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1、第2章嵌入式系统基本概念第1页，本讲稿共84页2.1 嵌入式硬件系统 嵌入式系统的硬件系统是由嵌入式处理器、存储器、嵌入式系统的硬件系统是由嵌入式处理器、存储器、I/O接口电路、通信模块以及其他外部设备组成的。接口电路、通信模块以及其他外部设备组成的。嵌入式处理器嵌入式处理器是核心；是核心；存储器存储器是重要组成部分；是重要组成部分；附属电路附属电路：如时钟电路、复位电路、调试电：如时钟电路、复位电路、调试电路、监视定时器、中断控制电路等；路、监视定时器、中断控制电路等；嵌入式系统通常还包括嵌入式系统通常还包括人机交互界面人机交互界面，用于，用于系统与用户的交互。系统与用户的交互。第2页，本讲
2、稿共84页2.1.1 嵌入式处理器 嵌入式微处理器一般具备四个特点：嵌入式微处理器一般具备四个特点：对实时和多任务有很强的支持能力；对实时和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；具有功能很强的存储区保护功能；可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处理器；满足应用的高性能的嵌入式微处理器；嵌入式处理器的功耗必须很低，尤其是用嵌入式处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能为耗只能为mW
3、mW甚至甚至WW级。级。第3页，本讲稿共84页2.1.1 嵌入式处理器嵌入式系统中的处理器通常分为四大类：嵌入式系统中的处理器通常分为四大类：微处理器（微处理器（Micro-Processor UnitMicro-Processor Unit，MPUMPU）微控制器（微控制器（Micro-Controller UnitMicro-Controller Unit，MCUMCU）数字信号处理器（数字信号处理器（Digital Signal ProcessorDigital Signal Processor，DSPDSP）嵌入式片上系统（嵌入式片上系统（System On ChipSystem On
4、 Chip，SoCSoC）第4页，本讲稿共84页2.1.1 嵌入式处理器1.嵌入式微处理器嵌入式微处理器嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本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，但是在电路板上必须低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为
5、装在一块电路板上，称为单板计算机单板计算机。第5页，本讲稿共84页2.1.1 嵌入式处理器2.嵌入式微控制器嵌入式微控制器 嵌入式微控制器又称嵌入式微控制器又称单片机单片机，顾名思义，就，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成存储器（少量核为核心，芯片内部集成存储器（少量ROM/EPROM、RAM或两者都有）、总或两者都有）、总线、总线逻辑、定时线、总线逻辑、定时/计数器、计数器、WatchDog、I/O、串行口等各种必要功能模块。、串行口等各种必要功能模
6、块。第6页，本讲稿共84页2.1.1 嵌入式处理器2.嵌入式微控制器嵌入式微控制器和嵌入式微处理器相比，微控制器的和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特最大特点点是单片化，体积大大减小，从而使功耗是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。和成本下降、可靠性提高。第7页，本讲稿共84页2.1.1 嵌入式处理器3.嵌入式数字信号处理器嵌入式数字信号处理器 嵌入式数字信号处理器对系统结构和指令进行嵌入式数字信号处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、
7、在数字滤波、FFT、谱分析等方面、谱分析等方面DSP算法正算法正在大量进入嵌入式领域，在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通应用正从在通用单片机中以普通指令实现用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡功能，过渡到采用嵌入式到采用嵌入式DSP。第8页，本讲稿共84页2.1.1 嵌入式处理器4.嵌入式片上系统嵌入式片上系统一般认为一般认为SoC具有以下特点：具有以下特点：SoC应由可设计重用的应由可设计重用的IP核组成，核组成，IP核是具核是具有复杂系统功能的能够独立出售的有复杂系统功能的能够独立出售的VLSI块；块；IP核应采用深亚微米以上工艺技术；核应采用深亚微米以上工艺技术；SoC中可以有
8、多个中可以有多个MPU、DSP、MCU或或其复合的其复合的IP核。核。第9页，本讲稿共84页2.1.2 存储器存储器的存储器的物理实质物理实质是一组或多组具备数据是一组或多组具备数据输入输出和数据存储功能的集成电路，用输入输出和数据存储功能的集成电路，用于存放计算机工作所必须的数据和程序。于存放计算机工作所必须的数据和程序。嵌入式处理器在运行时，大部分总线周期嵌入式处理器在运行时，大部分总线周期都是用于对存储器的读都是用于对存储器的读/写操作，因此，存写操作，因此，存储器子系统性能的好坏将在很大程度上影储器子系统性能的好坏将在很大程度上影响嵌入式系统的响嵌入式系统的整体性能整体性能。第10页，
9、本讲稿共84页2.1.2 存储器在嵌入式系统中最常用的存储器类型分为在嵌入式系统中最常用的存储器类型分为三类：三类：随机存取的随机存取的RAM;只读的只读的ROM;介于两者之间的混合存储器。介于两者之间的混合存储器。第11页，本讲稿共84页2.1.2 存储器嵌入式系统中常用的存储器类型 第12页，本讲稿共84页2.1.2 存储器1.随机存储器随机存储器(Random Access Memory，RAM)RAM能够随时在任一地址读出或写入内容。能够随时在任一地址读出或写入内容。RAM的的优点优点是读是读/写方便、使用灵活；写方便、使用灵活；RAM的的缺点缺点是不能长期保存信息，一旦停电，是不能长
10、期保存信息，一旦停电，所存信息就会丢失。所存信息就会丢失。RAM用于二进制信息的临时存储或缓冲存储。用于二进制信息的临时存储或缓冲存储。第13页，本讲稿共84页2.1.2 存储器RAM主要有两大类存储设备，即静态主要有两大类存储设备，即静态RAM（SRAM）和动态和动态RAM（DRAM）。两者都是易失性存储器，它）。两者都是易失性存储器，它们之间的最大差别是存储于其中的数据的寿命。们之间的最大差别是存储于其中的数据的寿命。SRAM的存储单元电路是以双稳态电路为基础的存储单元电路是以双稳态电路为基础的，因此状态稳定，只要不掉电，信息就不的，因此状态稳定，只要不掉电，信息就不会丢失。会丢失。DRA
11、M的存储单元是以电容为基础的，电路简的存储单元是以电容为基础的，电路简单，集成度高，功耗小，但单，集成度高，功耗小，但DRAM即使不掉即使不掉电也会因电容放电而丢失信息，需要定时电也会因电容放电而丢失信息，需要定时刷新。刷新。第14页，本讲稿共84页2.1.2 存储器2.只读存储器只读存储器(Read-Only Memory，ROM)ROM中存储的数据可以被任意读取，断电后，中存储的数据可以被任意读取，断电后，ROM中的数据仍保持不变，但不可以写入中的数据仍保持不变，但不可以写入数据。数据。ROM在嵌入式系统中非常有用，常常用来存放在嵌入式系统中非常有用，常常用来存放系统软件（如系统软件（如R
12、OM BIOS）、应用程序等不随）、应用程序等不随时间改变的代码或数据。时间改变的代码或数据。ROM存储器按发展顺序可分为：存储器按发展顺序可分为：掩膜掩膜ROM、可编程可编程ROM（PROM）和和可擦写可编程可擦写可编程ROM（EPROM）。第15页，本讲稿共84页2.1.2 存储器3.混合存储器混合存储器混合存储器既可以随意读写，又可以在断电混合存储器既可以随意读写，又可以在断电后保持设备中的数据不变。混合存储设备可后保持设备中的数据不变。混合存储设备可分为三种：分为三种：EEPROMNVRAMFLASH 第16页，本讲稿共84页2.1.2 存储器（1）EEPROMEEPROM是电可擦写可
13、编程存储设备，与是电可擦写可编程存储设备，与EPROM不同的是不同的是EEPROM是用电来实现数是用电来实现数据的清除，而不是通过紫外线照射实现的。据的清除，而不是通过紫外线照射实现的。EEPROM允许用户以字节为单位多次用电擦允许用户以字节为单位多次用电擦除和改写内容，而且可以直接在机内进行，除和改写内容，而且可以直接在机内进行，不需要专用设备，方便灵活，常用作对数据、不需要专用设备，方便灵活，常用作对数据、参数等经常修改又有掉电保护要求的数据存参数等经常修改又有掉电保护要求的数据存储器。储器。第17页，本讲稿共84页2.1.2 存储器（2）NVRAMNVRAM通常就是带有后备电池的通常就是
14、带有后备电池的SRAM。当电。当电源接通的时候，源接通的时候，NVRAM就像任何其他就像任何其他SRAM一样，但是当电源切断的时候，一样，但是当电源切断的时候，NVRAM从从电池中获取足够的电力以保持其中现存的内电池中获取足够的电力以保持其中现存的内容。容。NVRAM在嵌入式系统中使用十分普遍，它最大在嵌入式系统中使用十分普遍，它最大的缺点是价格昂贵，因此，它的应用被限制于的缺点是价格昂贵，因此，它的应用被限制于存储仅仅几百字节的系统关键信息。存储仅仅几百字节的系统关键信息。第18页，本讲稿共84页2.1.2 存储器（3）FlashFlash（闪速存储器，简称闪存）是不需要（闪速存储器，简称闪
15、存）是不需要Vpp电压信号的电压信号的EEPROM，一个扇区的字节可以，一个扇区的字节可以在瞬间（与单时钟周期比较是一个非常短的在瞬间（与单时钟周期比较是一个非常短的时间）擦除。时间）擦除。Flash比比EEPROM优越的方面是，可以同时擦优越的方面是，可以同时擦除许多字节，节省了每次写数据前擦除的时除许多字节，节省了每次写数据前擦除的时间，但一旦一个扇区被擦除，必须逐个字节间，但一旦一个扇区被擦除，必须逐个字节地写进去，其写入时间很长。地写进去，其写入时间很长。第19页，本讲稿共84页各种存储器特性的比较存储器类型易失性可重复编程擦除大小最大擦除次数成本（/字节）速 度SRAM是是字节无限制
16、高快DRAM是是字节无限制适中适中只读ROM 否否不能擦除无低快PROM否用编程器可写一次不能擦除无适中快EPROM否是整个芯片有限制*适中快EEPROM否是字节有限制*高读取快，擦除和写入慢Flash否是扇区有限制*适中读取快，擦除和写入慢。重编程需要SRAM。NVRAM否是字节无限制高(SRAM+电池)快第20页，本讲稿共84页2.1.2 存储器5.嵌入式系统存储子系统的结构嵌入式系统存储子系统的结构在实际的嵌入式系统中，常常采用分级的方法来在实际的嵌入式系统中，常常采用分级的方法来设计整个存储器子系统。把全部存储系统分为设计整个存储器子系统。把全部存储系统分为四级，它们在存取速度上依次递
17、减，而在存储四级，它们在存取速度上依次递减，而在存储容量上逐级递增。容量上逐级递增。寄存器组寄存器组高速缓存高速缓存内存内存外存外存第21页，本讲稿共84页分级存储器系统 分级存储器系统 第22页，本讲稿共84页2.1.2 存储器6.嵌入式系统中存储器的选择嵌入式系统中存储器的选择当软件设计者编写好程序，并且当软件设计者编写好程序，并且ROM映像已映像已经准备好以后，系统的硬件设计者就需要决经准备好以后，系统的硬件设计者就需要决定使用哪些类型的存储器设备，每一种设备定使用哪些类型的存储器设备，每一种设备的大小为多少。的大小为多少。为嵌入式系统选择存储器类型时，需要考虑为嵌入式系统选择存储器类型
18、时，需要考虑一些设计参数，包括微控制器的选择、电一些设计参数，包括微控制器的选择、电压范围、电池寿命、读写速度、存储器尺压范围、电池寿命、读写速度、存储器尺寸、存储器的特性、擦除寸、存储器的特性、擦除/写入的耐久性以写入的耐久性以及系统总成本等。及系统总成本等。第23页，本讲稿共84页2.1.3 外围设备除了处理器和存储器，嵌入式系统硬件中除了处理器和存储器，嵌入式系统硬件中还包含一些相关的硬件设备，称为外围设还包含一些相关的硬件设备，称为外围设备。外设可分为两种类型，即内部外设和备。外设可分为两种类型，即内部外设和外部外设。外部外设。内部外设内部外设与处理器集成在同一块芯片上；与处理器集成在
19、同一块芯片上；外部外设外部外设与处理器不在同一块芯片上。与处理器不在同一块芯片上。根据外围设备的功能可分为：通信接口、根据外围设备的功能可分为：通信接口、I/O设备、设备扩展接口、电源及辅助设备设备、设备扩展接口、电源及辅助设备等。等。第24页，本讲稿共84页2.1.3 外围设备1.通信接口通信接口嵌入式系统的通信接口可以分为有线传输和无嵌入式系统的通信接口可以分为有线传输和无线传输两种。线传输两种。有线传输接口有线传输接口包括传统的包括传统的RS-232接口（串行接口（串行UART接口）、通用串行总线（接口）、通用串行总线（USB）接口、）接口、快速数据传输接口快速数据传输接口IEEE 13
20、94、CAN总线、以总线、以太网接口等；太网接口等；无线传输接口无线传输接口包括红外线（包括红外线（IrDA）、）、GSM、GPRS与蓝牙接口等。与蓝牙接口等。第25页，本讲稿共84页通信接口（1）UART UART提供了提供了RS-232C数据终端设备接口，这数据终端设备接口，这样计算机就可以和调制解调器或其他使用样计算机就可以和调制解调器或其他使用RS-232C接口的串行设备进行通信。接口的串行设备进行通信。在嵌入式系统软件开发调试时，常常通过在嵌入式系统软件开发调试时，常常通过UART来进行各种输入来进行各种输入/输出操作。输出操作。第26页，本讲稿共84页通信接口（2）USB接口接口通
21、用串行总线（通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）是是1995年年Microsoft、Compaq、IBM等公司等公司联合制定的一种新的计算机串行通信协议。联合制定的一种新的计算机串行通信协议。USB是一种快速的、双向的、低价的并且可是一种快速的、双向的、低价的并且可以进行热插拔的新型串行接口技术，支持以进行热插拔的新型串行接口技术，支持各种各种PC与外设之间的连接。与外设之间的连接。第27页，本讲稿共84页通信接口（3）以太网接口）以太网接口嵌入式系统中实现以太网接口有两种方法：嵌入式系统中实现以太网接口有两种方法：一是采用嵌入式处理器与网卡芯片的组合。该方法一是采
22、用嵌入式处理器与网卡芯片的组合。该方法通用性强，不受处理器的限制，但是，处理器和网通用性强，不受处理器的限制，但是，处理器和网络数据交换通过外部总线实现，速度慢、可靠性不络数据交换通过外部总线实现，速度慢、可靠性不高，并且电路板布线复杂。高，并且电路板布线复杂。另一种方法是直接采用带有以太网接口的嵌入式处另一种方法是直接采用带有以太网接口的嵌入式处理器。这种方法要求嵌入式处理器有通用的网络理器。这种方法要求嵌入式处理器有通用的网络接口，如接口，如MII。处理器和网络数据交换通过内部总。处理器和网络数据交换通过内部总线实现，因此速度快，实现简单。线实现，因此速度快，实现简单。第28页，本讲稿共8
23、4页通信接口（4）红外线）红外线 红外线收发模块主要由三部分组成，包括一个红红外线收发模块主要由三部分组成，包括一个红外线发光二极管、一个硅晶外线发光二极管、一个硅晶PIN光电二极管和光电二极管和一个控制电路。一个控制电路。其中的其中的红外线发光二极管红外线发光二极管就是发射红外线波的就是发射红外线波的单元，发射的红外线波长在单元，发射的红外线波长在0.85到到0.9微米之微米之间，间，硅晶硅晶PIN光检二极管光检二极管用于接收红外线信用于接收红外线信号，所接收到的信号会传送到号，所接收到的信号会传送到控制电路控制电路中，中，再传送到嵌入式系统微处理器进行数据处理或再传送到嵌入式系统微处理器进
24、行数据处理或数据存储。数据存储。第29页，本讲稿共84页通信接口（5）蓝牙接口（）蓝牙接口（Bluetooth）蓝牙是一种低带宽、低功耗、近距离的传输蓝牙是一种低带宽、低功耗、近距离的传输协议。协议。蓝牙的工作在蓝牙的工作在2.4022.480GHz频段，它采用频段，它采用了跳频扩频了跳频扩频FHSS，在，在79个信道上每秒钟个信道上每秒钟1600次跳频，查寻状态时，跳变速率为每秒次跳频，查寻状态时，跳变速率为每秒3200跳，有效地降低了干扰。跳，有效地降低了干扰。蓝牙模块主要由三部分组成：无线传输收发蓝牙模块主要由三部分组成：无线传输收发单元、基频处理单元以及数据传输接口。单元、基频处理单元
25、以及数据传输接口。第30页，本讲稿共84页通信接口蓝牙模块架构图 第31页，本讲稿共84页2.1.3 外围设备2.输入输入/输出设备输出设备嵌入式系统通常还包括输入嵌入式系统通常还包括输入/输出设备，用于输出设备，用于系统与用户的交互。系统与用户的交互。嵌入式系统中输入设备一般包括触摸屏、语音识嵌入式系统中输入设备一般包括触摸屏、语音识别、按键、键盘和虚拟键盘等，输出设备主要别、按键、键盘和虚拟键盘等，输出设备主要有有LCD显示和语音输出。显示和语音输出。第32页，本讲稿共84页输入/输出设备（1）触摸屏）触摸屏 触摸屏按其技术原理可分为触摸屏按其技术原理可分为5类：矢量压力传类：矢量压力传感
26、器式、电阻式、电容式、红外线式和表面声感器式、电阻式、电容式、红外线式和表面声波式。波式。第33页，本讲稿共84页输入/输出设备电阻触摸屏电阻触摸屏的工作部分由三部分组成：两的工作部分由三部分组成：两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极。离层、电极。第34页，本讲稿共84页输入/输出设备电容式触摸屏电容式触摸屏是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂一层和夹层各涂一层ITO，最外层是只有，最外层是只有0.0015mm厚的矽厚的矽土玻璃保护层，夹层土玻璃保护层，夹层ITO涂层作工作面，四个角引出涂层作工作面，
27、四个角引出四个电极，内层四个电极，内层ITO为屏层以保证工作环境。为屏层以保证工作环境。当用户触摸电容屏时，手指会吸收一个很小的电流，这当用户触摸电容屏时，手指会吸收一个很小的电流，这个电流分别从屏的四个角上的电极中流出，且理论上流个电流分别从屏的四个角上的电极中流出，且理论上流经四个电极的电流与手指头到四角的距离成比例，控制经四个电极的电流与手指头到四角的距离成比例，控制器通过对四个电流比例的精密计算，得出位置。器通过对四个电流比例的精密计算，得出位置。第35页，本讲稿共84页输入/输出设备电感式触摸屏电感式触摸屏的工作原理是在触摸笔中安装的工作原理是在触摸笔中安装LC谐振线圈，谐振线圈，通
28、过改变与安装有激励线圈及感应线圈的触摸屏之间的通过改变与安装有激励线圈及感应线圈的触摸屏之间的空间距离，使电磁场发生变化从而计算出触点的位置。空间距离，使电磁场发生变化从而计算出触点的位置。这种触摸屏是安装在液晶显示屏的后面，而普通的电阻式这种触摸屏是安装在液晶显示屏的后面，而普通的电阻式和电容式触摸屏需要安装在液晶显示屏的前面，因此使用和电容式触摸屏需要安装在液晶显示屏的前面，因此使用电感式触摸屏，输入笔不必接触屏幕，可以减少对屏幕的电感式触摸屏，输入笔不必接触屏幕，可以减少对屏幕的磨损，提高输入的灵敏度。磨损，提高输入的灵敏度。第36页，本讲稿共84页三种触摸屏技术的比较 触摸屏类型工作原
29、理触摸方式安装方式 透明度 易用性电阻式 电压测量 笔、手指点压 显示屏前 一般好电容式 电容耦合金属笔尖、手指接触显示屏前比电阻式好一般电感式 电磁谐振 笔尖接近感应 显示屏后 好好第37页，本讲稿共84页输入/输出设备（2）LCD接口接口嵌入式系统中多数采用液晶显示器（嵌入式系统中多数采用液晶显示器（LCD，Liquid Crystal Display），），LCD是一种低成是一种低成本、低功率的器件，既可显示文字，又可显示本、低功率的器件，既可显示文字，又可显示图像。图像。LCD显示器根据其工作原理可分为反射式、显示器根据其工作原理可分为反射式、吸收式（又称透视式）吸收式（又称透视式）L
30、CD显示器。显示器。第38页，本讲稿共84页输入/输出设备反射式反射式LCD的基本原理是：首先入射光线通过的基本原理是：首先入射光线通过一个偏极化板，接着偏极化的光遇到液晶材料，一个偏极化板，接着偏极化的光遇到液晶材料，如果激活液晶材料的部分区域，则如果激活液晶材料的部分区域，则LCD材料的材料的分子整齐排列，使偏极化光能穿过分子整齐排列，使偏极化光能穿过LCD材料，材料，否则光线无法通过，最后通过液晶材料的光否则光线无法通过，最后通过液晶材料的光线碰到一面镜子而反射回来，因此，激活的线碰到一面镜子而反射回来，因此，激活的部分区域亮起来。部分区域亮起来。第39页，本讲稿共84页输入/输出设备吸
31、收式吸收式LCD的工作原理类似，但使用黑色表的工作原理类似，但使用黑色表面而不使用镜子，该黑色表面在激活区域下面而不使用镜子，该黑色表面在激活区域下面，可以吸收光线，因而显得比其他区域暗。面，可以吸收光线，因而显得比其他区域暗。第40页，本讲稿共84页2.1.3 外围设备3.设备扩展接口设备扩展接口 扩展设备很多，但所采用的扩展接口却大同小扩展设备很多，但所采用的扩展接口却大同小异。异。PC机内存卡国际联合会机内存卡国际联合会(PCMCIA)建立一个省建立一个省电、小体积的整合性电子卡片的标准，提高移电、小体积的整合性电子卡片的标准，提高移动计算机的互换性。根据该标准生产的外形如动计算机的互换
32、性。根据该标准生产的外形如信用卡大小的产品叫做信用卡大小的产品叫做PCMCIA卡卡（也称（也称PC卡）。卡）。其他常用的扩展卡还有各种其他常用的扩展卡还有各种CF卡卡、SD卡卡、Memory Stick等。等。第41页，本讲稿共84页2.1.3 外围设备4.电源及辅助设备电源及辅助设备电源是电子产品中一个组成部分，为了使电电源是电子产品中一个组成部分，为了使电路性能稳定，往往还需要稳定电源。设计者路性能稳定，往往还需要稳定电源。设计者要根据产品的要求来选择合适的电源。要根据产品的要求来选择合适的电源。嵌入式系统力求外观小型化、质量轻以及电嵌入式系统力求外观小型化、质量轻以及电源使用寿命长，因此
33、，目前电源及辅助设备源使用寿命长，因此，目前电源及辅助设备发展的目标是体积小、易携带和外观设计新发展的目标是体积小、易携带和外观设计新颖等，尤其是在便携式嵌入式系统的应用中。颖等，尤其是在便携式嵌入式系统的应用中。第42页，本讲稿共84页主要内容2.1 嵌入式硬件系统嵌入式硬件系统2.2 嵌入式软件系统嵌入式软件系统2.3 嵌入式系统的基本设计过程嵌入式系统的基本设计过程2.4 本教程选择的软硬件平台本教程选择的软硬件平台第43页，本讲稿共84页2.2 嵌入式操作系统 2.2.1 嵌入式操作系统的发展嵌入式操作系统的发展 嵌入式操作系统通常包括与硬件相关的底层嵌入式操作系统通常包括与硬件相关的
34、底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通驱动软件、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。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嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，与通用操作系统相比较，嵌入式操作系点，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、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。为突出的特点。第44页，本讲稿共84页2.2.1 嵌入式操作系统的发展阶段嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展，大致经嵌入式操作系统伴随着
35、嵌入式系统的发展，大致经历了四个阶段：历了四个阶段：第一阶段：第一阶段：无操作系统的嵌入算法阶段无操作系统的嵌入算法阶段，以单芯，以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。应用于监测、伺服、指示设备相配合的功能。应用于一些专业性极强的工业控制系统中，通过汇编一些专业性极强的工业控制系统中，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。系统结构和功能都相对单一，处理效除内存。系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。率较低，存储容量较小，几
36、乎没有用户接口。第45页，本讲稿共84页2.2.1 嵌入式操作系统的发展阶段第二阶段：第二阶段：以嵌人式以嵌人式CPU为基础、简单操作系为基础、简单操作系统为核心的嵌入式系统统为核心的嵌入式系统。由于。由于CPU种类繁多，种类繁多，因此通用性比较差；系统开销小，效率高；因此通用性比较差；系统开销小，效率高；一般配备系统仿真器，操作系统具有一定的一般配备系统仿真器，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。及监控应用程序运行。第46页，本讲稿共84页
37、2.2.1 嵌入式操作系统的发展阶段第三阶段：第三阶段：通用的嵌入式实时操作系统阶段通用的嵌入式实时操作系统阶段。以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统，以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统，能运行于各种类型的微处理器上，兼容性能运行于各种类型的微处理器上，兼容性好；内核精小、效率高，具有高度的模块好；内核精小、效率高，具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备化和扩展性；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用户界面等功能；具有大量的应用程序接口（口（API）；嵌入式应用软件丰富。）；嵌入式应用软
38、件丰富。第47页，本讲稿共84页2.2.1 嵌入式操作系统的发展阶段第四阶段：第四阶段：以基于以基于Internet为标志的嵌入式系为标志的嵌入式系统统。这是一个正在迅速发展的阶段。随着。这是一个正在迅速发展的阶段。随着Internet的发展以及的发展以及Internet技术与信息家电、技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与备与Internet的结合将代表着嵌入式技术的真的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。正未来。第48页，本讲稿共84页2.2 嵌入式操作系统2.2.2 嵌入式实时操作系统的分类嵌入式实时操作系统的分类嵌入式实时操作系统最主
39、要的特征是性能上的嵌入式实时操作系统最主要的特征是性能上的实时性，也就是说，系统的正确性不仅依赖实时性，也就是说，系统的正确性不仅依赖于计算的逻辑结果，也依赖于结果产生的时于计算的逻辑结果，也依赖于结果产生的时间。间。常用的嵌入式常用的嵌入式RTOS分三大类：分三大类：商用系统商用系统、专专用系统用系统和和开放系统开放系统。第49页，本讲稿共84页2.2.2 嵌入式实时操作系统的分类1.商用系统商用系统商品化的嵌入式实时操作系统，主要有商品化的嵌入式实时操作系统，主要有WindRiver的的Vxworks和和pSOS+，3Com的的Palm OS以及以及Microsoft的的Windows C
40、E等。等。它们的优点是功能可靠、稳定，技术支持和售它们的优点是功能可靠、稳定，技术支持和售后服务比较完善，辅助工具比较齐全，而且后服务比较完善，辅助工具比较齐全，而且提供了高端嵌入式系统要求的许多功能。提供了高端嵌入式系统要求的许多功能。缺点是价格昂贵，而且源代码封闭，影响了开缺点是价格昂贵，而且源代码封闭，影响了开发者学习和使用的积极性。发者学习和使用的积极性。第50页，本讲稿共84页2.2.2 嵌入式实时操作系统的分类2.专用系统专用系统 一些专业厂家为本公司产品特制的嵌入式操作系一些专业厂家为本公司产品特制的嵌入式操作系统，仅供应用开发者使用。统，仅供应用开发者使用。这些操作系统功能相对
41、较弱，但针对性强，这些操作系统功能相对较弱，但针对性强，其安全可靠性大都超过普通商用系统。其安全可靠性大都超过普通商用系统。例如，由摩托罗拉、西门子和诺基亚等几家大例如，由摩托罗拉、西门子和诺基亚等几家大型移动通讯设备商合作研制的应用于手机的型移动通讯设备商合作研制的应用于手机的嵌入式操作系统嵌入式操作系统SymbianOS。第51页，本讲稿共84页2.2.2 嵌入式实时操作系统的分类3.开放系统开放系统 这是近年来发展迅速的一类操作系统，其典型这是近年来发展迅速的一类操作系统，其典型代表是嵌入式代表是嵌入式Linux和和 C/OS-。由于应用系统开发者可以免费获得这些系统由于应用系统开发者可
42、以免费获得这些系统的源代码，因而降低了开发难度。的源代码，因而降低了开发难度。但其缺点也非常明显，功能简单，技术支持差，但其缺点也非常明显，功能简单，技术支持差，系统稳定性也相对较差。因此，它们对开发系统稳定性也相对较差。因此，它们对开发者的要求较高。者的要求较高。第52页，本讲稿共84页2.2 嵌入式操作系统2.2.3 嵌入式实时操作系统的可裁剪性及其嵌入式实时操作系统的可裁剪性及其实现实现 所谓操作系统的可裁剪性（可配置性），就是一所谓操作系统的可裁剪性（可配置性），就是一个规模大且功能齐全的操作系统，在结构上保个规模大且功能齐全的操作系统，在结构上保证了用户可在其中有选择地保留某些模块，
43、而证了用户可在其中有选择地保留某些模块，而删减掉一些模块的性能。删减掉一些模块的性能。所谓的配置方法有两种：一种是在系统进行所谓的配置方法有两种：一种是在系统进行编译连接时进行配置；另一种是在系统运行编译连接时进行配置；另一种是在系统运行时进行配置。时进行配置。第53页，本讲稿共84页2.2 嵌入式操作系统2.2.4 常用的实时操作系统常用的实时操作系统1.VxWorks VxWorks操作系统是美国操作系统是美国WindRiver公司为分布式环公司为分布式环境设计的具备网络功能的实时操作系统。境设计的具备网络功能的实时操作系统。VxWorks拥有良好的持续发展能力、高性能的内核以拥有良好的持
44、续发展能力、高性能的内核以及良好的用户开发环境，在实时操作系统领域内占及良好的用户开发环境，在实时操作系统领域内占据一席之地。它以良好的可靠性和卓越的实时性被据一席之地。它以良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中。术及实时性要求极高的领域中。第54页，本讲稿共84页2.2.4 常用的实时操作系统2.QNX QNX是一个实时的、可扩充的操作系统；它部分遵循是一个实时的、可扩充的操作系统；它部分遵循POSIX相关标准，如相关标准，如POSIX.1b实时扩展；它提供了实时扩展；它提供了一个很小的微
45、内核以及一些可选的配合进程。一个很小的微内核以及一些可选的配合进程。其内核仅提供其内核仅提供4种服务：进程调度、进程间通信、底种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间中运行。所有其他操作系统服务都实现为协作间中运行。所有其他操作系统服务都实现为协作的用户进程，因此的用户进程，因此QNX内核非常小巧（内核非常小巧（QNX4x大大约为约为12KB），而且运行速度极快。），而且运行速度极快。第55页，本讲稿共84页2.2.4 常用的实时操作系统3.Palm OS Palm OS是一种是一种32位的嵌入式操作系统。位的嵌入式
46、操作系统。Palm提供了提供了串行通信接口和红外线传输接口，利用它可以方便串行通信接口和红外线传输接口，利用它可以方便地与其它外部设备通信、传输数据；拥有开放的地与其它外部设备通信、传输数据；拥有开放的OS应用程序接口，开发商可根据需要自行开发所需的应用程序接口，开发商可根据需要自行开发所需的应用程序。应用程序。Palm OS具有以下特点：具有以下特点：操作系统的节能功能操作系统的节能功能;合理的内存管理合理的内存管理 Palm OS的数据是以数据库（的数据是以数据库（database）的格式来存储的）的格式来存储的 第56页，本讲稿共84页2.2.4 常用的实时操作系统4.Windows C
47、E Windows CE是微软开发的一个从整体上为有限资源是微软开发的一个从整体上为有限资源的平台而设计的多线程、完整优先权、多任务的的平台而设计的多线程、完整优先权、多任务的32位嵌入式操作系统。其中位嵌入式操作系统。其中CE中的中的C代表袖珍代表袖珍（Compact）、消费（）、消费（Consumer）、通信能力）、通信能力（Connectivity）和伴侣（）和伴侣（Companion）；）；E代表电代表电子产品（子产品（Electronics）。）。Windows CE的设计目标是：模块化及可伸缩性、实时性的设计目标是：模块化及可伸缩性、实时性能好，通信能力强大，支持多种能好，通信能力
48、强大，支持多种CPU。第57页，本讲稿共84页2.2.4 常用的实时操作系统4.Windows CE Windows CE的特点有：的特点有：灵活的电源管理功能，包括休眠灵活的电源管理功能，包括休眠/唤醒模式唤醒模式;使用了对象存储（使用了对象存储（object store）技术，包括文件系）技术，包括文件系统、注册表及数据库统、注册表及数据库;拥有良好的通信能力拥有良好的通信能力;支持嵌套中断支持嵌套中断;更好的线程响应能力更好的线程响应能力;256个优先级别个优先级别;Windows CE的的API是是Win32 API的一个子集，的一个子集，支持近支持近1500个个Win32 API。第
49、58页，本讲稿共84页2.2.4 常用的实时操作系统5.C/OS-C/OS-是一个可裁剪、源码开放、结构小巧、抢是一个可裁剪、源码开放、结构小巧、抢先式的实时多任务内核，主要面向中小型嵌入式先式的实时多任务内核，主要面向中小型嵌入式系统，具有执行效率高、占用空间小、可移植性系统，具有执行效率高、占用空间小、可移植性强、实时性能优良和可扩展性强等特点。强、实时性能优良和可扩展性强等特点。C/OS-最多可支持最多可支持64个任务，分别对应优先级个任务，分别对应优先级063，其中，其中0为最高优先级。实时内核在任何时候都是为最高优先级。实时内核在任何时候都是运行就绪了的最高优先级的任务，是真正的实时
50、操作运行就绪了的最高优先级的任务，是真正的实时操作系统。系统。C/OS-最大程度地使用最大程度地使用ANSI C语言开发，现已成语言开发，现已成功移植到近功移植到近40多种处理器体系上。多种处理器体系上。第59页，本讲稿共84页2.2.4 常用的实时操作系统6.嵌入式嵌入式Linux Linux类似于类似于UNIX，是一种免费的、源代码完全，是一种免费的、源代码完全开放的、符合开放的、符合POSIX标准规范的操作系统。标准规范的操作系统。随着随着Linux的迅速发展，嵌入式的迅速发展，嵌入式Linux现在已现在已经有许多的版本，包括强实时的嵌入式经有许多的版本，包括强实时的嵌入式Linux（如