嵌入式系统概述.ppt

1、嵌入式系统原理与设计,许毅平 ,为什么要学习嵌入式系统,后PC时代：嵌入式产品 嵌入式系统应用于各个行业 IT行业 IT以外的行业与IT的融合,相关课程,先导课程 C语言 微机原理 计算机操作系统 需要了解的基础知识 了解操作系统、微机原理的基本概念，能够熟练使用C语言。,参考教材 嵌入式系统原理与设计，徐端全，北京航空航天大学 网络资源 嵌入式资讯网， 嵌入式365网， 嵌入式联盟， 嵌入式开发论坛， 21IC中国电子网， 深圳市英蓓特信息技术有限公司 嵌入式开发网， 嵌入式世界网， 嵌入式控制技术研究室 ， ,课程特点,综合性：涉及电子、计算机、自动控制等诸多专业知识，综合性强，可包括微机

2、原理、单片机设计、操作系统等课程内容。嵌入式系统是软件、硬件设计的完美结合； 基础性：可作为计算机、电工电子、自动控制等专业的基础平台课。,课程要求,平时：20% 考试：80%,计算机基本概念,计算机是能按照指令对各种数据进行自动加工处理的电子设备； 完整的计算机系统包括：硬件和软件两个部分,计算机技术发展,计算机技术发展：电子管计算机（ 19461957 ）、晶体管计算机（ 19581964 ）、集成电路计算机（ 19651970 ）、大规模集成电路计算机（ 1970至今） 通用计算机（个人PC、服务器等）不局限特定应用，根据配置的硬件和软件不同实现不同功能。 大量的设备需要采用计算机，实现

3、数据采集、自动控制、信息处理的功能，专用于完成特定功能的计算机就是嵌入式计算机,嵌入式系统定义,嵌入式微处理器在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含了510个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、网卡、Modem、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制。在制造工业、过程控制、通讯、仪器仪表、汽车、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。 嵌入式系统与一般的PC机应用系统不同，不同的嵌入式系统彼此之间差别也很大。嵌入式系统一般功能单一，简单，在兼容性方面要求不高，但是在大小、成本方面限制较多。 人们可从

4、不同的角度来理解嵌入式系统，描述嵌入式系统，还没有绝对权威和统一的定义。,嵌入式系统定义,国内的嵌入式系统定义： 以应用为中心、计算机技术为基础，采用可剪裁软硬件，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。（从技术角度）,IEEE的嵌入式系统定义: 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” devices used to control、monitor or assist the operation of equipment、machinery or plants。 (从应用对象上加以定义，涵盖了软、硬件及辅助机械设备。）,嵌入式系统特点,嵌入式

5、系统具有应用针对性； 嵌入式系统硬件一般对扩展能力要求不高； 一般采用专门针对嵌入式应用设计的中央处理器； 嵌入式系统中不一定都有操作系统； 嵌入式系统一般有实时性要求； 嵌入式系统一般有较高的成本控制要求 ； 嵌入式系统软件一般有固化的要求； 嵌入式系统软件一般采用交叉开发的模式； 嵌入式系统在体积、功耗、可靠性、环境适应性上一般有特殊要求； 嵌入式系统技术标准化程度不高。,嵌入式系统与通用计算机系统,根据用途可以把计算机分成两大类：通用计算机和嵌入式计算机 通用计算机发展方向是计算速度的无限提升、总线带宽的无限扩展、存储容量的无限扩大。 嵌入式系统发展方向是提高嵌入性能、提高控制能力和控制

6、的可靠性,嵌入式系统起源,第一个公认的现代嵌入式系统是麻省理工大学开发的阿波罗导航计算机 第一个大批量生产的嵌入式系统是1961年发布的在民兵I型导弹上的自动导航控制计算机,嵌入式系统的发展,计算机可以实现数据采集、信息处理、自动控制等功能，将专门设计的计算机集成到传统设备中，可显著提高设备的性能； 嵌入式系统在数量上远远超过了以PC机为代表的通用计算机； 计算机是认识世界的工具，而嵌入式系统则是改造世界的产物。,嵌入式系统发展 - 第一阶段,以单芯片为核心的可编程控制器系统。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言程序对系统进行直接控制，运行结

7、束后清除内存。 二十世纪七十年代 1971年11月，世界上第一片微处理器理器Intel 4004，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的 8080/8085、8086、Motorola的6800、68000、Zilog的 Z80、Z8000系列化、模块化的单板计算机。 主要特点：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，当时在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远远不能适应现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。,嵌入式系统发展 - 第二阶段,以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为

8、核心的嵌入式系统。 二十世纪八十年代 Intel进一步完善了8048，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 主要特点：CPU种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。,嵌入式系统发展 - 第三阶段,以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。 二十世纪九十年代至今 硬件方面，尤其是芯片方面的发展表现出：低功耗、多功能集成、体积小和成本低的特点； 软件方面,

9、嵌入式操作系统出现了进一步的分化，诞生了一些嵌入式操作系统家族。 跨平台的软件开发技术从通用计算机上延展到嵌入式设备上 主要特点：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口（API），开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。,嵌入式系统发展 - 第四阶段,以嵌入式Internet为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。 目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展以及Internet技术

10、与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。,嵌入式系统发展方向,开发平台完备化 嵌入式系统开发涉及系统设计、硬件设计、软件设计各个方面，有较大的技术难度。一般有厂家或第三方提供的软件、硬件开发环境。 嵌入式系统网络化 几乎所有电子产品都有数据通信的需求，越来越多的嵌入式系统具有网络功能，包括有线网络或无线网络。 系统集成度不断提高、性能不断提高 友好的人机界面,嵌入式系统分类（按位宽）,按处理器位宽可将嵌入式系统分为4位、8位、16位、32位系统。一般情况下，位宽越大，性能越强 通用计算机处理器，因为要追求尽可能高的性能，在发展历程

11、中总是高位宽处理器取代、淘汰低位宽处理器 千差万别的应用对处理器要求也大不相同，因此不同性能处理器都有各自的用武之地,嵌入式系统分类（按有无OS）,有操作系统的嵌入式系统 有操作系统支持的情况下，嵌入式系统的任务管理、内存管理、设备管理、文件管理等都由操作系统完成，并且操作系统为应用软件提供丰富的编程接口，用户应用软件开发可以把精力都放在具体的应用设计上。 无操作系统（裸机）的嵌入式系统 功能单一的嵌入式系统中，如基于8051单片机嵌入式系统，硬件平台很简单，系统不需要支持复杂的显示、通信协议、文件系统、多任务的管理等，这种情况下可以不用操作系统,嵌入式系统分类（按实时性）,软实时系统 从统计

12、的角度看，一个任务能够得到确保的处理时间，到达系统的事件也能够在截止期限前得到处理，但截止期限条件没得到满足时并不会带来致命的系统错误。 硬实时系统 系统要确保在最坏情况下的服务时间，即对事件响应时间的截止期限必须得到满足，如果一个事件在规定期限内不能得到及时处理则会导致致命的系统错误。,嵌入式系统分类（按应用）,消费类电子产品 过程控制类产品 信息、通信类产品 智能仪器、仪表产品 航空、航天设备与武器系统 公共管理与安全产品 生物、医学微电子产品,嵌入式系统应用,航空航天 国防电子 数字家庭 工业自动化 汽车电子,仪器仪表 生物、医学科技 消费电子 无线通讯 电力系统 . . . . . .

13、,嵌入式系统无处不在,嵌入式系统应用情况,1国外情况 美国：水平较高 日本：较普及 欧洲共同体：较好 新加坡：一般,2国内情况 内地：一般 台湾：较好 香港：较高 澳门：一般,嵌入式系统主要应用领域1,国防工业、军事工业、兵器工业：各种武器控制（火炮控制、导弹控制、智能炸弹制导引爆装置）、坦克、舰艇、轰炸机等陆海空各种军用电子装备，雷达、电子对抗军事通信装备，野战指挥作战用各种专用设备等。我国嵌入式计算机最早用于导弹控制。,嵌入式系统主要应用领域2,信息家电、民用设备：各种信息家电产品，如数字电视机、机顶盒，数码相机，VCD、DVD音响设备，可视电话，家庭网络设备，洗衣机，网络冰箱，网络空调，

14、智能玩具，其他消费类电子产品等。,嵌入式系统主要应用领域3,工业：各种智能测量仪表、智能卡、数控装置、可编程控制器、控制机、分布式控制系统、现场总线仪表及控制系统、工业机器人、智能机器人、智能传感器、机电一体化机械设备、车载导航器、汽车电子设备、车辆与交通工程等。,嵌入式系统主要应用领域4,商业：各类收款机、电子秤、条形码阅读机、商用终端、银行点钞机、IC卡输入设备、取款机、自动柜员机、自动服务终端、防盗系统、各种银行专业外围设备、智能金融器具、远程教育。,嵌入式系统主要应用领域5,办公自动化：复印机、打印机、传真机、扫描仪、其他计算机外围设备、掌上电脑、激光照排系统、安全监控设备、媒体手机、

15、移动电话、寻呼机、个人数字助理（PDA）、变频空调设备、通信终端、程控交换机、网络浏览器、网络设备（路由器、交换机、Web server、网络接入盒等）、网络工程、录音录象及电视会议设备、数字音频广播系统等。,嵌入式系统主要应用领域6,医疗保健设备：各种医疗电子仪器，X光机、超声诊断仪、计算机断层成像系统、心脏起博器、监护仪、辅助诊断系统、远程医疗、专家系统等。 其他领域：农业技术、光学系统、气象预报、卫星通信网、数字通信、移动数据库、语音处理。,社会发展方面：嵌入式Internet应用,手机中的嵌入式系统,手机（三星S500）中的嵌入式系统,手机（三星S500）中的嵌入式系统,汽车中的嵌入式

16、系统,汽车中的嵌入式系统,嵌入式系统的组成,嵌入式系统是具有应用针对性的专用计算机系统，应用时作为一个固定的组成部分“嵌入”在应用对象中； 不同的嵌入式系统在功能、性能、体系结构、外观等方面可能存在很大的差异； 计算机原理的角度看，嵌入式系统包括硬件和软件两个组成部分。 嵌入式硬件以芯片、模板、组件、控制器形式埋藏于设备内部。 嵌入式软件是实时多任务操作系统和各种专用软件，一般固化在ROM或闪存中，包括： 中间层 系统软件层 应用软件层,典型嵌入式系统结构,1.嵌入式计算机系统的硬件层,硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用设备接口和I/O接口（A/D、D

17、/A、I/O等）。 硬件层通常是一个以嵌入式处理器为中心的，包含有电源电路、时钟电路和存储器电路的电路模块，其中操作系统和应用程序都固化在模块的ROM中。,（1）嵌入式微处理器,嵌入式微处理器是嵌入式系统硬件层的核心，嵌入式微处理器将通用PC机中的CPU和各种接口集成到芯片内部，有利于系统设计趋于微型化、高效率和高可靠性。为特定用途专门设计。 嵌入式微处理器的体系结构可采用冯诺依曼体系结构或哈佛体系结构，指令系统可选用精简指令系统（RISC）或复杂指令集系统（CISC）。 嵌入式微处理器有各种不同的体系，目前全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，体系结构有30多个系列，其中主流的体系有AR

18、M、MIPS、PowerPC、X86和SH等。即使在同一体系中，也可以具有不同的时钟频率、数据总线宽度、接口和外设。嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。,（2）存储器,嵌入式系统的存储器包含Cache、主存储器和辅助存储器。 Cache是一种位于主存储器和嵌入式微处理器内核之间的快速存储器阵列，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。使处理速度更快，实时性更强。Cache集成在嵌入式微处理器内，可分数据Cache、指令Cache或混合Cache。 主存储器存放系统、用户程序和数据。主存储器有ROM和RAM类，位于微处理器的内部或外部。常用的ROM类存储器有NOR Fla

19、sh、EEPROM等，RAM类存储器有SRAM、DRAM和SDRAM等，容量为256KB1GB。 辅助存储器指硬盘、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等，存放大容量的程序代码或信息，容量较大，但读取速度较慢。,（3）通用设备接口和I/O接口,嵌入式系统通常具有与外界交互所需要的各种通用设备接口，如： GPIO（通用I/O接口） A/D（模/数转换接口） D/A（数/模转换接口） RS-232接口（串行通信接口） Ethernet（以太网接口） USB（通用串行总线接口） I2C IIS（音频接口） VGA视频输出接口 CAN（现场总线） SPI（串行外围设备接口） IrDA（红外线接

20、口）等。,2中间层,中间层也称为硬件抽象层（HAL）或板级支持包（BSP），位于硬件层和软件层之间，将系统上层软件与底层硬件分离开。 BSP具有以下两个特点： 操作系统相关性 ：BSP作为上层软件与硬件平台之间的接口，需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。不同的操作系统具有各自的软件层次结构，BSP需要为不同的操作系统提供特定的硬件接口形式。BSP使上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据BSP层提供的接口即可进行开发。 硬件相关性： BSP是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。BSP一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出

21、操作和硬件设备的配置等功能。 完整的BSP需要完成两部分工作： 嵌入式系统的初始化：片级初始化、板级初始化和系统级初始化 设计硬件相关的设备驱动。,（1）嵌入式系统硬件初始化,系统初始化过程按照自底向上、从硬件到软件的次序依次可分为片级初始化、板级初始化和系统级初始化3个主要环节。 片级初始化是一个纯硬件的初始化过程，包括设置微处理器的核心寄存器和控制寄存器、工作模式、局部总线模式等，把微处理器设置成系统所要求的工作状态； 板级初始化包含软、硬件的初始化过程，完成微处理器以外硬件设备的初始化，设置软件的数据结构和参数，为系统级初始化和应用程序的运行建立硬件和软件环境； 系统级初始化主要是操作系

22、统初始化。BSP将控制权转交给嵌入式操作系统，由操作系统完成余下的初始化，包含加载和初始化与硬件无关的设备驱动程序，建立系统内存区，加载并初始化如网络系统、文件系统等系统软件模块。最后，操作系统创建应用程序环境，并将控制权交给应用程序的入口。,（2）硬件相关的设备驱动程序,BSP中包含硬件相关的设备驱动程序，但是这些设备驱动程序通常不直接由BSP使用，而是在系统初始化过程中由BSP将他们与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来，并在随后的应用中由通用的设备驱动程序调用，实现对硬件设备的操作。,硬件抽象层（HAL，Hardware Abstraction Layer）,为了便于操作系统在不同硬件结

23、构上进行移植，美国微软公司首先提出了将底层与硬件相关的部分单独设计成硬件抽象层美国微软公司提出了将操作系统底层与硬件相关的部分单独设计成硬件抽象层HAL的思想。硬件抽象层的引入大大推动了嵌入式操作系统的通用程度，为嵌入式操作系统的广泛应用提供了可能。 硬件抽象层通过硬件抽象层接口向操作系统以及应用程序提供对硬件进行抽象后的服务。当操作系统或应用程序使用硬件抽象层API进行设计时，只要硬件抽象层API能够在下层硬件平台上实现，那么操作系统和应用程序的代码就可以移植。,为何需要BSP,BSP相对x86架构是单一确定的，不需要做任何修改就可以很容易支持OS在x86上正常运行，所以在PC机上谈论BSP

24、这个概念也没什么意义了。 而对嵌入式系统来说情况则完全不同，目前市场上多种结构的嵌入式CPU（RISC)并存(PPC,ARM,MIPS.)，为了性能的需要，外围设备也会有不同的选择和定义。一个嵌入式操作系统针对不同的CPU，会有不同的BSP，即使同一种CPU，由于外设的差别（如外部扩展DRAM的大小，类型改变），BSP相应的部分也不一样。所以根据硬件设计编写和修改BSP，保证系统正常的运行是非常重要的。,BSP和PC机主板上的BIOS区别,BSP和PC机主板上的BIOS区别很大，BIOS主要是负责在电脑开启时检测、初始化系统设备（设置栈指针，中断分配，内存初始化.）、装入操作系统并调度操作系统

25、向硬件发出的指令，它的固件代码是在芯片生产过程中固化的，一般来说用户是无法修改。其实是为下载运行操作系统做准备，把操作系统由硬盘加载到内存，并传递一些硬件接口设置给系统。在OS正常运行后，BIOS的作用基本上也就完成了，这就是为什么更改BIOS一定要重新关机开机。 PC机BIOS的作用更象嵌入式系统中的Bootloader（最底层的引导软件,初始化主板的基本设置，为接收外部程序做硬件上的准备）。与Bootloader不同的是BIOS在装载OS系统的同时，还传递一些参数设置（中断端口定义，.)，而Bootloader只是简单的装载系统。 BSP是和操作系统绑在一起运行在主板上的，尽管BSP的开始

26、部分和BIOS所做的工作类似，可是大部分和BIOS不同，作用也完全不同。此外BSP还包含和系统有关的基本驱动（串口，网口.)，程序员还可以编程修改BSP，在BSP中任意添加一些和系统无关的驱动或程序，甚至可以把上层开发的统统放到BSP中。 而BIOS程序是用户不能更改，编译编程的，只能对参数进行修改设置。更不会包含一些基本的硬件驱动。,3.系统软件层,系统软件层通常包含： 实时多任务操作系统（Real-time Operation System，RTOS） 文件系统 图形用户接口（Graphic User Interface，GUI） 网络系统 通用组件模块组成。 RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。,嵌入式系统设计流程,1系统需求分析 确定设计任务和设计目标，提练设计规格说明书，作为设计指导和验收的标准。系统需求一般包括功能性需求和非功能性需求两方面。功能性需求是系统的基本功能，如输入输出信号、操作方式等；非功能性需求包括系统性能、成本、功耗、体积、重量等因素。 2体系结构设计 描述系统如何实现所述的功能性和非功能性需求，包括对硬件、软件和执行装置的功能划分以及系统的软件、硬件选型等。一个好的体系结构是设计成功与否的关键。,嵌入式系统设计流程,3硬件/软件设计（硬件、软件、执行装置并行设计） 基于体系结构，对系统的软件、硬件进行详细设计。为了缩短产品开发周