更难。第1章嵌入式系统设计基础23MPU嵌入式微处理器（MicroProcessorUnit)MPU嵌入式微处理器最早由通用计算机中的CPU演变而来的，80386－80387

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。

目前，MPU的代表是ARM系列处理器，如ARM系列、Cortex-M系列、Cortex-A系列第1章嵌入式系统设计基础24DSPDSP处理器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，在数字滤波、FFT、频谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。DSP是运算密集处理器，一般用在快速执行算法，做控制比较困难。为了追求高执行效率，不适合运行操作系统，核心代码使用汇编。第1章嵌入式系统设计基础25SOCSOC（片上系统）是IC设计的发展趋势。采用SOC设计技术，可以大幅度地提高系统的可靠性，减少系统的面积和功耗，降低系统成本，极大地提高系统的性能价格比。SOC芯片已经成为提高移动通信、网络、信息家电、高速计算、多媒体应用及军用电子系统性能的核心器件。第1章嵌入式系统设计基础26SOPC——FPGA

用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。第1章嵌入式系统设计基础271.2.3ARM处理器

ARM（AdvancedRISCMachines），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。第1章嵌入式系统设计基础28ARM公司的Chipless模式世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75％以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。我国的中兴集成电路、大唐电讯、中芯国际和上海华虹，以及国外的一些公司如德州仪器、意法半导体、Philips、Intel、Samsung等都推出了自己设计的基于ARM核的处理器。华为麒麟9354个高主频的A53e核心2.2GHz*44个低主频的A53核心1.5G*4A53即Cortex-A53，ARMv864/32-bit第1章嵌入式系统设计基础29高通骁龙8104个高主频的A57核心2GHz*44个低主频的A53核心1.6G*4Cortex-A57/53，ARMv8-A第1章嵌入式系统设计基础30ARM微处理器的特点采用RISC指令集低功耗、低成本、高性能使用大量的寄存器ARM/THUMB指令支持多级流水线第1章嵌入式系统设计基础311.3嵌入式操作系统1.3.1操作系统的概念和分类1.3.2Linux1.3.3

C/OS1.3.4WindowsCE第1章嵌入式系统设计基础32操作系统的概念和分类操作系统（OS，OperatingSystem）:是隐藏底层不同硬件的差异，向在其上运行的应用程序提供一个统一的调用接口。操作系统主要完成三项任务：内存管理、多任务管理和外围设备管理。应用程序操作系统系统界面驱动程序硬件硬件硬件硬件第1章嵌入式系统设计基础33嵌入式操作系统（EmbeddedOperatingSystem）负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度、控制、协调；能够通过加载/卸载某些模块来达到系统所要求的功能。EOS具有以下特点:强稳定性，弱交互性：具有很强的稳定性；较强的实时性：可伸缩性：开放、可伸缩性的体系结构；外设接口的统一性：提供各种设备驱动接口。第1章嵌入式系统设计基础34

操作系统提供的系统服务供应用程序调用，包括：文件系统、内存分配、I/O存取服务、中断服务、任务（Task）服务、时间（Timer）服务等，设备驱动程序（DeviceDriver）则是要建立在I/O存取和中断服务上的。有些嵌入式操作系统也会提供多种通信协议，以及用户接口函数库等。第1章嵌入式系统设计基础35实时操作系统（Real-TimeOperatingSystem，RTOS），是指操作系统本身要能在一个固定时限内对程序调用（或外部事件）做出正确的反应，亦即对时序与稳定性的要求十分严格。目前国际较为知名的有：VxWorks、NeutrinoRTOS、NucleusPlus、OS/9、VRTX、LinuxOS，RTLinux、BlueCatRT等。第1章嵌入式系统设计基础36通用型操作系统：执行性能与反应速度比起实时操作系统，相对没有那么严格。目前较知名的有：WindowsCE、PalmOS、TimeSysLinux/GPL、BlueCatLinux等

嵌入式操作系统的性能通常取决于核心程序，而核心的工作主要在任务管理（TaskManagement）、任务调度（TaskScheduling）、进程间的通信（IPC）、内存管理（MemoryManagement）。第1章嵌入式系统设计基础37Linux嵌入式Linux具有适合于嵌入式系统的特点:

内核精简，高性能、稳定；

良好的多任务支持；

适用于不同的CPU体系架构：支持多种体系架构，如X86、ARM、MIPS、ALPHA、SPARC等；

可伸缩的结构：可伸缩的结构使Linux适合于从简单到复杂的各种嵌入式应用；

外设接口统一：以设备驱动程序的方式为应用提供统一的外设接口；

开放源码，软件资源丰富：广泛的软件开发者的支持，价格低廉，结构灵活，适用面广；

完整的技术文档，便于用户的二次开发。第1章嵌入式系统设计基础38

C/OS-Ⅱ

C/OS-Ⅱ是JeanJ.Labrosse在1990年前后编写的一个实时操作系统内核。

C/OS-Ⅱ只是一个基于优先级调度的抢占式实时内核，其特点：提供任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间通信和同步等基本功能；

没有提供输入输出管理、文