《嵌入式系统及其实践教程》课件课程讲义1-嵌入式系统概述

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）。嵌入式计算系统嵌入式计算系统是一个较泛的定义一个非桌面通用计算机的任何计算系统一个嵌入了电子元器件的计算系统一个利用应用对象的特点而专门设计的计算系统，即用户化专用计算系统。嵌入式计算系统一般对系统功能、价格、功耗、体积、速度等有严格的限制，要求对系统环境变化作出实时的快速反应。MCU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。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。DSPDSP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。SOCSOC（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。SPOC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。操作系统/嵌入式操作系统Linux/UNIXWindows/Windows7MacWindowsCE/MobileAndoidSymbian(NOKIA)Brew(Qualcomm)Palm(Palm&HP)BlackBerryOS

AVOS(Amlogic)等等通信72％计算机12％军品4％工业3％仪器2％消费类2％办公自动化2％第1章绪论1.1嵌入式系统的概念1.2嵌入式系统的特点1.3嵌入式系统的硬件1.4嵌入式系统的软件1.5嵌入式系统的开发及工具1.6嵌入式系统的发展与分类1.7嵌入式系统的应用1.1嵌入式系统的概念嵌入式系统的组成1.1.1嵌入式系统的定义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。微机学会的定义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。国内一般定义嵌入式系统是以应用为中心，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、功耗要求专用计算机系统。

1.1.1嵌入式系统的定义嵌入式系统举例1.1.2通用计算机系统与嵌入式系统通用计算机系统组成通用计算机系统组成与微控制器1.1.2通用计算机系统与嵌入式系统最小系统法嵌入式系统和通用计算机系统区别1.2嵌入式系统的特点嵌入性专用性计算机系统软件代码高质量、高可靠性软件固态化存储实时性低功耗集成性1.2嵌入式系统的特点器件兼容性1.3嵌入式系统的硬件通用处理器GPP（GeneralPurposeProcessor）专用指令集处理器（ASIP）附加处理的专用处理器一个FPGA核多核处理器和多处理器处理器（Processor）是IC（IntegratedCircuit）芯片的形式，可以是专用集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit,ASIC）或SoC（SystemonChip）中的一个核。1.3.1嵌入式处理器1.3.1嵌入式处理器微控制器（MCU）数字信号处理器（DSP）网络处理器特定领域可编程处理器等专用指令集处理器（ASIP）微控制器（“单片机”或“微计算机”）单片微型计算机SCM（Singlechipmicrocomputer）阶段微控制器MCU（Microcontrollerunit）阶段片上系统（SoC）指令集和IP核1.3.2嵌入式存储器与外设1、嵌入式易失性存储器2、嵌入式非易失性存储器3、输入/输出设备4、外围接口1.4嵌入式系统的软件嵌入式系统的软件（简称嵌入式软件）

包括嵌入式应用程序、可选的操作系统和中间件以及支撑软件。支撑软件

包括嵌入式系统的开发、下载、生产与调试工具等。本书亦将嵌入式软件分为

嵌入式系统设备端软件

（PC端）支撑软件。1.4.1嵌入式软件编写1、用机器语言编写软件2、用特定汇编语言编写软件3、用高级语言编写软件1.4.2嵌入式系统设备端软件1、板级支持包2、嵌入式操作系统3、中间件4、应用软件1.5嵌入式系统的开发及工具1、嵌入式编译器2、交叉编译与重定向编译器3、嵌入式系统的软件工具1.5.1嵌入式编译器编译器（Compiler），是能够阅读一种源语言（SourceLanguage）并转换为另一种等价目标语言（TargetLanguage）的系统软件1.5.1嵌入式编译器虽然，针对通用处理器的编译器设计和优化已经较为成熟，但针对嵌入式编译器需要考虑嵌入式系统诸如指令集形式、有限资源与低功耗等特殊性。1.5.2交叉编译与重定向编译器1.5.2交叉编译与重定向编译器

交叉编译环境借助于处理器资源丰富的Host主机（宿主机，一般为PC机，含操作系统及各种工具），使用特定的编译工具将LanguageA语言编写的程序翻译成可以运行于嵌入式设备Target平台（目标平台）的LanguageC语言程序，从而完成应用程序的开发，其中LanguageB是编写编译工具的语言。

这种在主机平台为目标平台生成可执行程序的方式叫做交叉编译，具有这种功能的编译器则称之为交叉编译器（CrossCompiler）。1.5.2交叉编译与重定向编译器

交叉调试是在主机上借助编译器和调试工具直接调试目标机上的代码，通常需要通过USB，JTAG等工具连接目标机器。

可重定向编译器采用可扩展的处理器模型作为编译器的输入，通过修改目标处理器的模型产生相应的目标代码而不需要重新修改到编译器的原代码框架。

可重定向编译器，不仅其能够支持大量的目标体系结构，而且能够适应嵌入式特点生成高效，低功耗的目标代码，且利于其维护升级。目前，已经出现的可重定向编译器有GCC，LCC编译器，美国NCI（NationalCompilerInfrastructure）项目SUIF和Zephyr编译器等。GCC编译器是嵌入式系统广泛使用的编译器，将作为本书讨论的重点1.5.3嵌入式系统的软件工具1.6嵌入式系统的发展与分类1、以微控制器为代表的第一阶段2、以数字信号处理器为代表的第二阶段3、以嵌入式SoC为代表的第三阶段4、嵌入式双核处理器和嵌入式多核处理器发展趋势1.6.1嵌入式处理器的发展20世纪70年代，Intel公司推出第一个微处理器4004，与此同时，将微型机嵌入到具体的应用对象体中以区别于原有的通用计算机系统，即为早期的嵌入式系统。嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，其经历了由早期依托通用处理器（如80x86）技术到独立发展的过程，大致经历的如下几个发展阶段。1.6.2嵌入式软件的发展

嵌入式软件从层次上看，包括板级支持包、嵌入式操作系统、中间件和应用软件。本节重点讨论嵌入式操作系统及其发展。

通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。

嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点嵌入式操作系统一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统，如WindRiver公司的VxWorks、ISI的pSOS、QNX系统软件公司的QNX、ATI的Nucleus等。另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，这类产品包括个人数字助理(PDA)、移动电话、机顶盒、电子书、WebPhone等，如WindowCE/Mobile，Android等。另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，这类产品包括个人数字助理(PDA)、移动电话、机顶盒、电子书、WebPhone等，如WindowCE/Mobile，Android等。1、无操作系统嵌入算法的第一阶段2、简单监控式操作系统的第二阶段3、通用嵌入式操作系统的第三阶段4、基于Internet的嵌入式操作系统嵌入式操作系统上的应用1.6.3嵌入式系统的分类

1、按处理器位宽分类2、按控制技术的复杂度分类3、按实时性分类4、按应用分类1.7嵌入式系统的应用

1、信息家电2、交通管理3、商业领域4、工业控制5、环境工程与自然6、机器人

习题1. 什么是嵌入式系统？嵌入式系统的特点是什么？2. 嵌入式系统的发展经历了哪几个阶段？3. 嵌入式系统未来的发展趋势是什么？4. 简述嵌入式处理器的分类及各自的主要特点5. 简述嵌入式软件的结构及各组成部分的主要特点。6. 按控制技术的复杂度，嵌入式系统可以分为哪几类？7. 编译器在嵌入式系统软件开发中的作用和地位?8. 什么是