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1、1 1嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用 黄梁松黄梁松 信电学院机器人探讨中心信电学院机器人探讨中心2第第1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础1.1嵌入式系统概述嵌入式系统概述1.2嵌入式处理器嵌入式处理器1.3嵌入式操作系统嵌入式操作系统1.4实时操作系统的内核实时操作系统的内核1.5嵌入式技术发呈现状及趋势嵌入式技术发呈现状及趋势 31.1 嵌入式系统概述嵌入式系统概述1.1.1嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义电气工程师协会电气工程师协会(IEE)的定义的定义:嵌入式系统是用嵌入式系统是用来限制或监视机器、装置或工厂等的大规来限制或监视机器、装置或工厂等的大规模系统的设备。模系统的设备。国内
2、一般定义为：以应用为中心，以计算机国内一般定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，从而能够适技术为基础，软硬件可裁减，从而能够适应实际应用中对功能、牢靠性、成本、体应实际应用中对功能、牢靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。积、功耗等严格要求的专用计算机系统。4p嵌入式系统无处不在嵌入式系统无处不在p内部含有中心处理器内部含有中心处理器CPU的设备都含有嵌的设备都含有嵌入式系统。入式系统。p消费类电子产品：从家庭的洗衣机、电冰消费类电子产品：从家庭的洗衣机、电冰箱、箱、个人数字助理个人数字助理(PDA)、MP3、数码、数码相机、数码摄像机、电子表、烹调用的微相机、数
3、码摄像机、电子表、烹调用的微波炉、每天必用的移动电话等等。波炉、每天必用的移动电话等等。p办公室设备：办公室里的电话机、打印机、办公室设备：办公室里的电话机、打印机、传真机、远程会议系统等。传真机、远程会议系统等。p工业限制中的嵌入式系统。工业限制中的嵌入式系统。p汽车里的限制系统：供油喷射限制系统、汽车里的限制系统：供油喷射限制系统、防锁死刹车系统防锁死刹车系统(ABS)。5p嵌入式系统应用实例嵌入式系统应用实例6p嵌入式系统在应用数量上远远超过了各种通用计嵌入式系统在应用数量上远远超过了各种通用计算机。算机。p一台通用计算机的外部设备中就包含了一台通用计算机的外部设备中就包含了510个嵌个
4、嵌入式微处理器：键盘、硬盘、显示器、入式微处理器：键盘、硬盘、显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数码相机、集线网卡、声卡、打印机、扫描仪、数码相机、集线器等，均是由嵌入式处理器进行限制的。器等，均是由嵌入式处理器进行限制的。p在制造工业、过程限制、通信、仪器、仪表、汽在制造工业、过程限制、通信、仪器、仪表、汽车、船舶、航空航天、军事装备、消费类产品等车、船舶、航空航天、军事装备、消费类产品等方面，嵌入式系统都有用武之地。方面，嵌入式系统都有用武之地。p美国汽车大王福特公司的高级经理曾宣称：美国汽车大王福特公司的高级经理曾宣称：“福福特出售的特出售的计算实力计算实力已超过了已超过了
5、IBM。”由此可由此可以想像嵌入式计算机工业的规模和广度。以想像嵌入式计算机工业的规模和广度。p资料显示，年世界的产量达资料显示，年世界的产量达83亿亿片，用于通用计算机的只有片，用于通用计算机的只有3亿片，其余亿片，其余80亿片均亿片均用于嵌入式系统用于嵌入式系统7112 嵌入式系统组成嵌入式系统组成嵌入式系统嵌入式系统嵌入式处理器嵌入式处理器外围设备外围设备嵌人式操作系统嵌人式操作系统嵌入式系统应用软件嵌入式系统应用软件81嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器的最大不同点在于其工嵌入式处理器与通用处理器的最
6、大不同点在于其工作在为特定用户群设计的系统中。作在为特定用户群设计的系统中。嵌入式处理器通常把通用计算机中很多由板卡完成嵌入式处理器通常把通用计算机中很多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计的小型化，并具有高效率、高牢靠性等特征。设计的小型化，并具有高效率、高牢靠性等特征。现今市面上有现今市面上有1 000多种嵌入式处理器芯片，其中运多种嵌入式处理器芯片，其中运用最为广泛的有用最为广泛的有ARM、MIPS、PowerPC、MC68000等。等。92外围设备外围设备外围设备是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式外围设备是指在一个嵌入式系统
7、中，除了嵌入式处理器以外用于完成存储、通信、调试、显示等协处理器以外用于完成存储、通信、调试、显示等协助功能的其他部件。助功能的其他部件。依据外围设备的功能可分为以下依据外围设备的功能可分为以下3类：类：存储器：存储器：SRAM、DRAM、Flash。其中，。其中，Flash以可擦写次数多、存储速度快、容量大及价格以可擦写次数多、存储速度快、容量大及价格低等优点在嵌入式领域得到了广泛的应用。低等优点在嵌入式领域得到了广泛的应用。接口：应用最为广泛的包括并口、串口、红外接接口：应用最为广泛的包括并口、串口、红外接口、口、SPI串行外围设备接口、串行外围设备接口、I2C(Inter IC)总线接口
8、、总线接口、USB通用串行总线接口、通用串行总线接口、Ethernet网口等。网口等。人机交互：人机交互：LCD、键盘和触摸屏等人机交互设备。、键盘和触摸屏等人机交互设备。10 3 3嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统可以使嵌入式开发更便利、快捷。嵌入式操作系统可以使嵌入式开发更便利、快捷。其软件模块的集合，用以管理存储器安排、中断其软件模块的集合，用以管理存储器安排、中断处理、任务间通信和定时器响应，以及供应多任处理、任务间通信和定时器响应，以及供应多任务处理等。务处理等。嵌入式操作系统的引人大大提高了嵌入式系统的功嵌入式操作系统的引人大大提高了嵌入式系统的功能，便利了应用软件的设计
9、，但同时也占用了珍能，便利了应用软件的设计，但同时也占用了珍贵的嵌入式系统资源。贵的嵌入式系统资源。一般在比较大型或须要多任务的应用场合才考虑运一般在比较大型或须要多任务的应用场合才考虑运用嵌入式操作系统。用嵌入式操作系统。嵌入式操作系统常常有实时要求。嵌入式操作系统常常有实时要求。114 4应用软件应用软件（1 1）基本了解）基本了解嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域，嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域，基于相应的嵌入式硬件平台，并能完成用户预期基于相应的嵌入式硬件平台，并能完成用户预期任务的计算机软件。任务的计算机软件。用户的任务可能有时间和精度的要求。用户的任务可能有
10、时间和精度的要求。有些应用软件须要嵌人式操作系统的支持，但在简有些应用软件须要嵌人式操作系统的支持，但在简洁的应用场合下不须要特地的操作系统。洁的应用场合下不须要特地的操作系统。由于对成本特别敏感，为削减系统成本，除了精简由于对成本特别敏感，为削减系统成本，除了精简每个硬件单元的成本外，应尽可能地削减应用软每个硬件单元的成本外，应尽可能地削减应用软件的资源消耗，尽可能地优化。件的资源消耗，尽可能地优化。12（2 2）嵌入式软件的特点：）嵌入式软件的特点：为了提高执行速度和系统牢靠性，嵌入式系为了提高执行速度和系统牢靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器中。统中的软件一般都固化在存储器中。软
11、件代码要求高质量、高牢靠性。因此，程软件代码要求高质量、高牢靠性。因此，程序编写和编译工具的质量要高，以削减程序编写和编译工具的质量要高，以削减程序二进制代码的长度，提高执行速度。序二进制代码的长度，提高执行速度。在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务刚好执行的关键，单纯通过提高处个任务刚好执行的关键，单纯通过提高处理器速度是低效和无法完成的。这种任务理器速度是低效和无法完成的。这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成。调度只能由优化编写的系统软件来完成。系统软件的高实时性是基
12、本要求。系统软件的高实时性是基本要求。随着嵌入式应用的深化和普及，涉及到的实随着嵌入式应用的深化和普及，涉及到的实际应用环境越来越困难，嵌入式软件也越际应用环境越来越困难，嵌入式软件也越来越困难。支持多任务的实时操作系统成来越困难。支持多任务的实时操作系统成为嵌入式软件必需的系统软件为嵌入式软件必需的系统软件 13p典型嵌入式系统基本组成典型嵌入式系统基本组成硬件硬件 电源电源模块模块外围电路外围电路RAMFlash复位复位时钟时钟ROM微处理器微处理器MPUUSBLCD键盘键盘其他其他外设外设14p典型嵌入式系统基本组成典型嵌入式系统基本组成软件软件 软件软件结构结构操作系统操作系统存储器存
13、储器处理器处理器应用程序应用程序硬件硬件结构结构输出输出输入输入15113 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 p嵌入式系统与通用计算机系统相比具有以下特点：嵌入式系统与通用计算机系统相比具有以下特点：p嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体工艺、电子技嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体工艺、电子技术和通信网络技术与各领域的具体应用相结合的产物。这术和通信网络技术与各领域的具体应用相结合的产物。这一特点确定了它必定是一个技术密集、资金密集、高度分一特点确定了它必定是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的学问集成系统。散、不断创新的学问集成系统。p嵌入式系统通常面对特定应用，集成度高、低
14、功耗、小体嵌入式系统通常面对特定应用，集成度高、低功耗、小体积、低成本等，便于嵌入式系统设计的小型化、专业化，积、低成本等，便于嵌入式系统设计的小型化、专业化，使移动实力大大增加，与网络的耦合也越来越紧密。使移动实力大大增加，与网络的耦合也越来越紧密。p嵌入式系统与具体应用有机地结合在一起，它的升级换代嵌入式系统与具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也与具体产品同步进行。因此，嵌入式系统产品一旦进入也与具体产品同步进行。因此，嵌入式系统产品一旦进入市场，一般具有较长的生命周期。市场，一般具有较长的生命周期。p嵌入式系统的硬件和软件都必需高效率地设计，在保证稳嵌入式系统的硬件和软件都必需高效率
15、地设计，在保证稳定、平安、牢靠的基础上量体裁衣，去除冗余，力争在同定、平安、牢靠的基础上量体裁衣，去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。这样，才能最大限度地样的硅片面积上实现更高的性能。这样，才能最大限度地降低应用成本。在具体应用中，对处理器的选择确定了其降低应用成本。在具体应用中，对处理器的选择确定了其市场竞争力。市场竞争力。16嵌入式系统常常还有减小功耗的要求。这一方面是为了省电，另一方嵌入式系统常常还有减小功耗的要求。这一方面是为了省电，另一方面是要削减发热量。面是要削减发热量。牢靠性与稳定性对于嵌入式系统有着特殊重要的意义。牢靠性与稳定性对于嵌入式系统有着特殊重要的意义。嵌入
16、式系统供应的功能以及面对的应用和过程都是预知的、相对固定嵌入式系统供应的功能以及面对的应用和过程都是预知的、相对固定的专用系统，一般而言，嵌入式系统对的专用系统，一般而言，嵌入式系统对CPUCPU计算实力的要求并不像通计算实力的要求并不像通用计算机那么高。用计算机那么高。很多嵌入式系统都有实时要求，须要有对外部事务快速作出反应的实很多嵌入式系统都有实时要求，须要有对外部事务快速作出反应的实力。特殊是在操作系统中有所反映，从而使嵌入式软件的开发与常规力。特殊是在操作系统中有所反映，从而使嵌入式软件的开发与常规软件的开发出现显著的区分。典型的嵌人式实时操作系统与常规的操软件的开发出现显著的区分。典
17、型的嵌人式实时操作系统与常规的操作系统也有着显著的区分，并因而成为操作系统的一个重要分支和一作系统也有着显著的区分，并因而成为操作系统的一个重要分支和一个独特的探讨方向。个独特的探讨方向。嵌入式系统本身不具备自举开发实力。必需有一套交叉开发工具和环嵌入式系统本身不具备自举开发实力。必需有一套交叉开发工具和环境才能进行开发。境才能进行开发。通用计算机的开发人员通常是计算机科学或者计算机工程方面的专业通用计算机的开发人员通常是计算机科学或者计算机工程方面的专业人士，而嵌入式系统人士，而嵌入式系统 开发人员却往往是各个应用领域中的专家，这开发人员却往往是各个应用领域中的专家，这就要求嵌入式系统所支持
18、的开发工具易学、易用、牢靠、高效。就要求嵌入式系统所支持的开发工具易学、易用、牢靠、高效。17p现在人们谈及嵌入式系统时，某种程度上指近些现在人们谈及嵌入式系统时，某种程度上指近些年比较热门、具有操作系统的嵌入式系统。归纳年比较热门、具有操作系统的嵌入式系统。归纳嵌入式系统的几个特点如下：嵌入式系统的几个特点如下：p软硬件一体化，集计算机技术、微电子技术和行软硬件一体化，集计算机技术、微电子技术和行业技术为一体；业技术为一体；p须要操作系统支持，代码小，执行速度快；须要操作系统支持，代码小，执行速度快；p专用紧凑，用途固定，成本敏感；专用紧凑，用途固定，成本敏感；p牢靠性要求高；牢靠性要求高；
19、p多样性，应用广泛，种类繁多。多样性，应用广泛，种类繁多。181 11 14 4 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用 嵌入式系统主要用于各种信号处理与限制，嵌入式系统主要用于各种信号处理与限制，目前已在国防、国民经济及社会生活各领域普及目前已在国防、国民经济及社会生活各领域普及应用，用于企业、军队、办公室、试验室以及个应用，用于企业、军队、办公室、试验室以及个人家庭等各种场所。人家庭等各种场所。19p军用：军用：p各种武器限制：坦克、舰艇、轰炸机等陆各种武器限制：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军事
20、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设备等。我国嵌入式计算机最早用于导弹限制。限制。2021高性能武器平台的基础22p家用：家用：p我国各种信息家电产品我国各种信息家电产品(如数字电视机、机如数字电视机、机顶盒、数码相机、顶盒、数码相机、VCDDVD音响设备、音响设备、可视电话、家庭网络设备、洗衣机、电冰可视电话、家庭网络设备、洗衣机、电冰箱、智能玩具等箱、智能玩具等)广泛接受微处理器、微限广泛接受微处理器、微限制器及嵌入式软件，制器及嵌入式软件，EMIT(嵌入式嵌入式Internet技术技术)已用于社区对家用电、水、煤气表远已用于社区对家用电、水、煤气表远程抄
21、表以及洗衣机遥控。程抄表以及洗衣机遥控。2324p工业用：工业用：p各种智能测量仪表、数控装置、可编程限各种智能测量仪表、数控装置、可编程限制器、限制机、分布式限制系统、现场总制器、限制机、分布式限制系统、现场总线仪表及限制系统、工业机器人、机电一线仪表及限制系统、工业机器人、机电一体化机械设备、汽车电子设备等。广泛接体化机械设备、汽车电子设备等。广泛接受微处理器和限制器芯片级、标准总线的受微处理器和限制器芯片级、标准总线的模板级、嵌入式计算机系统级的嵌入式系模板级、嵌入式计算机系统级的嵌入式系统。统。25 工 业 控 制26p商用：商用：各类收款机、各类收款机、POSPOS系统、电子秤、条形
22、码阅系统、电子秤、条形码阅读机、商用终端、银行点钞机、读机、商用终端、银行点钞机、ICIC卡输入设备、卡输入设备、取款机、自动柜员机、自动服务终端、防盗系取款机、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等。统、各种银行专业外围设备等。27p办公用：办公用：p复印机、打印机、传真机、扫描仪、激光复印机、打印机、传真机、扫描仪、激光照排系统、平安监控设备、手机、寻呼机、照排系统、平安监控设备、手机、寻呼机、个人数字助理个人数字助理(PDA)(PDA)、变频空调设备、通信、变频空调设备、通信终端、程控交换机、网络设备、录音录像终端、程控交换机、网络设备、录音录像及电视会议设备、数字音
23、频广播系统等。及电视会议设备、数字音频广播系统等。28p医用电子设备：医用电子设备：p各种医疗电子仪器，如各种医疗电子仪器，如X X光机、超声诊断仪、光机、超声诊断仪、计算机断层成像系统、心脏起搏器、监护计算机断层成像系统、心脏起搏器、监护仪、协助诊断系统、专家系统等。仪、协助诊断系统、专家系统等。29医用机器人技术平台30社会发展方面：嵌入式Internet应用31115 实时系统的概念实时系统的概念p实时系统实时系统(Real Time System)(Real Time System)是指产生系统输是指产生系统输出的时间对系统至关重要的系统。出的时间对系统至关重要的系统。p实时系统是在逻
24、辑和时序限制中，假如出现超实时系统是在逻辑和时序限制中，假如出现超时偏差，将会引起严峻后果的系统。时偏差，将会引起严峻后果的系统。p实时逻辑的正确性不仅依靠于计算结果的正确实时逻辑的正确性不仅依靠于计算结果的正确性，还取决于输出结果的响应时间。实时系统性，还取决于输出结果的响应时间。实时系统要求从输入到输出的滞后时间必需小到一个可要求从输入到输出的滞后时间必需小到一个可以接受的时限内。以接受的时限内。p实时系统是一个能够在指定的时间内完成系统实时系统是一个能够在指定的时间内完成系统功能以及对外部或内部事务在同步或异步时间功能以及对外部或内部事务在同步或异步时间内做出响应的系统。内做出响应的系统
25、。32p实时系统应具备的几个重要特性：实时系统应具备的几个重要特性：实时性。在实时系统中，每个任务都有一个截止实时性。在实时系统中，每个任务都有一个截止期限，任务必需在这个截止期限之前完成，以保期限，任务必需在这个截止期限之前完成，以保证系统所产生的结果在时间上的正确性。证系统所产生的结果在时间上的正确性。并行性。要求系统具有并行处理的实力，以便能并行性。要求系统具有并行处理的实力，以便能同时响应来自不同端口的输入信号。同时响应来自不同端口的输入信号。多路性。实时系统的多路性表现在对多个不同的多路性。实时系统的多路性表现在对多个不同的现场信息进行采集，以及对多个对象和多个执行现场信息进行采集，
26、以及对多个对象和多个执行机构实行限制。机构实行限制。33独立性。每个用户向实时系统提出服务恳求，相互间是独独立性。每个用户向实时系统提出服务恳求，相互间是独立的。在实时限制系统中对信息的采集和对象限制也是相立的。在实时限制系统中对信息的采集和对象限制也是相互独立的。互独立的。可预料性。实时系统的实际行为必需处在确定的限度内，可预料性。实时系统的实际行为必需处在确定的限度内，而这个限度可以由系统的定义而获得。这意味着系统对来而这个限度可以由系统的定义而获得。这意味着系统对来自外部输入的反应必需是全部可预料的，即使在最坏的条自外部输入的反应必需是全部可预料的，即使在最坏的条件下，系统也要严格遵守时
27、间的约束。因此，在出现过载件下，系统也要严格遵守时间的约束。因此，在出现过载时，系统必需能以一种可预料的方式来降级它的性能。时，系统必需能以一种可预料的方式来降级它的性能。牢靠性。牢靠性一方面指系统的正确性，即系统所产生的牢靠性。牢靠性一方面指系统的正确性，即系统所产生的结果在返回值和运行费时上都是正确的；另一方面指系统结果在返回值和运行费时上都是正确的；另一方面指系统的健壮性，也就是说，虽然系统出现了错误，或外部环境的健壮性，也就是说，虽然系统出现了错误，或外部环境与预先假定的外部环境不符合，但系统仍旧可以处于可预与预先假定的外部环境不符合，但系统仍旧可以处于可预料状态，仍可以平安地带错运行
28、和平缓地降级。料状态，仍可以平安地带错运行和平缓地降级。34p衡量系统实时性的衡量系统实时性的3个指标：个指标：响应时间响应时间(Response Time)(Response Time)：指计算机从识别一：指计算机从识别一个外部事务到做出响应的时间。个外部事务到做出响应的时间。生存时间生存时间(Survival Time)(Survival Time)：指数据的有效等待：指数据的有效等待时间，在这段时间里数据是有效的。时间，在这段时间里数据是有效的。吞吐量吞吐量(Throughput)(Throughput)：指在一段给定时间内，：指在一段给定时间内，系统可以处理事务的总数。吞吐量通常比平均
29、系统可以处理事务的总数。吞吐量通常比平均响应时间的倒数小一点。响应时间的倒数小一点。35p实时系统依据响应时间可分为实时系统依据响应时间可分为3种类型：种类型：强实时系统：在强实时系统中，各任务不仅要保证执行过强实时系统：在强实时系统中，各任务不仅要保证执行过程和结果的正确，同时还要保证在系统能够允许的时间内程和结果的正确，同时还要保证在系统能够允许的时间内完成任务，否则将造成灾难性的后果。这对于实时限制领完成任务，否则将造成灾难性的后果。这对于实时限制领域的软硬件系统来说是至关重要的。它的响应时间在毫秒域的软硬件系统来说是至关重要的。它的响应时间在毫秒或微秒数量级上。或微秒数量级上。弱实时系
30、统：弱实时系统中，各个任务运行得越快越好，弱实时系统：弱实时系统中，各个任务运行得越快越好，但并没有严格限定某一任务必需在多长时间内完成。弱实但并没有严格限定某一任务必需在多长时间内完成。弱实时系统更多地关注软件运行的结果正确与否，而时间问题时系统更多地关注软件运行的结果正确与否，而时间问题不会造成灾难性的后果。一般它的响应时间可以是数十秒不会造成灾难性的后果。一般它的响应时间可以是数十秒或更长，可能随着系统的负载轻重而有所变更。或更长，可能随着系统的负载轻重而有所变更。一般实时系统：一般实时系统是弱实时系统和强实时系统一般实时系统：一般实时系统是弱实时系统和强实时系统的一种折衷。它的响应时间
31、可以在秒的数量级上，可广泛的一种折衷。它的响应时间可以在秒的数量级上，可广泛应用于很多消费电子设备中。如应用于很多消费电子设备中。如PDAPDA、手机等都属于一般实、手机等都属于一般实时系统。时系统。36p依据确定性实时系统可以分为以下两类：依据确定性实时系统可以分为以下两类：硬实时。硬实时指系统对系统响应时间有严格的要求。假如系统响应时间不能满足，就会引起系统崩溃或出现致命的错误。软实时。软实时指系统对系统响应时间有要求。但是假如系统响应时间不能满足，它并不会导致系统出现致命的错误或崩溃。371.2嵌入式处理器嵌入式处理器1 12 21 1 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类 嵌嵌入入式式
32、处处理理器器是是嵌嵌入入式式系系统统的的核核心心，是是限限制制、协协助助系系统统运运行行的的硬硬件件单单元元。目目前前世世界界上上具具有有嵌嵌入入式式功功能能特特点点的的处处理理器器已已经经超超过过10001000种种，流流行行的的体体系系结结构构包包括括MCUMCU、MPUMPU等等3030多多个个系系列，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。列，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。嵌入式处理器可分为：嵌入式处理器可分为：低端的微限制器低端的微限制器(Micro Controller Unit(Micro Controller Unit，MCU)MCU)；中中高高端端的的嵌嵌入
33、入式式微微处处理理器器(Embedded(Embedded Micro Micro Processor Processor UnitUnit，EMPU)EMPU)；通信领域的通信领域的DSPDSP处理器处理器(Digital Signal Processor)(Digital Signal Processor)；高度集成的片上系统高度集成的片上系统(System on Chip(System on Chip，SoC)SoC)。38122 嵌入式微处理器嵌入式微处理器q嵌嵌入入式式微微处处理理器器(Embedded(Embedded Micro Micro Processor Processor
34、 UnitUnit，EMPU)EMPU)是由通用计算机中的是由通用计算机中的CPUCPU演化而来的。演化而来的。q在在实实际际嵌嵌入入式式应应用用中中，嵌嵌入入式式微微处处理理器器只只保保留留与与嵌嵌入入式式应应用用紧紧密密相相关关的的功功能能硬硬件件，去去除除其其他他冗冗余余功功能能部部分分，配配上上必必要要的的扩扩展展外外围围电电路路，如如存存储储器器的的扩扩展展电电路路、I IO O的的扩扩展展电电路路和和一一些些专专用用的的接接口口电电路路等等，这这样样就就可可以以最最低低功功耗耗和和资资源源满足嵌入式应用的特殊要求。满足嵌入式应用的特殊要求。q嵌嵌入入式式微微处处理理器器虽虽然然在在
35、功功能能上上与与标标准准微微处处理理器器基基本本相相同同，但但一一般般在在工工作作温温度度、抗抗电电磁磁干干扰扰、牢牢靠靠性性等等方方面面都都做做了了各各种种增增加加。与与工工业业限限制制计计算算机机相相比比，嵌嵌入入式式微微处处理理器器具具有有体体积小、重量轻、成本低、牢靠性高等优点。积小、重量轻、成本低、牢靠性高等优点。q目目前前主主要要的的嵌嵌入入式式处处理理器器类类型型有有ARMARM、MIPSMIPS、Aml86Aml868888、386EX386EX、PowerPCPowerPC、6800068000系列等。系列等。39q嵌入式微处理器一般具有以下特点：嵌入式微处理器一般具有以下特
36、点：嵌嵌入入式式微微处处理理器器在在设设计计中中须须要要考考虑虑低低功功耗耗，以以满满足足靠靠电电池工作的便携式和无线应用中的低功耗要求。池工作的便携式和无线应用中的低功耗要求。接受可扩展的处理器结构，以便利对应用的扩展。接受可扩展的处理器结构，以便利对应用的扩展。具有功能很强的存储区爱护功能。具有功能很强的存储区爱护功能。供供应应丰丰富富的的调调试试功功能能。嵌嵌入入式式系系统统的的开开发发很很多多都都是是在在交交叉叉调调试试中中进进行行，丰丰富富的的调调试试接接口口会会更更便便于于对对嵌嵌入入式式系系统统的开发。的开发。对实时多任务具有很强的支持实力。对实时多任务具有很强的支持实力。处处理
37、理器器内内部部具具有有精精确确的的振振荡荡电电路路、丰丰富富的的定定时时器器资资源源，从而有较强的实时处理实力。从而有较强的实时处理实力。40123 微限制器微限制器v微微限限制制器器(Micro(Micro Controller Controller UnitUnit，MCU)MCU)俗俗称称单单片片机机，它将整个计算机系统集成到一块芯片中。它将整个计算机系统集成到一块芯片中。v微微限限制制器器一一般般以以某某一一种种微微处处理理器器内内核核为为核核心心，芯芯片片内内部部集集 成成 FlashFlash、RAMRAM、总总 线线 逻逻 辑辑、定定 时时 器器 计计 数数 器器、WatchDo
38、gWatchDog、I IO O、串串行行口口、脉脉宽宽调调制制输输出出、A AD D、D DA A等各种必要功能模块和外围部件。等各种必要功能模块和外围部件。v80518051系列单片机是单片机教学的首选机型。系列单片机是单片机教学的首选机型。41v为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品。每种衍生产品的处理器内核都是相同的，不同衍生产品。每种衍生产品的处理器内核都是相同的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使不同的单片的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使不同的单片机适合不同的应用。机适合不同的应用。v与微处理器
39、相比，微限制器的最大特点是单片化，体积小，与微处理器相比，微限制器的最大特点是单片化，体积小，从而使功耗和成本下降，牢靠性提高。从而使功耗和成本下降，牢靠性提高。v微限制器是目前嵌入式系统工业中的主流产品。微限制器微限制器是目前嵌入式系统工业中的主流产品。微限制器的片内资源一般比较丰富，适合于限制。的片内资源一般比较丰富，适合于限制。42v接接受受微微限限制制器器可可以以在在相相当当程程度度上上缩缩短短产产品品的的设设计计、开开发发、调试的时间，从而节约用于这些方面的开支。调试的时间，从而节约用于这些方面的开支。v系系统统中中芯芯片片数数量量的的削削减减，使使整整个个系系统统的的故故障障率率就
40、就会会降降低低。而且系统的体积也可以缩小。而且系统的体积也可以缩小。v由由于于一一些些接接口口电电路路和和功功能能模模块块与与CPUCPU集集成成在在同同一一块块芯芯片片上上，这这些些电电路路之之间间的的连连线线长长度度就就降降到到很很小小。对对于于一一些些高高速速系系统统，这是个很重要的优点。这是个很重要的优点。v微限制器在品种数量上远远超过微处理器微限制器在品种数量上远远超过微处理器 43124 DSP处理器处理器vDSP(Digital Signal Processor)DSP(Digital Signal Processor)是数字信号处理器的缩写。是数字信号处理器的缩写。vDSPDS
41、P处处理理器器对对系系统统结结构构和和指指令令进进行行了了特特殊殊设设计计，使使其其适适合合执执行行DSPDSP算算法法，编译效率和指令执行速度都较高。编译效率和指令执行速度都较高。v在在数数字字滤滤波波、FFTFFT、谱谱分分析析等等方方面面，DSPDSP算算法法正正在在大大量量引引入入嵌嵌入入式式领领域域。DSPDSP应应用用正正从从在在通通用用单单片片机机中中以以一一般般指指令令实实现现DSPDSP功功能能，过过渡渡到到接接受受DSPDSP处理器。处理器。vDSPDSP处理器有两个发展来源：处理器有两个发展来源：vDSPDSP处处理理系系统统经经过过单单片片化化、电电磁磁兼兼容容(EMC
42、)(EMC)改改造造以以及及增增加加片片上上外外设设，成成为为DSPDSP处理器，如处理器，如TITI公司的公司的TMS320C2000TMS320C2000C5000C5000等属于此范畴；等属于此范畴；v在在通通用用单单片片机机或或SoCSoC中中增增加加DSPDSP协协处处理理器器，例例如如IntelIntel公公司司的的MCS296MCS296和和Infineon(Siemens)Infineon(Siemens)的的TriCoreTriCore。vDSPDSP处处理理器器比比较较有有代代表表性性的的产产品品是是TITI公公司司的的TMS320TMS320系系列列、ADIADI公公司司
43、的的ADSPglXXADSPglXX系列和系列和MotorolaMotorola公司的公司的DSP56000DSP56000系列。系列。441.2.5 1.2.5 片上系统片上系统p基本概念基本概念p结合很多功能模块，将整个系统做在一个芯片上，这就是结合很多功能模块，将整个系统做在一个芯片上，这就是片上系统片上系统SoC(System on Chip)SoC(System on Chip)。p片上系统是基于片上系统是基于EDAEDA（电子设计自动化）技术和（电子设计自动化）技术和VLSIVLSI（超（超大规模集成电路）技术，以及半导体工艺技术的快速发大规模集成电路）技术，以及半导体工艺技术的快
44、速发展。展。p将整个嵌入式系统集成到一块芯片中，应用系统电路板将将整个嵌入式系统集成到一块芯片中，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗，提高牢靠性特别有变得很简洁，对于减小体积和功耗，提高牢靠性特别有利。利。p嵌入式系统实现的最高形式是嵌入式系统实现的最高形式是SoCSoC，而，而SoCSoC的核心技术是的核心技术是IPIP核核(Intellectual Property Core(Intellectual Property Core，学问产权核，学问产权核)构件。构件。45pSoCSoC设计要点设计要点pSoCSoC设计公司的标准库：各种通用处理设计公司的标准库：各种通用处理器内核
45、与很多其他嵌入式系统外设一样，器内核与很多其他嵌入式系统外设一样，构成构成VLSIVLSI设计中的标准器件库。设计中的标准器件库。p标准器件库中的库元件用标准器件库中的库元件用VHDLVHDL等语言描等语言描述。述。p用户在用户在EDAEDA设计平台下，只需定义出其设计平台下，只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以用整个应用系统，仿真通过后就可以用FPGAFPGA制作样品。制作样品。p一种全新的硬件设计模式：一种全新的硬件设计模式：EDAEDA软件加软件加硬件调试平台。硬件调试平台。46在在EDAEDA技术中把不同功能的电路模块称为技术中把不同功能的电路模块称为IPIP，这些，这些IPIP
46、都都是经过实际制作并证明是正确的。在是经过实际制作并证明是正确的。在EDAEDA设计工具中把设计工具中把这些这些IPIP组织在一个组织在一个IPIP元件库中，供用户运用。元件库中，供用户运用。IPIP核分为硬核、软核和固核，核分为硬核、软核和固核，IP IP核是嵌入式技术的重核是嵌入式技术的重要支持技术。要支持技术。嵌入式片上系统设计的关键是嵌入式片上系统设计的关键是IPIP核资源的利用。核资源的利用。在设计嵌入式系统时，可以通过运用在设计嵌入式系统时，可以通过运用IPIP核技术完成系核技术完成系统硬件的设计。用户须要知道统硬件的设计。用户须要知道IPIP模块的功能和技术性模块的功能和技术性能
47、。通过把不同的能。通过把不同的IPIP模块嵌在一个硅片上，就形成完模块嵌在一个硅片上，就形成完整的应用系统。整的应用系统。IPIP技术极大地简化了技术极大地简化了SoCSoC的设计过程，缩短了设计时间，的设计过程，缩短了设计时间，因此，已经成为目前电子系统设计重要的基本技术。因此，已经成为目前电子系统设计重要的基本技术。47p SoC SoC的优点：的优点：p通过变更内部工作电压，降低芯片功耗。通过变更内部工作电压，降低芯片功耗。p削减芯片对外的引脚数，简化制造过程。削减芯片对外的引脚数，简化制造过程。p削减外围驱动接口单元及电路板之间的信削减外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，加快微处理
48、器数据处理的速度。号传递，加快微处理器数据处理的速度。p内嵌的线路可以避开外部电路板在信号传内嵌的线路可以避开外部电路板在信号传递时所造成的系统杂讯递时所造成的系统杂讯 481 12 26 6 典型的嵌入式处理器典型的嵌入式处理器1 1ARMARM处理器处理器2 2MIPSMIPS处理器处理器 3 3PowerPCPowerPC处理器处理器 4 4MC68KMC68KC01dfireC01dfire处理器处理器5 5x86x86处理器处理器49pARMARM处理器有处理器有3 3大特点：大特点：小体积、低功耗、低成本而高性能；小体积、低功耗、低成本而高性能；16163232位双指令集；位双指令
49、集；全球众多的合作伙伴。全球众多的合作伙伴。501.3 1.3 嵌入式操作系统嵌入式操作系统1 13 31 1 操作系统的概念和分类操作系统的概念和分类操作系统操作系统OS(OperationSystem)OS(OperationSystem)是一组计算机是一组计算机程序的集合；程序的集合；OSOS用来有效地限制和管理计算机的硬件和软用来有效地限制和管理计算机的硬件和软件资源，并为用户供应便利的应用接口。件资源，并为用户供应便利的应用接口。为应用软件供应运行环境，为程序开发者供为应用软件供应运行环境，为程序开发者供应功能强、运用便利的开发环境。应功能强、运用便利的开发环境。51从资源管理的角度
50、，操作系统主要包含如下功能：从资源管理的角度，操作系统主要包含如下功能：处理器管理处理器管理对处理器进行安排，并对其运行进行有效的限制和对处理器进行安排，并对其运行进行有效的限制和管理。管理。在多任务环境下，合理安排由任务共享的处理器，在多任务环境下，合理安排由任务共享的处理器，使使CPUCPU能满足各程序运行的须要，提高处理器的利能满足各程序运行的须要，提高处理器的利用率，并能在恰当的时候收回安排给某任务的处用率，并能在恰当的时候收回安排给某任务的处理器。理器。处理器的安排和运行都是以进程为基本单位进行的，处理器的安排和运行都是以进程为基本单位进行的，因此，对处理器的管理可以归结为对进程的管