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1、嵌入式系统与软件 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望课程的主要内容课程的主要内容l嵌入式系统概述嵌入式系统概述概念、分类、发展历程、特点、应用领域、发展趋势概念、分类、发展历程、特点、应用领域、发展趋势l嵌入式硬件系统嵌入式硬件系统基本组成、嵌入式微处理器、总线、存储系统基本组成、嵌入式微处理器、总线、存储系统l嵌入式软件系统嵌入式软件系统分类、特点、体系结构、嵌入式操作系统分类、特点、体系结构、嵌入式操作系统l嵌入式实时内核嵌入式实时内核任务管理、中
2、断管理、任务间通信与同步、时间管理、任务管理、中断管理、任务间通信与同步、时间管理、存储管理、存储管理、I/O管理、管理、l嵌入式系统开发和环境嵌入式系统开发和环境嵌入式软件运行过程、嵌入式软件开发工具、嵌入式嵌入式软件运行过程、嵌入式软件开发工具、嵌入式系统设计方法和原则系统设计方法和原则2电子科技大学嵌入式方向电子科技大学嵌入式方向l长期从事嵌入式系统技术研究、开发、咨长期从事嵌入式系统技术研究、开发、咨询服务和本科询服务和本科/硕士硕士/博士生培养博士生培养 l所研究内容属计算机应用博士点的主要学所研究内容属计算机应用博士点的主要学术方向之一术方向之一l承担并完成了国家承担并完成了国家8
3、63863、电子发展基金、国、电子发展基金、国防预研等多项嵌入式系统相关的重点课题，防预研等多项嵌入式系统相关的重点课题，开发出具有自主版权的嵌入式实时操作系开发出具有自主版权的嵌入式实时操作系统统CRTOSCRTOS系列及开发工具。系列及开发工具。l 成果获得了多项部级科技进步奖成果获得了多项部级科技进步奖3参考教材及参考资料参考教材及参考资料l参考教材：参考教材：嵌入式实时操作系统及应用开发，罗蕾主编，北京航空嵌入式实时操作系统及应用开发，罗蕾主编，北京航空航天大学出版社航天大学出版社嵌入式系统原理及应用开发技术（第嵌入式系统原理及应用开发技术（第2 2版），桑楠主编，版），桑楠主编，高等
4、教育出版社高等教育出版社l参考资料：参考资料：嵌入式计算系统设计原理嵌入式计算系统设计原理 （美）（美）Wayne Wolf Computers as Components：Principles of Embedded Computing System Design嵌入式系统设计嵌入式系统设计 （美）（美）Arnold Berger Embedded Systems Design：An Introduction to Processes，Tools and T,4嵌入式系统概述嵌入式系统概述52020世纪科学技术发展的三大主题世纪科学技术发展的三大主题 l原子与物质原子与物质-量子革命量子革命
5、l基因与生命基因与生命-分子生物革命分子生物革命l计算机与思想计算机与思想-计算机革命计算机革命6计算机发展的三大阶段计算机发展的三大阶段l第一阶段：始于五十年代的由第一阶段：始于五十年代的由IBM、Honeywell等公司率先研制的大型机；等公司率先研制的大型机；l第二阶段：始于七十年代的个人计算机；第二阶段：始于七十年代的个人计算机；l第三阶段：计算机正迈入下一个充满机第三阶段：计算机正迈入下一个充满机遇的阶段遇的阶段“后后PC时代时代”或或“无处不在无处不在的计算机的计算机”阶段。阶段。7PCPC机的优势机的优势lPCPC机进入办公室和家庭，破除了计算机机进入办公室和家庭，破除了计算机的
6、贵族形象，开辟了计算机普及之路；的贵族形象，开辟了计算机普及之路；l发展出以台式机为基础的若干新的计算发展出以台式机为基础的若干新的计算模式：网络计算、分布式计算、移动计模式：网络计算、分布式计算、移动计算和虚拟计算，促进了互联网时代的到算和虚拟计算，促进了互联网时代的到来，有力地推动了计算机技术进步。来，有力地推动了计算机技术进步。8PCPC机机强调强调人去适应由电脑人去适应由电脑制造出来的虚拟世制造出来的虚拟世界，令人陷入而不可自拨，分散人的精力；界，令人陷入而不可自拨，分散人的精力；端坐在电脑桌前才能接受信息服务端坐在电脑桌前才能接受信息服务,束绑了人束绑了人的活动自由，不符合人类普遍的
7、实际情况，的活动自由，不符合人类普遍的实际情况，从而限制电脑真正普及。从而限制电脑真正普及。PCPC机存在的问题与局限机存在的问题与局限而嵌入式系统而嵌入式系统注重人的个性，以注重人的个性，以人为中心人为中心主主动提供所需服务，即电脑适应人动提供所需服务，即电脑适应人。9无处不在的计算机 施乐公司施乐公司Palo AltoPalo Alto研究中心主任研究中心主任Mark WeiserMark Weiser（“无处不在的计算无处不在的计算”之父之父）认为：）认为：“从长远来看，从长远来看，PCPC机和计算机工作站将衰机和计算机工作站将衰落，因为计算机变得无处不在：例如在墙落，因为计算机变得无处
8、不在：例如在墙里、在手腕上、在手写电脑中里、在手腕上、在手写电脑中(象手写纸一象手写纸一样样)等等，随用随取、伸手可及等等，随用随取、伸手可及”。10无处不在的计算机 全世界计算机科学家的共识：全世界计算机科学家的共识：计算机不会成为科幻电影中的那种贪婪计算机不会成为科幻电影中的那种贪婪的怪物，而是将变得小巧玲珑的怪物，而是将变得小巧玲珑,无处不无处不在。他们藏身在任何地方，又消失在所在。他们藏身在任何地方，又消失在所有地方，功能强大，确又无影无踪。人有地方，功能强大，确又无影无踪。人们将这种思想命名为们将这种思想命名为:“无所不在的计无所不在的计算机算机”。11嵌入式系统的应用领域12嵌入式
9、系统的应用领域13火星探测欧洲的欧洲的“火星快车火星快车”、美国、美国“勇气号勇气号”和和“机遇号机遇号”等三颗火星探测器飞往火星，等三颗火星探测器飞往火星，开始了人类的火星之旅。开始了人类的火星之旅。勇气号勇气号14“哥伦比亚哥伦比亚”号，高号，高5656米。米。航天飞机15宇宙飞船16世界上最大的常规动力航空母舰世界上最大的常规动力航空母舰“小鹰小鹰”号号航空母舰17机器人18可穿戴计算可穿戴计算19手机不仅仅是通话的工具Music PhoneSmart Phone20手机21数码相机数码相机22高清晰度数字电视（HDTV）23程控交换机24飞机驾驶模拟器25全球定位系统（GPS）26汽车
10、电子 27汽车电子 28还有很多示例l医院用的医院用的B B超、超、CTCT、核磁共振；、核磁共振；l住宅小区的智能管理；住宅小区的智能管理；l工业控制；工业控制；l油田探井；油田探井；l无线传感网络；无线传感网络；l29l计算机无处不在；计算机无处不在；l计算机与使用者的比率达到和超过计算机与使用者的比率达到和超过100:1100:1的阶段；的阶段；l无处不在的计算机包括通用计算机和嵌入无处不在的计算机包括通用计算机和嵌入式计算机系统；式计算机系统；l在在100:1100:1比例中比例中95%95%以上都是嵌入式计算机以上都是嵌入式计算机系统，并非通用计算机；系统，并非通用计算机；l嵌入式应
11、用带动了计算机产业的迅猛发展。嵌入式应用带动了计算机产业的迅猛发展。嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域30通用计算机-看得见的计算机l如：如：PC机、服务器、大型计算机等。机、服务器、大型计算机等。31通用计算机-看得见的计算机32嵌入式系统的几种定义定义一：早期的定义定义一：早期的定义 看不见的计算机，一般不能被用户看不见的计算机，一般不能被用户编程编程,它有一些专用的它有一些专用的I/OI/O设备设备,对用户对用户的接口是应用专用的的接口是应用专用的。33定义二：定义二：IEEEIEEE的定义的定义 Device used to control，monitor，or assist t
12、he operation of equipment，machinery or plants.嵌入式系统的几种定义34定义三：跨行业的定义定义三：跨行业的定义 先进的计算机技术、半导体技术和先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。的产物。嵌入式系统的几种定义35定义四：基于定义四：基于OSOS的定义的定义 由嵌入式微处理器、外围硬件设备、由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视、管理等
13、功能的计算机系统监视、管理等功能的计算机系统。嵌入式系统的几种定义36定义五：广义的定义定义五：广义的定义 作为某种技术过程的一个核心处理作为某种技术过程的一个核心处理环节，能直接与宿主环境接口或交互的计环节，能直接与宿主环境接口或交互的计算机系统算机系统。嵌入式系统的几种定义37定义六：当前国内通用的定义定义六：当前国内通用的定义 嵌入式系统是以应用为中心、以计嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软件、硬件可配置，对算机技术为基础，软件、硬件可配置，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的几
14、种定义38嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 l嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应用的嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应用的软硬件综合体软硬件综合体 一般用于特定的任务，其硬件和软件都必须高效率一般用于特定的任务，其硬件和软件都必须高效率 地设计，量体裁衣、去除冗余，而通用计算机则是地设计，量体裁衣、去除冗余，而通用计算机则是一个通用的计算平台。一个通用的计算平台。每种嵌入式微处理器大多专用于某个或几个特定的每种嵌入式微处理器大多专用于某个或几个特定的应用，工作在为特定用户群设计的系统中。应用，工作在为特定用户群设计的系统中。它通常都具有它通常都具有低功耗、体积小、集成度高低功耗、体积小、集
15、成度高等特点，等特点，能够把通用微处理器中许多由板卡完成的任务集成能够把通用微处理器中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部。在芯片内部。嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的一体嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的一体化程序。化程序。39嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 l嵌入式系统得到多种类型的处理器和处理器体嵌入式系统得到多种类型的处理器和处理器体系结构的支持系结构的支持 通用计算机采用少数的处理器类型和体系结构，而通用计算机采用少数的处理器类型和体系结构，而且主要掌握在少数大公司手里。且主要掌握在少数大公司手里。嵌入式系统可采用多种类型的处理器和处理器体系嵌入式系统可采用多种类型的处
16、理器和处理器体系结构。结构。在嵌入式微处理器产业链上，在嵌入式微处理器产业链上，IPIP核设计、面向应用核设计、面向应用的特定嵌入式微处理器的设计、芯片的制造已形成的特定嵌入式微处理器的设计、芯片的制造已形成巨大的产业。大家分工协作，形成多赢模式。巨大的产业。大家分工协作，形成多赢模式。有上千种的嵌入式微处理器和几十种嵌入式微处理有上千种的嵌入式微处理器和几十种嵌入式微处理器体系结构可以选择。器体系结构可以选择。40嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点l嵌入式系统通常极其关注成本嵌入式系统通常极其关注成本 成本是产品竞争的关键因素之一成本是产品竞争的关键因素之一嵌入式的系统成本包括嵌入式的系统成本
17、包括:一次性的开发成本一次性的开发成本NRENRE(Non-Recurring(Non-Recurring Engineering)Engineering)成本成本(如专利费等如专利费等)产品成本产品成本:硬件、外壳包装和软件版税等硬件、外壳包装和软件版税等批批量量产产品品的的总总体体成成本本=NRE=NRE成成本本+每每个个产产品品成成本本*产产品总量品总量每个产品的最后成本每个产品的最后成本=总体成本总体成本/产品总量产品总量=NRE=NRE成成本本/产品总量产品总量+每个产品成本每个产品成本 41嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点l嵌入式系统有实时性和可靠性的要求嵌入式系统有实时性和可靠性
18、的要求 一方面大多数实时系统都是嵌入式系统一方面大多数实时系统都是嵌入式系统另一方面嵌入式系统多数有实时性的要求，另一方面嵌入式系统多数有实时性的要求，软件一般是软件一般是固化运行或直接加在内存中运行，固化运行或直接加在内存中运行，具有快速启动的特点。具有快速启动的特点。并对实时的强度要求各不一样，可分为硬实时和软实时。并对实时的强度要求各不一样，可分为硬实时和软实时。嵌入式系统一般要求具有出错处理和自动复位功能，特嵌入式系统一般要求具有出错处理和自动复位功能，特别是对于一些在极端环境下运行的嵌入式系统而言，其别是对于一些在极端环境下运行的嵌入式系统而言，其可靠性设计尤其重要可靠性设计尤其重要
19、。在大多数嵌入式系统的软件中一般都包括一些机制，比在大多数嵌入式系统的软件中一般都包括一些机制，比如硬件的看门狗定时器，软件的内存保护和重启机制。如硬件的看门狗定时器，软件的内存保护和重启机制。42嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点l嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多种类型嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多种类型处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的嵌入式操作系统嵌入式操作系统由由于于嵌嵌入入式式系系统统应应用用的的特特点点，像像嵌嵌入入式式微微处处理理器器一一样样，嵌入式操作系统也是多姿多彩的。嵌入式操作系统也是多姿多彩的。大大多多数数商商业业
20、嵌嵌入入式式操操作作系系统统可可同同时时支支持持不不同同种种类类的的嵌嵌入式微处理器入式微处理器可根据应用的情况进行剪裁、配置可根据应用的情况进行剪裁、配置嵌嵌入入式式操操作作系系统统规规模模小小，所所需需的的资资源源有有限限，如如内内核核规规模在几十模在几十KBKB嵌嵌入入式式操操作作系系统统一一般般包包括括一一个个实实时时内内核核，其其调调度度算算法法一般采用基于优先级的可抢占的调度算法一般采用基于优先级的可抢占的调度算法43嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点同时目前一些操作系统还提供了同时目前一些操作系统还提供了HAHA（High High AvailableAvailable）机制）机制
21、 嵌入式操作系统能与应用软件一样固化运行嵌入式操作系统能与应用软件一样固化运行44嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点l嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法 多数嵌入式系统开发意味着软件与硬件的并多数嵌入式系统开发意味着软件与硬件的并行设计和开发，其开发过程一般分为几个阶段：行设计和开发，其开发过程一般分为几个阶段：1 1、产品定义、产品定义2 2、软件与硬件设计与实现、软件与硬件设计与实现3 3、软件与硬件集成、软件与硬件集成4 4、产品测试与发布、产品测试与发布5 5、维护与升级、维护与升级 45嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点l嵌入式系统开发需要专门工具和
22、特殊方法嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法 由于嵌入式系统资源有限，一般由于嵌入式系统资源有限，一般不具备自主开不具备自主开发能力发能力，产品发布后用户通常也不能对其中的，产品发布后用户通常也不能对其中的软件进行修改，必须有一套专门的开发环境。软件进行修改，必须有一套专门的开发环境。该开发环境包括专门的开发工具（包括设计、该开发环境包括专门的开发工具（包括设计、编译、调试、测试等工具），采用交叉开发的编译、调试、测试等工具），采用交叉开发的方式进行，交叉开发环境如图所示。方式进行，交叉开发环境如图所示。46嵌入式系统的发展历程 l1.1.嵌入式系统的出现和兴起（嵌入式系统的出现和兴起（196
23、0-19701960-1970）应当说把计算装置嵌入在系统和设备之中，在应当说把计算装置嵌入在系统和设备之中，在电子数字计算机出现之前就有了。电子数字计算机出现之前就有了。出现：出现：2020世纪世纪6060年代以晶体管、磁芯存储为基年代以晶体管、磁芯存储为基础的计算机开始用于航空等军用领域。础的计算机开始用于航空等军用领域。第第一一台台机机载载专专用用数数字字计计算算机机是是奥奥托托内内蒂蒂克克斯斯公公司司为为美美国国海海军军舰舰载载轰轰炸炸机机“民民团团团团员员”号号研研制制的的多多功功能能数字分析器数字分析器(Verdan)(Verdan)。同同时时嵌嵌入入式式计计算算机机开开始始应应用
24、用于于工工业业控控制制。19621962年年一一个个美美国国乙乙烯烯厂厂实实现现了了工工业业装装置置中中的的第第一一个个直直接接数数字字控制控制(DDC)(DDC)。47嵌入式系统的发展历程 l1.1.嵌入式系统的出现和兴起（嵌入式系统的出现和兴起（1960-19701960-1970）兴起：兴起：在在1965196519701970年，当时计算机已开始采用年，当时计算机已开始采用集成电路，即集成电路，即第三代计算机第三代计算机。在军事、航空航天领域、工业控制的需求推动下在军事、航空航天领域、工业控制的需求推动下 第第一一次次使使用用机机载载数数字字计计算算机机控控制制的的是是19651965
25、年年发发射射的的Gemini3Gemini3号号，第第一一次次通通过过容容错错来来提提高高可可靠靠性性是是19681968年年的的阿波罗阿波罗4 4号、土星号、土星5 5号。号。19631963年年DECDEC公公司司推推出出PDP8PDP8并并发发展展成成PDP11PDP11系系列列，成成为为工工业生产集中控制的主力军。业生产集中控制的主力军。在在军军用用领领域域中中，为为了了可可靠靠和和满满足足体体积积、重重量量的的严严格格要要求求，还还需需为为各各个个武武器器系系统统设设计计五五花花八八门门的的专专用用的的嵌嵌入入式计算机系统。式计算机系统。48嵌入式系统的发展历程 l2.2.嵌入式系统
26、开始走向繁荣，软件和硬件日嵌入式系统开始走向繁荣，软件和硬件日臻完善（臻完善（1971-19891971-1989）(1)(1)嵌入式系统嵌入式系统大发展是在微处理器问世之后大发展是在微处理器问世之后 19731973年年至至19771977年年间间各各厂厂家家推推出出了了许许多多8 8位位的的微微处处理理器器，包包括括Intel Intel 8080/80858080/8085，Motorola Motorola 的的6800/68026800/6802，ZilogZilog的的Z80Z80和和RockwellRockwell的的65026502。微微处处理理器器不不单单用用来来组组成成微微
27、型型计计算算机机，而而且且用用来来制制造造仪仪器器仪仪表表、医医疗疗设设备备、机机器器人人、家家用用电电器器等等嵌嵌入入式式系统。系统。仅仅8085/Z808085/Z80微微处处理理器器的的销销售售就就超超过过7 7亿亿片片,其其中中大大部部分是用于嵌入式工业控制应用。分是用于嵌入式工业控制应用。49嵌入式系统的发展历程(1)(1)嵌入式系统大发展是在微处理器问世之后嵌入式系统大发展是在微处理器问世之后 微微处处理理器器的的广广泛泛应应用用形形成成了了一一个个广广阔阔的的嵌嵌入入式式应应用用市市场场，计计算算机机厂厂家家除除了了要要继继续续以以整整机机方方式式向向用用户户提提供供工工业业控控
28、制制计计算算机机系系统统外外，开开始始大大量量地地以以插插件件方方式式向向用用户户提提供供OEMOEM产产品品，再再由由用用户户根根据据自自己己的的需需要要构构成成专专用用的的工业控制微型计算机，嵌入到自己的系统设备中。工业控制微型计算机，嵌入到自己的系统设备中。为为了了灵灵活活兼兼容容，形形成成了了标标准准化化、模模块块化化的的单单板板机机系系列列。流流行行的的单单板板计计算算机机有有IntelIntel公公司司的的iSBCiSBC系系列列、ZilogZilog公公司的司的MCBMCB等。等。由由于于兼兼容容的的要要求求，这这就就导导致致了了工工业业控控制制微微机机系系统统总总线线的诞生。的
29、诞生。50嵌入式系统的发展历程(1)(1)嵌入式系统大发展是在微处理器问世之后嵌入式系统大发展是在微处理器问世之后 19761976年年IntelIntel推推出出MultibusMultibus，19831983年年扩扩展展为为带带宽宽达达40MB/S40MB/S的的MultibusMultibus。19781978年年PrologProlog设设计计简简单单的的STDSTD总总线线广广泛泛用用于于小小型型嵌嵌入入式系统。式系统。19811981年年MotorolaMotorola推推出出的的VME_BusVME_Bus则则与与MultibusMultibus瓜瓜分分高端市场。高端市场。目目
30、 前前 在在 工工 业业 控控 制制 领领 域域，嵌嵌 入入 式式 PCPC、PC104PC104、CPCICPCI（Compact Compact PCIPCI）总总线线已已广广泛泛应应用用到到工工业业控控制制领领域。域。51嵌入式系统的发展历程(2)(2)单片机、单片机、DSPDSP出现出现 随随着着微微电电子子工工艺艺水水平平的的提提高高,集集成成电电路路设设计计制制造造商商开开始始把把嵌嵌入入式式应应用用所所需需要要的的微微处处理理器器、I/OI/O接接口口、A/DA/D、D/AD/A转转换换、串串行行接接口口以以及及RAMRAM、ROMROM通通通通集集成成到到一一个个VLSIVLS
31、I中中,制制造造出出面面向向I/OI/O设设计计的的微微控控制制器器，就就是是我们俗称的我们俗称的单片机单片机。还还有有一一批批专专门门用用于于高高速速实实时时信信号号处处理理的的数数字字信信号号处处理器理器DSPDSP。通用。通用DSPDSP和专用和专用DSPDSP两种。两种。52嵌入式系统的发展历程(3)(3)软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善 在在微微处处理理器器出出现现的的初初期期，为为了了保保障障嵌嵌入入式式软软件件的的时时间间、空间效率，软件只能用空间效率，软件只能用汇编语言汇编语言编写。编写。由由于于微微电电子子技技术术的的进进步步，对对软软件件
32、的的时时空空效效率率的的要要求求不不再再那那么么苛苛刻刻了了，嵌嵌入入式式计计算算机机的的软软件件开开始始使使用用PL/M(PL/M(编编译译器器象象汇汇编编但但语语言言象象pascalpascal的的结结构构化化语语言言，也也称称做做“高级汇编语言高级汇编语言”)”)、C C等高级语言等高级语言。对对于于复复杂杂的的嵌嵌入入式式系系统统来来说说除除了了需需要要高高级级语语言言开开发发工工具外，还需要具外，还需要嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统的支持。的支持。8080年年代代初初开开始始出出现现了了一一批批软软件件公公司司，推推出出商商品品化化的的嵌嵌入式实时操作系统和各种开发工具。入式实
33、时操作系统和各种开发工具。53嵌入式系统的发展历程(3)(3)软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善 Ready Ready System(System(后后来来的的Microtec Microtec ResearchResearch、后后来来又又被被Mentor GraphicMentor Graphic收购收购)公司公司Integrated System Incorporation(ISI)Integrated System Incorporation(ISI)WindRiverWindRiver公司（公司（VxworksVxworks嵌入式操作系统）嵌入式操
34、作系统）QNXQNX公司（公司（QNXQNX嵌入式操作系统）嵌入式操作系统）商商用用嵌嵌入入式式实实时时操操作作系系统统和和开开发发工工具具的的出出现现和和推推广广应应用用，使使嵌嵌入入式式系系统统的的开开发发从从作作坊坊式式向向分分工工协协作作规规模模化化的的方方向向发发展展，促促使使嵌嵌入入式式应应用用扩扩展展到到更更广广阔阔的的领域。领域。54嵌入式系统的发展历程 l3.3.嵌入式系统应用走向纵深（嵌入式系统应用走向纵深（19901990年年-现在）现在）进入进入2020世纪世纪9090年代年代,在分布控制、柔性制造、在分布控制、柔性制造、数字化通信和数字化家电等巨大需求的牵引下，数字化
35、通信和数字化家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统的硬件、软件技术进一步加速发展、嵌入式系统的硬件、软件技术进一步加速发展、应用领域进一步扩大。应用领域进一步扩大。55嵌入式系统的发展历程 l3.3.嵌入式系统应用走向纵深（嵌入式系统应用走向纵深（19901990年年-现在）现在）嵌入式系统的硬件嵌入式系统的硬件4 4位、位、8 8位、十六位微处理器芯片已逐步让位于位、十六位微处理器芯片已逐步让位于3232位位嵌入式微处理器芯片。嵌入式微处理器芯片。面向不同应用领域的（面向不同应用领域的（Application-SpecificApplication-Specific）、）、功能强大、集成度高、种
36、类繁多、价格低廉、低功功能强大、集成度高、种类繁多、价格低廉、低功耗的耗的3232位芯片已大量应用于各种各样的军用和民用位芯片已大量应用于各种各样的军用和民用设备。设备。DSPDSP向高速、高精度、低功耗发展。向高速、高精度、低功耗发展。DSPDSP与通用嵌入式微处理器集成已成为现实与通用嵌入式微处理器集成已成为现实，并已，并已大量应用于嵌入式系统，如手机、大量应用于嵌入式系统，如手机、IPIP电话等。电话等。56Microprocessor Chaos1980198019901990199619961998199868000Z80808680 x8680 x86CPU32CPU32680 x
37、0680 x0i960i960MIPSMIPSSPARCSPARCColdFIREColdFIREAlphaAlphaSH 1/2/3SH 1/2/3ARMARMSPARCSPARCi960i960MIPSMIPSPentiumPentium80 x8680 x86PowerPCPowerPCCPU32CPU32680 x0680 x0SH 4/5SH 4/5SH-DSPSH-DSPSH 1/2/3SH 1/2/3ARMARMSPARCSPARCi960i960MIPSMIPSPentiumPentium80 x8680 x86PowerPCPowerPCCPU32CPU32680 x0680
38、 x0SA1500SA1500MAP1000MAP1000AltiVECAltiVECMercedMercedMCOREMCORESHARCSHARC563xx563xxLucentLucent1600016000C6xC6xSI 20SI 20TriCoreTriCore57嵌入式系统的发展历程 l3.3.嵌入式系统应用走向纵深（嵌入式系统应用走向纵深（19901990年年-现在）现在）嵌入式系统的硬件嵌入式系统的硬件在工业控制领域，嵌入式在工业控制领域，嵌入式PCPC大量应用于嵌入式系大量应用于嵌入式系统中。统中。PC104PC104、CPCICPCI（Compact PCICompact
39、 PCI）总线应其成本低、）总线应其成本低、兼容性化也已广泛应用。兼容性化也已广泛应用。嵌入式系统的软件嵌入式系统的软件随着微处理器性能的提高，嵌入式软件的规模也随着微处理器性能的提高，嵌入式软件的规模也随着发生指数型增长。随着发生指数型增长。58嵌入式软件危机嵌入式软件危机低价位的低价位的低价位的低价位的 RISC/32-RISC/32-位位位位微处理器微处理器微处理器微处理器日益复杂的日益复杂的日益复杂的日益复杂的应用应用应用应用产品推向市场的产品推向市场的产品推向市场的产品推向市场的时间压力时间压力时间压力时间压力开发成本的提高开发成本的提高开发成本的提高开发成本的提高嵌入式嵌入式嵌入式
40、嵌入式软件危机软件危机软件危机软件危机59嵌入式系统的发展历程 l3.3.嵌入式系统应用走向纵深（嵌入式系统应用走向纵深（19901990年年-现在）现在）嵌入式系统的软件嵌入式系统的软件为此，嵌入式系统已大量采用嵌入式操作系统。为此，嵌入式系统已大量采用嵌入式操作系统。嵌入式操作系统功能不断的扩大和丰富，由嵌入式操作系统功能不断的扩大和丰富，由8080年年代只有内核发展为包括内核、网络、文件、图形代只有内核发展为包括内核、网络、文件、图形接口、嵌入式接口、嵌入式JAVAJAVA、嵌入式、嵌入式CORBACORBA及分布式处理及分布式处理等丰富功能的集合。等丰富功能的集合。此外，嵌入式开发工具
41、更加丰富，其集成度和易此外，嵌入式开发工具更加丰富，其集成度和易用性不断提高，目前不同厂商已开发出不同类型用性不断提高，目前不同厂商已开发出不同类型的嵌入式开发工具，可以覆盖嵌入式软件开发过的嵌入式开发工具，可以覆盖嵌入式软件开发过程各个阶段，提高嵌入式软件开发效率。程各个阶段，提高嵌入式软件开发效率。60嵌入式操作系统的演变*Percent of total software supplied by RTOS vendor in a typical embedded*Percent of total software supplied by RTOS vendor in a typical
42、embedded devicedevice198019801991990 0199619961998199810%*10%*Kernel30%*30%*KernelKernelNetworkingNetworkingFile SystemFile System75%*75%*KernelKernelNetworkingNetworkingFile SystemFile SystemMultiprocessingMultiprocessingMemory ManagementMemory ManagementNetworking UtilityNetworking UtilityWindows
43、APIWindows APIApplicationApplicationApplicationApplicationApplicationApplicationApplicationApplication90%*90%*KernelKernelNetworkingNetworkingFile SystemFile SystemMultiprocessingMultiprocessingFault ToleranceFault ToleranceDistributed ObjectsDistributed ObjectsAdvanced NetworkingAdvanced Networking
44、Advanced InterconnectAdvanced InterconnectJavaJavaBrowser/GUIBrowser/GUI6162嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类 l按嵌入式处理器的位数来分类按嵌入式处理器的位数来分类嵌入式系统分为嵌入式系统分为4 4位、位、8 8位、位、1616位、位、3232位和位和6464位。位。目前正在使用的有目前正在使用的有4 4位、位、8 8位、位、1616位、位、3232位嵌入式系统位嵌入式系统但但3232位嵌入式系统是主流位嵌入式系统是主流高高度度复复杂杂的的、高高速速的的嵌嵌入入式式系系统统已已开开始始采采用用6464位位嵌嵌入入式处理
45、器式处理器l按应用来分类按应用来分类嵌嵌入入式式系系统统可可分分为为信信息息家家电电类类、移移动动终终端端类类、通通信信类类、汽车电子类、工业控制类等汽车电子类、工业控制类等 63嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类l按实时性来分类按实时性来分类 1.1.按确定性分类按确定性分类根根据据实实时时性性的的强强弱弱，可可将将嵌嵌入入式式系系统统分分为为硬硬实时、软实时系统实时、软实时系统.硬硬实实时时:系系统统对对系系统统响响应应时时间间有有严严格格的的要要求求，如如果果系系统统响响应应时时间间不不能能满满足足，就就要要引引起起系系统统崩溃或致命的错误。崩溃或致命的错误。软软实实时时:系系统统对对系系
46、统统响响应应时时间间有有要要求求，但但是是如如果果系系统统响响应应时时间间不不能能满满足足，不不会会导导致致系系统统出现致命的错误或崩溃。出现致命的错误或崩溃。64 2.2.按响应速度分类按响应速度分类 强强实实时时系系统统,其其系系统统响响应应时时间间在在毫毫秒秒或或微微秒级秒级;一一般般实实时时系系统统,其其系系统统响响应应时时间间在在几几秒秒的的数数量量级级上上,其其实实时时性性的的要要求求比比强强实实时时系系统统要要差差一些。一些。弱弱实实时时系系统统,其其系系统统响响应应时时间间约约为为数数十十秒秒或或更更长长。这这种种系系统统的的响响应应时时间间可可能能随随系系统统负负载的轻重而变
47、化。载的轻重而变化。65嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类l按嵌入式系统软件复杂程度来分类按嵌入式系统软件复杂程度来分类 循环轮询系统循环轮询系统有限状态机系统有限状态机系统前后台系统前后台系统单处理器多任务系统单处理器多任务系统多处理器多任务系统多处理器多任务系统66嵌入式系统组成l嵌入式系统一般由嵌入式嵌入式系统一般由嵌入式硬件硬件和和软件软件组成组成l硬件硬件以微处理器为核心集成存储器和系统以微处理器为核心集成存储器和系统专用的输入专用的输入/输出设备输出设备l软件软件包括：初始化代码及驱动、嵌入式操包括：初始化代码及驱动、嵌入式操作系统和应用程序等，这些软件有机地结作系统和应用程序等，这
48、些软件有机地结合在一起，形成系统特定的一体化软件。合在一起，形成系统特定的一体化软件。67嵌入式系统基本结构嵌入式系统基本结构68嵌入式硬件组成嵌入式硬件组成69嵌入式软件组成嵌入式软件组成70嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势l以信息家电、移动终端、汽车电子、网络设备等为以信息家电、移动终端、汽车电子、网络设备等为代表的互联网时代的嵌入式系统，不仅为嵌入式市代表的互联网时代的嵌入式系统，不仅为嵌入式市场展现了美好前景，注入了新的生命，同时也对嵌场展现了美好前景，注入了新的生命，同时也对嵌入式系统技术，提出新的挑战。入式系统技术，提出新的挑战。l这主要包括：这主要包括：l支持日趋增长的功
49、能密度支持日趋增长的功能密度l灵活的网络联接灵活的网络联接l轻便的移动应用轻便的移动应用l多媒体的信息处理、低功耗、人机界面友好互动多媒体的信息处理、低功耗、人机界面友好互动l支持二次开发和动态升级等支持二次开发和动态升级等 71l形成行业的标准：行业性嵌入式软硬件形成行业的标准：行业性嵌入式软硬件平台平台 嵌入式系统是以应用为中心的系统，不会象嵌入式系统是以应用为中心的系统，不会象PCPC一样只有一种平台一样只有一种平台吸取吸取PCPC的成功经验，形成不同行业的标准。的成功经验，形成不同行业的标准。统一的行业标准具有开放、设计技术共享、统一的行业标准具有开放、设计技术共享、软硬件重用、构件兼
50、容、维护方便和合作生软硬件重用、构件兼容、维护方便和合作生产的特点，是增强行业性产品竞争能力的有产的特点，是增强行业性产品竞争能力的有效手段。效手段。嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势72l形成行业的标准：行业性嵌入式软硬件平形成行业的标准：行业性嵌入式软硬件平台台 在工业控制等领域，嵌入式在工业控制等领域，嵌入式PCPC已成为一种标准已成为一种标准的软硬件平台。硬件兼容的软硬件平台。硬件兼容PCPC，以，以ISAISA、CPCICPCI为标为标准总线，并扩展准总线，并扩展DOCDOC（Disk On ChipDisk On Chip）、）、DOMDOM（Disk On ModuleDi