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1、智能硬件与嵌入式系统(1)1.嵌入式系统的概念2.嵌入式处理器3.嵌入式操作系统4.嵌入式系统应用1.嵌入式系统的概念嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”设备的装置”。（Devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants.）IEEE的定义是从应用角度考虑的，嵌入式系统是软件的定义是从应用角度考虑的，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。和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。IEE
2、E的定义：Institute of Electrical and Electronics Engineers电气和电子工程师协会嵌入式系统Embedded System嵌入式计算机系统Embedded Computer System嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可定制和裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体硬件可定制和裁剪，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。积、功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是专用计算机系统，因此必须要有处理器，具备嵌入式系统是专用计算机系统，因此必须
3、要有处理器，具备计算机系统的基本特征。计算机系统的基本特征。嵌入式系统的功能是有严格要求并按照指定的应用而设计的。嵌入式系统的功能是有严格要求并按照指定的应用而设计的。国内一般定义：1.嵌入式系统的概念嵌入式系统具有特定功能，用于特定的任务，专用性强嵌入式系统面向具体应用嵌入式系统面向具体应用，具有很强的专用性具有很强的专用性，其软硬件系统往往需要其软硬件系统往往需要紧密结合紧密结合，一般需要针对硬件进行软件移植和优化一般需要针对硬件进行软件移植和优化。虽然嵌入式系统功能虽然嵌入式系统功能在不断发展丰富在不断发展丰富，但仍然有所侧重但仍然有所侧重。1.嵌入式系统的概念嵌入式系统更为关注成本嵌入
4、式系统的硬件和软件都必须高效率地设计嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣量体裁衣、去除冗余去除冗余。由于嵌入式系统通常需要进行大量生产由于嵌入式系统通常需要进行大量生产，所以单个成本的节约所以单个成本的节约，能够随着能够随着产量进行成百上千的放大产量进行成百上千的放大。MTK的75元手机阿尔卡特OT-20910元手机印度Freedom 25124元手机“全球最便宜”的智能手机1.嵌入式系统的概念嵌入式系统一般都有功耗要求嵌入式系统已被越来越多的应用在便携式和移动性较强的产品中嵌入式系统已被越来越多的应用在便携式和移动性较强的产品中，或者或者是供电受限的环境中是供电受限的环境中，往
5、往需要靠电池来供电往往需要靠电池来供电。因此更需要从每一个细节因此更需要从每一个细节考虑降低硬件系统本身的能耗考虑降低硬件系统本身的能耗，从而尽可能地延长电池的使用时间从而尽可能地延长电池的使用时间。1.嵌入式系统的概念嵌入式系统通常有实时性的要求实时性是指系统能够及时实时性是指系统能够及时（限定时间内限定时间内）处理外部事件处理外部事件。大多数实时系大多数实时系统都是嵌入式系统统都是嵌入式系统，而嵌入式系统多数也有实时性的要求而嵌入式系统多数也有实时性的要求，例如生产线上例如生产线上的机械臂控制系统的机械臂控制系统、汽车中的电子刹车控制系统汽车中的电子刹车控制系统、军事上的武器系统等等军事上
6、的武器系统等等。1.嵌入式系统的概念嵌入式系统的软件通常使用固态化存储为了提高执行速度和系统可靠性为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片中或单片机内部存储器芯片中或单片机内部，而不是存储于磁盘等载体中而不是存储于磁盘等载体中。1.嵌入式系统的概念嵌入式系统的软硬件可靠性要求更高很多嵌入式系统必须持续工作甚至在极端环境下正常运行很多嵌入式系统必须持续工作甚至在极端环境下正常运行。因此大多数因此大多数嵌入式系统都需要具有可靠性机制嵌入式系统都需要具有可靠性机制，例如硬件的看门狗定时器例如硬件的看门狗定时器、软件的内软件的内存保护和重启机
7、制等存保护和重启机制等，以保证嵌入式系统在出现问题时能够重新启动以保证嵌入式系统在出现问题时能够重新启动，保保障系统的健壮性障系统的健壮性。1.嵌入式系统的概念嵌入式系统的核心部分由硬件部分和软件部分组成存储器及I/O嵌入式处理器嵌入式操作系统应用软件硬件软件嵌入式应用软件嵌入式操作系统嵌入式处理器嵌入式外部设备嵌入式硬件平台硬件部分：主要包括嵌入式处理器硬件部分：主要包括嵌入式处理器、存储器存储器、输入输入/输出设备等输出设备等，其中嵌入其中嵌入式处理器是嵌入式系统的硬件核心式处理器是嵌入式系统的硬件核心。软件部分：主要包括嵌入式操作系统和嵌入式应用软件软件部分：主要包括嵌入式操作系统和嵌入
8、式应用软件。嵌入式处理器嵌入式外围设备嵌入式应用软件嵌入式操作系统嵌入式硬件平台1.嵌入式系统的概念2.嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统硬件的核心嵌入式处理器是嵌入式系统硬件的核心，是控制是控制、辅助系统运行的硬件辅助系统运行的硬件单元单元。嵌入式处理器与传统嵌入式处理器与传统PC上的通用上的通用CPU最大的不同在于嵌入式处理器大最大的不同在于嵌入式处理器大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中多工作在为特定用户群所专门设计的系统中，它将通用它将通用CPU许多由板卡完成许多由板卡完成的任务集成在芯片内部的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化从而有利于嵌入式系统在设计时
9、趋于小型化，同时同时还具有很高的效率和可靠性还具有很高的效率和可靠性。2.嵌入式处理器嵌入式微控制器嵌入式微控制器嵌入式微处理器嵌入式微处理器嵌入式嵌入式数字信号数字信号处理器处理器嵌入式片上系统嵌入式片上系统MCUMPUDSPSOC2.嵌入式处理器嵌入式微控制器嵌入式微控制器嵌入式微控制器（MicroController Unit，MCU）就是我们俗称的单片机就是我们俗称的单片机。其最大的特点就是单片化其最大的特点就是单片化，芯片内部一般集成了总线芯片内部一般集成了总线、总线逻辑总线逻辑、Flash、RAM、定时定时/计数器等必要的处理器外设计数器等必要的处理器外设，一般情况下只需要在外围加
10、上时钟一般情况下只需要在外围加上时钟、电源等极少的电路就可以构成一个嵌入式系统电源等极少的电路就可以构成一个嵌入式系统。由于需要的外围元件较少由于需要的外围元件较少，采用单片机构成的系统通常具有体积小采用单片机构成的系统通常具有体积小、功耗低功耗低、可靠性高可靠性高、成本低的优势成本低的优势。典型的MCU：51系列、AVR系列、PIC系列、MSP430系列2.嵌入式处理器嵌入式微处理器嵌入式微处理器嵌入式微处理器（MicroProcessor Unit，MPU）是由通用计算机中的是由通用计算机中的CPU演变而来的演变而来的，一般位数都在一般位数都在32位以上位以上，具有较高的性能具有较高的性能
11、。与通用计算机与通用计算机处理器不同的是在实际嵌入式系统的应用中处理器不同的是在实际嵌入式系统的应用中，它只保留与嵌入式应用紧密相它只保留与嵌入式应用紧密相关的功能部件关的功能部件，除去其它冗余功能部分除去其它冗余功能部分，以最低的功耗和资源实现了嵌入式以最低的功耗和资源实现了嵌入式应用的特殊要求应用的特殊要求。典型的MPU：ARM系列、MIPS系列、PowerPC系列2.嵌入式处理器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（Digital Signal Processor，DSP）是专门用于信是专门用于信号处理的处理器号处理的处理器，DSP对系统结构和指令算法方面进行了特
12、殊设计对系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，使其适合使其适合于执行于执行DSP算法算法，具有很高的编译效率和执行速度具有很高的编译效率和执行速度。在数字滤波在数字滤波、FFT等方面等方面DSP算法大量进入嵌入式领域算法大量进入嵌入式领域，在语音合成和编解码器中得到了广泛应用在语音合成和编解码器中得到了广泛应用。典型的DSP：TMS320系列、ADSP2100系列、DSP56000系列 2.嵌入式处理器嵌入式片上系统嵌入式片上系统嵌入式片上系统（System on Chip，SOC）是目前嵌入式应用领域最热门是目前嵌入式应用领域最热门的方向之一的方向之一。SOC最大的特点就是成功实现了软硬件的
13、无缝结合最大的特点就是成功实现了软硬件的无缝结合，可以直接在可以直接在片内嵌入操作系统的代码模块片内嵌入操作系统的代码模块。SOC具有极高的综合性具有极高的综合性，能够使用硬件描述语能够使用硬件描述语言或者高级语言来实现一个复杂的系统言或者高级语言来实现一个复杂的系统。由于其绝大部分构件都是在系统内部由于其绝大部分构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁整个系统就特别简洁，不仅减小了系统体积和功耗不仅减小了系统体积和功耗，而且提高了系统的可靠性而且提高了系统的可靠性。典型的手机SOC：海思麒麟系列；高通骁龙系列；苹果A系列2.嵌入式处理器不断涌现的新型嵌入式处理器GPU：Graphics Pro
14、cessing Unit，图形处理器TPU：Tensor Processing Unit，张量处理器NPU：Neural Graphics Processing Unit，神经网络处理器BPU：Brain Processing Unit，大脑处理器APU：Accelerated Processing Unit，加速处理器DPU：Deep learning Processing Unit，深度学习处理器RPU：Radio Processing Unit，无线电处理器XPU3.嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统（EOS)是一种支持嵌是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件入式系统应用的操作系
15、统软件，通常包括通常包括与硬件相关的底层驱动软件与硬件相关的底层驱动软件、系统内核系统内核、设备驱动接口设备驱动接口、通信协议通信协议、图形界面图形界面、标标准化浏览器等等准化浏览器等等。嵌入式操作系统负责嵌嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软件和硬件资源的分配入式系统的全部软件和硬件资源的分配、任务调度任务调度，控制控制、协调并发活动协调并发活动。3.嵌入式操作系统可定制性嵌入式操作系统一般需提供可添加或可裁剪的内核及其他功能，让用户按嵌入式操作系统一般需提供可添加或可裁剪的内核及其他功能，让用户按需配置，如调度算法、存储管理、设备驱程序等等。需配置，如调度算法、存储管理、设备驱程序等等。可
16、移植性嵌入式操作系统应该能够支持多种国际主流微处理器等硬件平台，给用户嵌入式操作系统应该能够支持多种国际主流微处理器等硬件平台，给用户硬件的选择更具灵活性。硬件的选择更具灵活性。实时性大多数嵌入式系统工作在实时性要求很高的环境中，要求嵌入式操作系统大多数嵌入式系统工作在实时性要求很高的环境中，要求嵌入式操作系统也必须将实时性作为一个重要的指标来考量。也必须将实时性作为一个重要的指标来考量。低资源占用性嵌入式操作系统在保证其功能的前提下，应尽可能减少系统对资源的占用。嵌入式操作系统在保证其功能的前提下，应尽可能减少系统对资源的占用。3.嵌入式操作系统KernelMemoryMgmt.嵌入式操作系
17、统的组成内核内核（Kernel）存储管理（存储管理（Memory Management）输入输出系统输入输出系统（I/O System）文件系统文件系统（File System）设备驱动程序设备驱动程序（Device Drivers）网络协议栈网络协议栈（Network Stack）3.嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统：C/OS-II、C/OS-IIIFreeRTOSRT-Linux、CLinux、Windows CE、Windows MobileVxWorksQNXAndroidIOSRT-Thread4.嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用远远超过了各种通用计算机。嵌入式系统的应用远远超过了
18、各种通用计算机。一台通用计算机的外部设备中至少包含了一台通用计算机的外部设备中至少包含了5-10个嵌入式微处理个嵌入式微处理器：器：键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、网卡、声卡、打印机、扫键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、网卡、声卡、打印机、扫描仪、摄像头、描仪、摄像头、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的。集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在工业制造在工业制造、过程控制过程控制、通讯通讯、仪器仪器、仪表仪表、汽车汽车、船舶船舶、航航空空、航天航天、军事装备军事装备、医疗医疗、消费类产品等方面均是嵌入式计消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域算机的应用领域。4.嵌入式系统的应用家电家居家电家居4.嵌入式系统的应用汽车电子汽车电子4.嵌入式系统的应用医疗卫生医疗卫生4.嵌入式系统的应用工业、制造业工业、制造业4.嵌入式系统的应用军事、航天军事、航天