嵌入式系统原理与设计 课件 第一讲 概述

1单片机与嵌入式系统第一讲本次课主要内容一、课程概述教学目标、课程主要知识点、课程安排、考核等。二、嵌入式系统概述嵌入式系统的基本概念、发展、特点、组成、种类、应用、发展趋势等。2一、课程概述1

教学目标2主要知识点3课程内容安排4考核5参考资料6如何学习本课程341.教学目标课程名称：单片机与嵌入式系统定位：专业选修课程教学目标：掌握基本概念、了解本学科动态、开阔学习眼界，使学员对嵌入式系统设计技术有全面的了解，具备一定的设计实践能力，为深入开展相关研究奠定良好的基础。52.课程主要知识点嵌入式系统基本概念；嵌入式系统软硬件设计基础；嵌入式系统软硬件设计方法；嵌入式操作系统的基本概念、基本应用；单片机、ARM的基本应用。63.课程安排第一章嵌入式系统概述 2课时第二章嵌入式硬件系统 2课时第三章单片机原理 12课时第四章嵌入式软件系统及嵌入式操作系统 6课时第五章ARM微处理器及应用 6课时实验课程设计

10课时考试 2课时

共40学时74考核课程考核以“笔试成绩+实验成绩”两方面综合确定成绩。笔试成绩占80%，实验成绩占20%。考试内容以上课内容为主，从中提取考核点。考试采取开卷方式。85参考资料MCS-51单片机原理与应用，自编教材；单片机原理及接口技术，李朝青，北京航空航天大学出版社；单片机C语言程序设计实训100例，彭伟编著，电子工业出版社；51单片机C语言教程，郭天祥编著，电子工业出版社；6如何学习本课程实践性仿真系统、实际开发板基本应用各种接口的应用嵌入式操作系统及其应用必须掌握的软件KeilμVisionProteus9后续应学习的软件PADS-PowerLogic、PowerPCBFPGADSPWinCE、Linux、Vxworks……10二、嵌入式系统概述1.本次课要达到的目标2.生活周围的嵌入式系统3.嵌入式系统的定义与特点4.嵌入式系统的基本结构5.嵌入式系统的发展历史6.嵌入式技术的发展趋势7.创意思维的捕捉、分析与实现8.嵌入式项目开发流程111.本次课的目标熟悉嵌入式系统的构成、术语、基本概念、软硬件开发流程、开发流程、发展趋势。12二、嵌入式系统概述1.本次课要达到的目标2.生活周围的嵌入式系统3.嵌入式系统的定义与特点4.嵌入式系统的基本结构5.嵌入式系统的发展历史6.嵌入式技术的发展趋势7.创意思维的捕捉、分析与实现8.嵌入式项目开发流程132.生活周围的嵌入式系统据统计：欧美国家平均每人拥有的嵌入式处理器数量超过10个。福特公司所出售汽车中所含的处理器的计算能力大于IBM公司出售的计算机的计算能力。14消费类电子：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯等。15智能家居管理系统：社区建筑的水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统等。16社会发展方面：嵌入式Internet应用17汽车电子：汽车电子产品（18个嵌入式控制模块）——CAN总线网络。18VOLVOS80汽车的CAN总线网络智能玩具与机器人19军事侦察20阿富汗参加反恐作战的“赫耳墨斯”价值4万美元，可携带2架摄像机，发挥了很好作用。反恐防暴212002年11月28日，以色列一选举投票点，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。22掌上电脑CPU:intelPXA255400MHzFLASH:64MSDRAM:64MBluetouth影音CompactFlash电源管理红外线接口

事实上，嵌入式系统无外不在，计算机应用技术也开始进入一个被称为后PC技术的春天。23二、嵌入式系统概述1.本次课要达到的目标2.生活周围的嵌入式系统3.嵌入式系统的定义与特点4.嵌入式系统的基本结构5.嵌入式系统的发展历史6.嵌入式技术的发展趋势7.创意思维的捕捉、分析与实现8.嵌入式项目开发流程243.嵌入式系统的定义与特点（1）

嵌入式系统的IEEE定义（2）嵌入式系统的一般定义（3）嵌入式系统的特点（4）嵌入式系统与通用计算机的区别2526（1）

嵌入式系统的IEEE定义IEEE(国际电气和电子工程师协会)定义原文：devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants.

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”。可以看出，此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。27（2）嵌入式系统的一般定义“以应用为中心，以计算机技术为基础，软件、硬件可裁减，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。”根据该定义，嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的MP3、MP4和一个PC104小型工控机都可以认为是嵌入式系统。

总之，嵌入式系统采用“量体裁衣”的方式把所需的功能嵌入到各种应用系统中。嵌入式系统为一种计算机软件与硬件的综合体，特别强调「量身定做」的原则，基于某一种特殊用途上，针对这项用途开发出截然不同的一项系统出来，这就是所谓的客制化(Customized)系统。28它具备了下列四项特性：用来执行特定功能以微电脑与周边构成核心需要严格的时序与稳定度全自动操作循环293030专用性

采用专用的嵌入式处理器 功能算法专用性 系统对用户透明小型化与有限资源结构紧凑处理速度、存储容量、资源有限软件需要专用设备进行更新（3）嵌入式系统的特点3131软硬件协同一体化软件硬件协同设计（Co-design）应用软件与操作系统一体化设计软件开发需要交叉开发环境开发平台：宿主机（Host）执行机：目标机（Target）（4）嵌入式系统与通用计算机的区别一般专用于特定的任务，而PC是一个通用计算机；使用多种类型的处理器；极其关注成本；有实时约束；使用实时多任务操作系统；软件故障造成的后果比PC系统更严重；32大多有功耗约束；经常在极端的环境下运行；系统资源比PC系统少的多；通常所有目标代码存放在ROM/EPROM/EEPROM中；需要专用工具和方法进行开发设计；嵌入式系统的数量远远超过PC。3334通用计算机嵌入式系统形式与类型实实在在的计算机。按其体系结构、运算速度和规模可分为大型机、中型机、小型机和微机“看不见”的计算机，形式多样，应用领域广泛，按应用进行分类组成通用处理器、标准总线和外设、软硬件相对独立面向特定应用的微处理器，总线和外设一般集成在处理器内部，软硬件紧密结合系统资源系统资源充足，有丰富的编译器、集成开发环境、调试器等系统资源紧缺，没有编译器等相关开发工具开发方式开发平台和运行平台都是通用计算机采用交叉编译方式，开发平台一般是通用计算机，运行平台是嵌入式系统二次开发性应用程序可重新编程一般不能重新编程开发发展目标编程功能电脑，普遍进入社会变为专用电脑，实现“普及计算”二、嵌入式系统概述1.本次课要达到的目标2.生活周围的嵌入式系统3.嵌入式系统的定义与特点4.嵌入式系统的基本结构5.嵌入式系统的发展历史6.嵌入式技术的发展趋势7.创意思维的捕捉、分析与实现8.嵌入式项目开发流程354.嵌入式系统的基本结构（1）

嵌入式系统的构架（2）嵌入式系统的硬件组成（3）

嵌入式处理器（4）嵌入式系统的软件组成（5）嵌入式系统的开发模式36

（1）

嵌入式系统的构架嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统（可选），以及用户的应用软件系统等四个部分组成。一个典型的嵌入式系统应用3839嵌入式系统的基本结构应用实例40iphone4手机处理器存储器输入模块输出模块操作系统应用软件（2）嵌入式系统的硬件组成

嵌入式系统的硬件以嵌入式处理器为核心，配置必要的外围接口、外设部件。

一般包括有：嵌入式处理器、存储器、I/O系统和外设。41第二章将详细讨论（3）

嵌入式处理器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。种类极多，目前已超过1000种。43嵌入式处理器的特点对实时多任务有很强的支持能力；具有功能很强的存储区保护功能；可扩展、系列化的处理器结构；通常，嵌入式微处理器功耗很低；高集成度，具有丰富的I/O功能和I/O种类。44主要类型：嵌入式微控制器MCU（MicrocontrollerUnit）嵌入式DSP处理器EDSP(EmbeddedDigitalSignalProcessor)嵌入式微处理器MPU(EmbeddedMicroprocessorUnit)嵌入式片上系统SOC(SystemOnChip)45嵌入式微控制器MCU（MicrocontrollerUnit）嵌入式微控制器将整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯片中。一般以微处理器内核为核心，集成ROM/EPROM、RAM、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、串口、A/D、D/A等各种必要的功能和外设。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。

单片机是嵌入式微控制器的典型代表。46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，占嵌入式系统约70％的市场份额。典型器件包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及MCU8XC930/931、C540、C541等。47嵌入式DSP处理器EDSPDSP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，具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。4870年代出现DSP的理论算法；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，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。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。49目前最为广泛应用的是TI的TMS320C2000/C5000/C6000系列。50嵌入式微处理器（MPU）嵌入式微处理器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，其价格也相应较高。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。51目前主要的嵌入式处理器类型有PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等。52嵌入式片上系统SOCSOC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。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，实现复杂的系统。用户不需要绘制庞大复杂的电路板并进行连接焊制。53只需要使用精确的语言，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。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。54SOC往往是专用的，大部分都不为用户所知，典型的SOC产品是Philips的SmartXA，Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，XilinxAltera等公司推出的FPGA等。55嵌入式处理器小结：驱动层软件操作系统应用软件57

（4）

嵌入式系统的软件驱动层软件中间层为上层软件提供了设备的操作接口。上层程序只需调用驱动程序提供的接口，而不用理会设备具体的内部操作。驱动层软件（中间层）将系统软件与底层硬件部分进行了隔离，使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关。具体包括硬件抽象层HAL及其具体实现：板级支持包BSP。58硬件抽象层HALHAL（HardwareAbstractionLayer）是位于操作系统内核与硬件电路之间的接口层，其目的是将硬件抽象化，可以通过程序来控制所有硬件电路，如CPU、I/O、存储器等的操作，从而使设备驱动程序与硬件无关，提高了系统的可移植性。在定义抽象层时需要根据系统需求规定统一的软硬件接口标准。在功能上应实现相关硬件的初始化、数据的I/O操作、硬件设备的配置操作等功能。59板级支持包BSP

BSP主要是为驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包，从而实现对操作系统的支持。不同操作系统有不同的板级支持包。具体完成：①在系统启动时，完成对硬件的初始化。如对设备的中断、CPU的寄存器和内存区域的分配等进行操作。初始化过程包括：片级初始化板级初始化系统初始化

60②为驱动程序提供访问硬件的手段。如系统是统一编址的，则可以直接在驱动程序中用C语言的函数进行访问。如是单独编址的，只能用汇编语言编写函数进行访问。BSP就是为上层的驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包。61当前，实时操作系统的提供商基本上都要提供性能稳定可靠、可移植性好、可配置性好、规范化的板级支持包。嵌入式系统的开发者只需在原来板级支持包基础上作一定改动，就可以适应性的目标硬件环境。62操作系统

操作系统层包含嵌入式内核、嵌入式TCP/IP网络系统、嵌入式文件系统、嵌入式GUI系统和电源管理等部分。其中嵌入式内核是基础和必备的部分，其他部分要根据嵌入式系统的需要来确定。作为嵌入式系统软硬件资源的管理者，负责系统软硬件资源的调度与分配，保证系统资源被有效合理使用。嵌入式操作系统掩盖了底层硬件的复杂性，提高了软件的开发效率和可维护性。6364嵌入式操作系统非实时操作系统实时操作系统硬实时操作系统软实时操作系统

在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务，会导致系统的全面失败，则系统被称为硬实时系统，如精密车床、导弹发射系统。65

在软实时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命错误，如DV视频播放器，智能家电等。66应用程序应用层软件主要是由多个相对独立的应用任务组成，每个应用任务完成特定的工作，如I/O任务、计算任务和通信任务等，一般由操作系统调度各个任务。应用层要针对不同的应用来编写程序。67嵌入式软件与通用软件的区别？通用软件嵌入式软件特性通用性软件针对特殊应用的软件储存于硬盘上储存于芯片中可容忍出错不允许出错容易更换不容易更换容易被破坏不容易被破坏容易被盗用不容易被盗用68（5）嵌入式系统的开发模式

软件开发过程，从编写程序、编译和运行等过程全都在同一个PC机平台上完成。嵌入式系统开发的代码生成是在PC机上完成，但由于嵌入式目标平台的不同，就要求在开发机上的编译器能支持交叉编译（例如GCC）、链接，然后将程序的代码下载到目标机上指定位置，然后还要交叉调试。调试器运行在宿主机的操作系统上，被调试的程序是在目标机上，通过串口或网络接口相连接。

69主要流程为：编写-交叉编译、链接-定位和下载-调试。嵌入式系统采用这种开发模式主要是自身的特点决定的。交叉编译器(Cross-compiler)：是一种运行在通用计算机上的、但是能够生成在另一种处理器上运行的目标代码的编译器。交叉开发：在一台通用计算机上进行软件编辑、编译，然后下载到嵌入式系统中运行调试。70

开发环境和工具一般使用于开发主机（如微机）的资源，包括语言编译器、连接定位器、调试器等。开发平台一般有4部分组成：硬件平台、操作系统、编程语言和开发工具。注意：嵌入式系统的硬件和软件位于嵌入式系统产品本身，开发工具则独立于嵌入式系统产品之外。71二、嵌入式系统概述1.本次课要达到的目标2.生活周围的嵌入式系统3.嵌入式系统的定义与特点4.嵌入式系统的基本结构5.嵌入式系统的发展历史6.嵌入式技术的发展趋势7.创意思维的捕捉、分析与实现8.嵌入式项目开发流程7273735.嵌入式系统的发展历史1.20世纪70年代普通的微处理器构成嵌入式系统硬件：8080（intel）、6800（Motorola）、Z80（zilog）、单板机软件：汇编语言、宏语言74742.20世纪80年代以微控制器为主构成嵌入式系统硬件：单片机、DSP软件：嵌入式操作系统75753.20世纪90年代至今嵌入式系统的核心处理器多样化硬件：ARM、DSP、FPGA、ASIC等 高速、高精度、低功耗软件：实时多任务操作系统二、嵌入式系统概述1.本次课要达到的目标2.生活周围的嵌入式系统3.嵌入式系统的定义与特点4.嵌入式系统的基本结构5.嵌入式系统的发展历史6.嵌入式技术的发展趋势7.创意思维的捕捉、分析与实现8.嵌入式项目开发流程766.嵌入式技术的发展趋势（1）目前的发展（2）未来发展趋势7778（1）目前的发展经济性要很便宜，让更多的人能买得起；小型化（掌上电脑、PDA）人们携带方便；可靠性（车载VCD，跳动问题);稳定性（矿山安全设备）能够在一般环境条件下或者是苛刻的环境条件下运行；高速度（飞机刹车系统）;实时性（DVD播放系统）能够迅速地完成数据计算或数据传输；智能性（知识推理、模糊查询、识别、感知运动）;实用性使人们用起来更方便。（2）未来发展趋势更好地支持开发的工具和操作系统；联网成为必然趋势；精简系统内核、算法，设备实现小尺寸、微功耗和低成本；提供精巧的多媒体人机界面。79二、嵌入式系统概述1.本次课要达到的目标2.生活周围的嵌入式系统3.嵌入式系统的定义与特点4.嵌入式系统的基本结构5.嵌入式系统的发展历史6.嵌入式技术的发展趋势7.创意思维的捕捉、分析与实现8.嵌入式项目开发流程807.创意思维的捕捉、分析与实现基于RFID与GSM技术的高保密移动硬盘创意来源：科研项目、市场调研可行性分析：产品所处的生命周期（是否导入期或者成长期）市场规模、市场增长性技术可行性学校第十届“创新杯”二等奖82基于RFID与GSM技术的高保密移动硬盘+=信息安全保密的严峻形势1保密移动硬盘的组成架构2本系统已实现的安全防护措施3本设计的创新点4（1）信息安全保密的严峻形势随着移动硬盘的不断普及，它带来的信息安全问题也不断凸显出来。尤其是军工、政府、国有企业等部门的涉密移动硬盘一旦丢失，其中的军事机密，国家重要文件或者企业核心技术等敏感数据极有可能外泄，造成的损失往往无法估量。波耐蒙研究所（PonemonInstitute）最近在一份报道中称公司丢失或被盗电脑的平均成本是49,246美元，其中大部分损失是由于硬盘中的信息泄露造成的。

BaseStation（2）高保密移动硬盘的架构USB2.0涉密存储盘

远程遥控销毁

数据加密存储

涉密数据保存

访问身份认证远程遥控控制模块访问身份认证模块GSMNet组成架构主控MCUSSD模块SSD控制器SATAIIFlashControllerGPIO电源锂电池管理硬件拆动检测电路远程控制模块SIMGSMNetBaseStation硬盘读写锁定模块数据加密模块身份认证模块RFID读写器ToPC接口转换（3）高保密移动硬盘安全防护措施GSM通信绑定防非法访问认证智能销毁数据加密存储五大安全屏障远程遥控销毁

远程遥控销毁

当确认移动硬盘丢失或失控后，可通过与移动硬盘一一绑定的手机发送短息或打入电话彻底销毁保密移动硬盘中的所有数据。数据安全防护两大特色数据访问认证保密移动硬盘默认情况下不为电脑所识别。当需要使用时，必须通过与保密硬盘一一对应的RFID密钥卡才能解锁对保密移动硬盘的数据读写。涉密存储盘读写访问认证远程遥控销毁四种数据防护措施智能销毁防非法拆动销毁远程控制模块涉密存储盘电脑开机X涉密存储盘远程控制模块数据智能销毁远程控制模块涉密存储盘硬盘掉电定时器锂电池PC涉密存储盘远程控制模块X数据销毁RFID访问认证数据智能销毁（4）本设计的创新点高保密移动硬盘普通硬盘RFID认证及加密GSM远程监控不可恢复的数据销毁方式快速的数据销毁速度智能销毁功能92二、嵌入式系统概述1.本次课要达到的目标2