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1、嵌入式系统1嵌入式系统简介1.1 1.1 引言引言由于信息技术、网络技术的高速发展和后由于信息技术、网络技术的高速发展和后PC时代的到来，嵌入式系统已经广泛渗透时代的到来，嵌入式系统已经广泛渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术以及人们的日常生活产业和商业文化艺术以及人们的日常生活中。嵌入式系统应用的例子比比皆是。可中。嵌入式系统应用的例子比比皆是。可以说，嵌入式系统以说，嵌入式系统无所不在、无处不在无所不在、无处不在。2西安电子科技大学计算机学院何为嵌入式系统何为嵌入式系统简单的讲，就是嵌入到对象体中的专用计简单的讲，就是嵌入到对象体中
2、的专用计算机系统。算机系统。嵌入式系统嵌入式系统三要素三要素：q嵌入性：嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求嵌入到对象体系中，有对象环境要求。q专用性：专用性：软、硬件按对象要求裁减。软、硬件按对象要求裁减。q计计算机：算机：实现对实现对象的智能化功能象的智能化功能。9西安电子科技大学计算机学院1.2 1.2 嵌入式系统定义嵌入式系统定义IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）的定义）的定义：devices used to control,monitor,or assist the operation of equipm
3、ent,machinery or plants（用于控制、监视或者辅助操作设备和机器的装置）目前国内一个普遍被认同的定义是：目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬 件可裁剪，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。10西安电子科技大学计算机学院1.3 1.3 嵌入式系统的内涵嵌入式系统的内涵从技术角度从技术角度q嵌入式系统是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统。从系统角度从系统角度q嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。11西安电子科技大学计算机学院1.4 1.4 嵌入式系统外延
4、嵌入式系统外延广义的讲，凡是带有智能处理器的专用软广义的讲，凡是带有智能处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。硬件系统都可称为嵌入式系统。12西安电子科技大学计算机学院1.5 1.5 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 嵌入式系统是应用于特定环境下执行面嵌入式系统是应用于特定环境下执行面对专业领域的应用系统，与通用计算机比起对专业领域的应用系统，与通用计算机比起来其具有以下显著特点：来其具有以下显著特点：q系统内核小（资源有限）；q专用性强；q运行环境差异大；q可靠性要求高（无人值守）；q通常要求有高实时性的操作系统；q具有固化在非易失性存储器中的代码；q嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环
5、境；q一旦进入市场，就具有较长的生命周期；13西安电子科技大学计算机学院1.6 1.6 嵌入式系统历史嵌入式系统历史20世纪世纪70年代单片机的出现，这时的应用只是使用年代单片机的出现，这时的应用只是使用8位的芯片执行一些单线程的程序，还谈不上位的芯片执行一些单线程的程序，还谈不上“系系统统”的概念。的概念。20世纪世纪80年代出现商业级的嵌入式年代出现商业级的嵌入式“操作系统操作系统”，并在其上编写嵌入式应用软件。并在其上编写嵌入式应用软件。1981年，Ready System开发出世界上第一个商业嵌入式实时内核（VTRX32）。20世纪世纪90年代以后，出现实时多任务操作系统年代以后，出现
6、实时多任务操作系统（RTOS），并作为一种软件平台逐步成为目前国），并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。际嵌入式系统的主流。14西安电子科技大学计算机学院1.7 1.7 嵌入式系统组成嵌入式系统组成硬件组成硬件组成15西安电子科技大学计算机学院嵌入式系统组成嵌入式系统组成软件组成软件组成16西安电子科技大学计算机学院1.8 1.8 硬件抽象层硬件抽象层早期的嵌入式系统包含早期的嵌入式系统包含3个部分：硬件平台、个部分：硬件平台、嵌入式实时操作系统和应用程序；嵌入式实时操作系统和应用程序；经过不断发展，在硬件平台和操作系统之经过不断发展，在硬件平台和操作系统之间演化出了新的一层间
7、演化出了新的一层硬件抽象层；硬件抽象层；q硬件抽象层屏蔽了底层硬件的多样性，操作系统不再直接面对具体的硬件环境，而是由硬件抽象层代表的、逻辑上的硬件环境。q板级支持包是大多数商用嵌入式操作系统实现可移植性所采用的一种方案，是硬件抽象层的一种实现。17西安电子科技大学计算机学院1.9 1.9 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类按表现形式分（硬件范畴）按表现形式分（硬件范畴）：系统级：各种类型的工控机、PC104模块。板级：各种类型的带CPU的主板及OEM产品。片级：各种以单片机、DSP、微处理器为核心的产品。18西安电子科技大学计算机学院嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类按实时性要求分（软件范畴）按
8、实时性要求分（软件范畴）：非实时系统（PDA）。软实时系统（消费类产品）。硬实时系统（工业和军工系统）。19西安电子科技大学计算机学院1.10 1.10 处理器的分类和现状处理器的分类和现状 嵌入式系统硬件的核心部件是嵌入式处嵌入式系统硬件的核心部件是嵌入式处理器，按嵌入式处理器用途可分为：理器，按嵌入式处理器用途可分为：嵌入式微控制器（Micro Controller Unit MCU）嵌入式DSP（Digital Signal Processor）嵌入式微处理器（Micro Processor Unit MPU）SOC（System On Chip）SOPC（System On Progr
9、ammable Chip）20西安电子科技大学计算机学院嵌入式微控制器嵌入式微控制器嵌入式微控制器的典型代表是单片机。嵌入式微控制器的典型代表是单片机。单片机芯片单片机芯片内部内部集成了集成了ROM/EPROM，RAM，总，总线，定时器线，定时器/计数器，看门狗，计数器，看门狗，I/O，串行口，脉宽，串行口，脉宽调制输出，调制输出，A/D，D/A,FLASH,E2PROM 等。等。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源丰富，适合用于控制，因微控制器的片上外设资源丰富，适合用于控制，因此称为微控制器。此称为微控制器。21西安电子科技大学计算
10、机学院嵌入式嵌入式DSPDSPDSP处理器是专门用于信号处理方面的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处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、令执行速度。在数字滤波、FFT、频谱分析、频谱分析等仪器上，等仪器上，DSP获得了大规模的应用获得了大规模的应用。22西安电子科技大学计算机学院嵌入式微处理器嵌入式微处理器嵌入式微处理器是由通用计算机中的嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来。具有演变而来。具有32位以上的总线，在位以上的总线，在实际嵌入式应用中，它只保留与嵌
11、入式应实际嵌入式应用中，它只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件以实现嵌入式应用用紧密相关的功能硬件以实现嵌入式应用的特殊要求。目前主要的嵌入式处理器类的特殊要求。目前主要的嵌入式处理器类型有型有ARM、MIPS、POWER PC等。等。与嵌入式微控制器的区别（大体上）q微控制器微控制器存储器在片内存储器在片内q微处理器微处理器存储器在片外存储器在片外23西安电子科技大学计算机学院处理器发展举例处理器发展举例Intel 4004 MicroprocessorqIntroduced in 1970First microprocessor4 bit architecture!q2,250 trans
12、istorsq12 mm2qClock:108 kHz24西安电子科技大学计算机学院Intel 8085 MicroprocessorIntel 8085 MicroprocessorIntroduced in 19748-bit architectureStill used in some microcontroller applications!25西安电子科技大学计算机学院Intel 8086 MicroprocessorIntel 8086 MicroprocessorIntroduced in 197929,000 transistors33 mm2Clock:5 MHz16 bit
13、 architecture26西安电子科技大学计算机学院Intel 386 MicroprocessorIntel 386 MicroprocessorIntroduced in 1985275,000 transistors43 mm2Clock:16 MHz32 bit architecture27西安电子科技大学计算机学院Intel 486 MicroprocessorIntel 486 MicroprocessorIntroduced in 19891,200,000 transistors81 mm2Clock:25 MHz32 bit architectureq1st pipeli
14、ned implementation of IA3228西安电子科技大学计算机学院Intel Pentium MicroprocessorIntel Pentium MicroprocessorIntroduced in 19933,100,000 transistors296 mm2Clock:60 MHz32 bit architectureq1st superscalar implementation of IA3229西安电子科技大学计算机学院Pentium Processor DetailsPentium Processor DetailsStateqRegistersqMemory
15、Control ROMCombinational logic30西安电子科技大学计算机学院SOCSOC将通用处理器的将通用处理器的IP核和功能模块的核和功能模块的IP核核按用户要求组成系统，仿真后提交芯片厂按用户要求组成系统，仿真后提交芯片厂商生产。（也可下载到商生产。（也可下载到FPGA中。百万门）中。百万门）绝大部分系统构件都在系统内部。（绝大部分系统构件都在系统内部。（SOC技术与前三种嵌入式处理器是不一样的）技术与前三种嵌入式处理器是不一样的）31西安电子科技大学计算机学院SOPCSOPC用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作作SOP
16、C。可编程片上系统（可编程片上系统（SOPC）是一种特殊是一种特殊的嵌入式系统：的嵌入式系统：首先它是片上系统（首先它是片上系统（SOC），），即由单个芯片完成整即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；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裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。程的功能。32西安电子科技大学计算机学院1.11 1.11 嵌入式操作系统分类嵌入式操作系统分类嵌入式系统软件一般由嵌入式操作系统和应用软件嵌入式系统软件一般由嵌入式操作系统和应用软件组成组
17、成；操作系统是连接计算机硬件与应用程序的；操作系统是连接计算机硬件与应用程序的系统程序，从实时性的角度来看，可分为：系统程序，从实时性的角度来看，可分为：q非实时操作系统（如WinCE，Linux等）q实时操作系统（RTOS）：计算的正确性不仅取决于程序的逻辑正确性，更取决于结果产生的时间。33西安电子科技大学计算机学院1.12 1.12 软件开发环境的建立软件开发环境的建立交叉开发环境交叉开发环境q在线调试q在线仿真qROM监控器软件模拟环境软件模拟环境评估电路板（最为常见）评估电路板（最为常见）34西安电子科技大学计算机学院1.13 1.13 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用工业控制工业控
18、制交通管理交通管理信息家电信息家电家庭智能管理系统家庭智能管理系统POS网络及电子商务，电子政务网络及电子商务，电子政务环境检测环境检测机器人机器人35西安电子科技大学计算机学院1.14 1.14 嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持具和操作系统的支持 互联网成为必然趋势互联网成为必然趋势 支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本低成本 提供精巧的多媒体人机界面提供精巧的多媒体人机界面 36西安电子科技大学计算机学院37西安电子科技大学计算机学院38西安电子科技大学计算机学院39西安电子科技大学计算机学院40西安电子科技大学计算机学院41西安电子科技大学计算机学院42西安电子科技大学计算机学院43西安电子科技大学计算机学院谢谢！谢谢！44西安电子科技大学计算机学院