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1、嵌入式系统概况11 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。有生命必有希望主要内容主要内容1.1.嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义2.2.嵌入式技术的应用领域及发展趋势嵌入式技术的应用领域及发展趋势3.3.嵌入式系统组成嵌入式系统组成 2 IEEE(IEEE(国际电气和电子工程师协会国际电气和电子工程师协会)定义定义 嵌入式系统是嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置助操作机器和设备的装置”。定义是从定义是从应用应用上考虑的，嵌入式系
2、统是软上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，件和硬件的综合体，这个装置可以完成一些这个装置可以完成一些特定的功能和任务，能够在没有人工干预的特定的功能和任务，能够在没有人工干预的情况下独立地进行实时监测和控制。情况下独立地进行实时监测和控制。一、定义一、定义 1.IEEE 1.IEEE定义定义32.2.一般定义一般定义 “以以应用应用为中心，以计算机技术为为中心，以计算机技术为基础，软件、硬件可裁减，基础，软件、硬件可裁减，功能功能、可靠可靠性性、成本成本、体积体积、功耗严格要求功耗严格要求的专用的专用计算机系统。计算机系统。嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。嵌入式系统本身是一个相对模糊
3、的定义。一个手持的一个手持的MP3MP3、MP4MP4和一个小型工控机都可和一个小型工控机都可以认为是嵌入式系统。总之，嵌入式系统采以认为是嵌入式系统。总之，嵌入式系统采用用“量体裁衣量体裁衣”的方式把所需的功能嵌入到的方式把所需的功能嵌入到各种应用系统中的计算机系统。各种应用系统中的计算机系统。4l按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入式系统应定义为式系统应定义为“嵌入到对象体系中的专嵌入到对象体系中的专用计算机系统用计算机系统”。“嵌入性嵌入性”、“专用性专用性”与与“计算机系统计算机系统”是嵌入式系统的是嵌入式系统的3个个基本要素；对象体系则是指嵌入式系
4、统所基本要素；对象体系则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。嵌入的宿主系统。53.特点l实时性l可靠性l体积受限制性l功耗微小性l无自举性l成本低廉性6和通用的计算机系统相比，嵌入式系统具有以下特征：l1、用于特定的任务l2、极其关注成本l3、大多有功耗的要求l4、有实时的要求l6、软件要求固态化存储 l7、软件硬件可靠性要求更高l8、相关产品具有较长的生命周期7二、嵌入式技术的应用领域及发展趋势二、嵌入式技术的应用领域及发展趋势嵌入式技术的现状嵌入式技术的现状 嵌入式技术的应用领域嵌入式技术的应用领域 嵌入式技术的发展趋势嵌入式技术的发展趋势81、摩尔定律l 摩尔定律是由英特尔名誉董事长、创立者
5、之一的摩尔定律是由英特尔名誉董事长、创立者之一的戈登戈登摩尔摩尔（Gordon Moore）经过长期观察发现得之。）经过长期观察发现得之。l 1965年年4月月19日，日，摩尔应邀为电子学杂志摩尔应邀为电子学杂志35周年周年专刊写了一篇观察评论，题目是：专刊写了一篇观察评论，题目是：“让集成电路填满更让集成电路填满更多的元件多的元件”。在文章中他预测：集成电路上可容纳的。在文章中他预测：集成电路上可容纳的晶晶体管体管数目，约每隔数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，计算机芯个月便会增加一倍，计算机芯片性能每年也将提升一倍，制造成本减少。片性能每年也将提升一倍，制造成本减少。l40多年的芯片发
6、展证明了摩尔定律的正确性。芯片技术多年的芯片发展证明了摩尔定律的正确性。芯片技术的发展有力的推动了通用计算机系统和嵌入式系统的发的发展有力的推动了通用计算机系统和嵌入式系统的发展，使之飞速前进和普及。展，使之飞速前进和普及。l摩尔定律有四个鸿沟：散热、电流泄露、热噪、基片尺摩尔定律有四个鸿沟：散热、电流泄露、热噪、基片尺寸大小。寸大小。92.2.嵌入式技术的现状嵌入式技术的现状 随着信息化、智能化、网络化的发展，随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式技术也获得了广阔发展空间。嵌入式技术也获得了广阔发展空间。在硬件方面，市场上不仅有各大公司生在硬件方面，市场上不仅有各大公司生产的各种微处理器芯
7、片产的各种微处理器芯片,还有用于学习和进还有用于学习和进行研发的各种配套的软件开发包和开发工具。行研发的各种配套的软件开发包和开发工具。目前，嵌入式底层系统和硬件平台已经相对目前，嵌入式底层系统和硬件平台已经相对比较成熟，实现各种功能的芯片很多，巨大比较成熟，实现各种功能的芯片很多，巨大的市场需求给我们提供了学习嵌入式技术的的市场需求给我们提供了学习嵌入式技术的机遇。机遇。1011 嵌入式技术的现状嵌入式技术的现状 在软件方面，也有相当多的成熟软件系统。国在软件方面，也有相当多的成熟软件系统。国外的嵌入式操作系统有外的嵌入式操作系统有Windows CEWindows CE、LinuxLinu
8、x、ucOSucOS、VxWorksVxWorks等。我国自主开发的嵌入式系统软件产品，等。我国自主开发的嵌入式系统软件产品，如科银京城公司的如科银京城公司的DeltaSystemDeltaSystem开发平台，中科院开发平台，中科院推出的推出的HopenHopen嵌入式操作系统。嵌入式操作系统。嵌入式系统技术的发展，大致经历了以下四个嵌入式系统技术的发展，大致经历了以下四个阶段：无操作系统阶段，如单片机；简单操作系统阶段：无操作系统阶段，如单片机；简单操作系统阶段，如阶段，如Power PCPower PC；实时操作系统阶段，如；实时操作系统阶段，如DSPDSP数数字信号处理字信号处理；面向
9、；面向InternetInternet阶段。阶段。12DSP数字信号处理数字信号处理的应用范围1l l语音处理语音处理语音处理语音处理：语音编码、语音合成、语音识别、语音增：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音储存等。强、语音邮件、语音储存等。l l图像图像图像图像/图形图形图形图形：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像识别、动画、机器人视觉、多媒体、电子地图、图图像识别、动画、机器人视觉、多媒体、电子地图、图像增强等。像增强等。l l军事军事军事军事；保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、全球；保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、全球
10、定位、跳频电台、搜索和反搜索等。定位、跳频电台、搜索和反搜索等。l l仪器仪表仪器仪表仪器仪表仪器仪表：频谱分析、函数发生、数据采集、地震处：频谱分析、函数发生、数据采集、地震处理等。理等。l l自动控制自动控制自动控制自动控制：控制深空作业、自动驾驶、机器人控制、：控制深空作业、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等。磁盘控制等。l l13DSP数字信号处理数字信号处理的应用范围2l l医疗医疗：助听、超声设备、诊断工具、病人监护、助听、超声设备、诊断工具、病人监护、助听、超声设备、诊断工具、病人监护、助听、超声设备、诊断工具、病人监护、心电图等心电图等心电图等心电图等。l l家用电器家用电器：数
11、字音响、数字电视、可视电话、数字音响、数字电视、可视电话、数字音响、数字电视、可视电话、数字音响、数字电视、可视电话、音乐合成、音调控制、玩具与游戏等音乐合成、音调控制、玩具与游戏等音乐合成、音调控制、玩具与游戏等音乐合成、音调控制、玩具与游戏等。l l生物医学信号处理生物医学信号处理：CT CT：计算机计算机计算机计算机X X射线断层射线断层射线断层射线断层摄影装置。（其中发明头颅摄影装置。（其中发明头颅摄影装置。（其中发明头颅摄影装置。（其中发明头颅CTCT英国英国英国英国EMIEMI公司的公司的公司的公司的豪斯菲尔德获诺贝尔奖。）豪斯菲尔德获诺贝尔奖。）豪斯菲尔德获诺贝尔奖。）豪斯菲尔德
12、获诺贝尔奖。）l lCAT:CAT:计算机计算机计算机计算机X X射线空间重建装置。出现全身射线空间重建装置。出现全身射线空间重建装置。出现全身射线空间重建装置。出现全身扫描，心脏活动立体图形，脑肿瘤异物，人体扫描，心脏活动立体图形，脑肿瘤异物，人体扫描，心脏活动立体图形，脑肿瘤异物，人体扫描，心脏活动立体图形，脑肿瘤异物，人体躯干图像重建。躯干图像重建。躯干图像重建。躯干图像重建。l l心电图分析。心电图分析。心电图分析。心电图分析。143.3.嵌入式技术的应用领域嵌入式技术的应用领域 嵌入式技术可应用在：工业控制；交嵌入式技术可应用在：工业控制；交通管理；信息家电；家庭智能管理；网络通管理
13、；信息家电；家庭智能管理；网络及电子商务；环境监测；机器人等领域。及电子商务；环境监测；机器人等领域。在工业和服务领域中，大量嵌入式技在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控机床、智术也已经应用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等行业，能工具、工业机器人、服务机器人等行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。例如，飞机的电子设备、城市地铁购式。例如，飞机的电子设备、城市地铁购票系统等都应用嵌入式系统来实现。票系统等都应用嵌入式系统来实现。15嵌入式系统的应用领域示意图嵌入式系统的应用领域示意图工控设备工控设备嵌入式
14、应用嵌入式应用信息家电信息家电智能玩具智能玩具军事电子军事电子通信设备通信设备移动存贮移动存贮智能仪表智能仪表汽车电子汽车电子网络设备网络设备消费电子消费电子军事国防军事国防电子商务电子商务工业控制工业控制网络网络16一些典型的嵌入式系统应用实例一些典型的嵌入式系统应用实例goReader Internet eBookSamsung AnyWebInternet Screen PhoneeRemoteIntelligent Home ControllerTektronix TDS7000 Digital OscilloscopesNixvue Digital AlbumDigital Phot
15、o Album174.4.其他方面的应用举例其他方面的应用举例 ARM ARM技术在许多领域已经取得了很大的技术在许多领域已经取得了很大的成功。成功。比如，目前绝大部分的无线设备（如比如，目前绝大部分的无线设备（如手机等）和手机等）和PDAPDA个人数字助理个人数字助理之类的无线设之类的无线设备中都采用了嵌入式技术。在数字音频播放备中都采用了嵌入式技术。在数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中也得到了更广泛器、数字机顶盒和游戏机中也得到了更广泛的应用。的应用。18典型的典型的ARMARM嵌入式系统应用实例嵌入式系统应用实例19嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用n家用方面：数字电视、信息家电
16、、智能玩家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备。具、手持通讯、存储设备。20嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用 家庭智能管理系统：社区建筑的水、家庭智能管理系统：社区建筑的水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，远程点菜器等。防盗系统，远程点菜器等。21嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用 社会发展方面：嵌入式社会发展方面：嵌入式InternetInternet应用应用22嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用l汽车电子：汽车电子：汽车电子产品（汽车电子产品（1818个嵌入式控个嵌入式控制模块）制模块）CANCAN总
17、线网络。总线网络。VOLVO S80汽车的CAN总线网络23VOLVO S80汽车l2cem 中央电子模块中央电子模块,是网络的主控制模块及高低速侧是网络的主控制模块及高低速侧之间的界面之间的界面,该模块具有电路系统的全部功能该模块具有电路系统的全部功能l1bcm 制动控制摸块制动控制摸块,是控制是控制abs ebd stc dstc l3ccm 恒温控制模块恒温控制模块,控制恒温控制系统功能并与其他控制恒温控制系统功能并与其他模块通过网络低速部分通信模块通过网络低速部分通信l5ddm 驾驶人侧车门模块驾驶人侧车门模块,控制驾驶人侧车门的各种功控制驾驶人侧车门的各种功能和其他车门的某些功能能和
18、其他车门的某些功能7dim 驾驶人信息模块驾驶人信息模块,控制控制综合仪表板功能综合仪表板功能,。l8ecm 发动机控制模块发动机控制模块,控制发动机的功能。控制发动机的功能。l20srs 安全辅助系统控制模块安全辅助系统控制模块,控制车辆碰撞安全系统控制车辆碰撞安全系统,24嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用 智能玩具与机器人智能玩具与机器人25嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用智能机器鱼技术研究智能机器鱼技术研究26嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用仿人型机器人仿人型机器人Humanoid by University of Humanoid by Beijing Defe
19、nse Technology in 1999Institute of Technology in 2002 27基于基于Win CE的移动机器人平台的移动机器人平台28嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用军事侦察军事侦察阿富汗参加反恐作战的“赫耳墨斯”价值4万美元，可携带2架摄像机，发挥了很好作用。29嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用反恐防暴反恐防暴20022002年年1111月月2828日，以色列日，以色列一选举投票一选举投票点，发生枪点，发生枪击事件，造击事件，造成至少成至少7 7人人死亡，数十死亡，数十人受伤。以人受伤。以警方用机器警方用机器人在检查一人在检查一具巴勒斯坦具巴
20、勒斯坦枪手的尸体。枪手的尸体。30嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用 掌上电脑掌上电脑uCPU:intel PXA255 400MHzuFLASH:64MuSDRAM:64MuBluetouthu影音uCompact Flashu电源管理31嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用产品介绍产品介绍-基于基于RTLinuxRTLinux的仿人机器人的仿人机器人 高 48 cm重:6 kg灵活性：20 DOF操作系统:RT-Linux接口形式:USB 1.0(12Mbps)响应周期:1ms能源：DC24V x 6.2A(150W)制造：富士通 32嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用智能
21、监控系统智能监控系统33嵌入式系统的具体应用嵌入式系统的具体应用产品介绍产品介绍-基于基于VXworksVXworks的火星探路者的火星探路者34结论：结论：事实上，嵌入式技术无处不在，事实上，嵌入式技术无处不在，计计算机应用技术也开始进入一个被算机应用技术也开始进入一个被称为称为后后PCPC技术时代，即通用机与嵌技术时代，即通用机与嵌入式系统并存发展的时代入式系统并存发展的时代。355 5、嵌入式技术的发展趋势嵌入式技术的发展趋势 1 1）目前的发展）目前的发展 经济性经济性 计算机要让更多的人能买得起；计算机要让更多的人能买得起；小型化小型化 （笔记本、（笔记本、PDAPDA）人们携带方便
22、；）人们携带方便；可靠性可靠性 汽车、机车、飞机运行汽车、机车、飞机运行;稳定性稳定性 能够在一般或是苛刻的环境条件下运行；能够在一般或是苛刻的环境条件下运行；高速度高速度 汽车、机车、飞机刹车系统；汽车、机车、飞机刹车系统；实时性实时性 能够迅速地完成数据计算、数据传输；能够迅速地完成数据计算、数据传输；智能性智能性 知识推理、模糊查询、识别、感知运动；知识推理、模糊查询、识别、感知运动；实用性实用性 使人们用起来更习惯，更有使用价值。使人们用起来更习惯，更有使用价值。36ARM简介lARM是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能
23、低的能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、教育类多媒体、DSP和移和移动式应用等。动式应用等。ARM将其技术授权给世界上许多著名的将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和半导体、软件和OEM厂商，每个厂商得到的都是一套独厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的一无二的ARM相关技术及服务。利用这种合伙关系，相关技术及服务。利用这种合伙关系，ARM很快成为许多全球性很快成为许多全球性RISC标准的缔造
24、者。标准的缔造者。目前，目前，总共有总共有30家半导体公司与家半导体公司与ARM签订了硬件技术使用许签订了硬件技术使用许可协议，其中包括可协议，其中包括Intel、IBM、LG半导体、半导体、NEC、SONY、菲利浦和国民半导体这样的大公司。至于软件、菲利浦和国民半导体这样的大公司。至于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳和系统的合伙人，则包括微软、升阳和MRI等一系列知名等一系列知名公司。公司。ARM架构是面向低预算市场设计的第一款架构是面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。微处理器。372 2）未来发展趋势）未来发展趋势l支持开发的工具和操作系统支持开发的工具和操作系统l联网成为必然趋
25、势联网成为必然趋势 l精简系统内核、算法，设备实现小尺精简系统内核、算法，设备实现小尺 寸、微功耗和低成本寸、微功耗和低成本 l提供精巧的多媒体人机界面提供精巧的多媒体人机界面 38l分析：分析：2010年，中国嵌入式产业规模保持年，中国嵌入式产业规模保持快速增长态势，年均复合增长率快速增长态势，年均复合增长率 25.8%，2010年达到年达到 3339.6 亿元的规模。亿元的规模。3940（1 1）支持开发的工具和操作系统）支持开发的工具和操作系统l软件系统开发工具和软件包软件系统开发工具和软件包l采用实时多任务编程技术采用实时多任务编程技术l交叉开发工具技术交叉开发工具技术l简化应用程序设
26、计简化应用程序设计l保障软件质量保障软件质量l缩短开发周期缩短开发周期41（2 2）联网成为必然趋势）联网成为必然趋势 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通信接口部联网要求，嵌入设备必需配有通信接口,相应需相应需要要TCP/IPTCP/IP协议簇软件支持协议簇软件支持。由于家用电器相互关联由于家用电器相互关联(如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息端交换信息)及实验现场仪器的协调
27、工作等要求，及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备新一代嵌入式设备还需具备还需具备IEEE1394IEEE1394、USBUSB、CANCAN、BluetoothBluetooth或或IrDAIrDA通信接口，同时也需要提供相应通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式，如应用软件的特定编程模式，如WebWeb或无线或无线WebWeb编程模编程模式，还需要相应的浏览器，如式，还需要相应的浏览器，如HTMLHTML、WMLWML等。等。42（3 3）精简系统内核、算法，设备实现小）精简系统内
28、核、算法，设备实现小尺寸、微功耗和低成本尺寸、微功耗和低成本 为满足这种特性，要求嵌入式产品设为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存容计者相应降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。入式软件设计技术要求。43（4 4）提供精巧的多媒体人机界面）提供精巧的多媒体人机界面 嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间的亲和利，自然的人因素之一是它们与使用者之间的亲和利，自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还机交互界
29、面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交互要求以息终端交互要求以GUIGUI屏幕为中心的多媒体界面。屏幕为中心的多媒体界面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效。目前一些先进的彩色图形、图像已取得初步成效。目前一些先进的PDAPDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，但离掌式语言、同声翻译还有很大距离。布，但离掌式语言、同声翻译还有很大距离。44三三.嵌入式系统组成简介嵌入式系
30、统组成简介 嵌入式系统的重要特征嵌入式系统的重要特征 典型嵌式系统的硬件组成典型嵌式系统的硬件组成 嵌入式系统的软件组成嵌入式系统的软件组成451.嵌入式系统的基本组成46嵌入式系统的架构图嵌入式系统的架构图输入输入输出输出操作系统操作系统应用程序应用程序软件软件结构结构硬件硬件结构结构47 应用程序应用程序实时操作系统（实时操作系统（RTOS）输入输输入输出接口出接口处理器处理器/ARM核核MMU/CacheSOC/SOPCUSBGPIOIISLCDUART和和IrDAADC/DACFPGA/CPLDDSP/浮点运算协处理器浮点运算协处理器DMA电源管理电源管理人机交互接口人机交互接口LCD
31、/触摸屏、键盘、鼠标触摸屏、键盘、鼠标设备驱动程序、设备驱动程序、HAL、BSP文件系统文件系统/图形用户应用程序接口图形用户应用程序接口驱动层驱动层OS层层应用层应用层软软 件件以太网以太网看门狗及复看门狗及复位电路位电路Timer/RTCCANFlashSDRAMSRAM内内存存硬硬 件件48软件硬件基本要素软件硬件基本要素硬件硬件l嵌入式处理器嵌入式处理器l各种类型存储器各种类型存储器l模拟电路及电源模拟电路及电源l接口控制器及接插件接口控制器及接插件软件软件l实时操作系统（实时操作系统（RTOS）l板级支持包（板级支持包（BSP）l设备驱动（设备驱动（Device Driver）l协议
32、栈（协议栈（Protocol Stack）l应用程序（应用程序（Application）49体系结构API(应用程序编程接口应用程序编程接口)设备管理设备管理中断驱动程序中断驱动程序串口驱动程序串口驱动程序键盘驱动程序键盘驱动程序串口卡串口卡A 硬件抽象硬件抽象串口卡串口卡B 硬件抽象硬件抽象串口串口1串口串口2串口串口4串口串口2串口串口3串口串口1驱动逻辑层驱动逻辑层硬件抽象层硬件抽象层设备设备设备管理层设备管理层API层层为了有效组织和管理各种不同的设备，可以采用分层的思想，为了有效组织和管理各种不同的设备，可以采用分层的思想，把把I/OI/O系统从上到下分为四层，分别为系统从上到下分为
33、四层，分别为API(API(应用程序编程接口应用程序编程接口)、设备管理、驱动逻辑和硬件抽象。、设备管理、驱动逻辑和硬件抽象。50 嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为核心，配置必要的外围接口部件。在嵌入核心，配置必要的外围接口部件。在嵌入式系统设计中，应尽可能选择适用于系统式系统设计中，应尽可能选择适用于系统功能接口的功能接口的SoC/SOPCSoC/SOPC芯片，以最少的外围芯片，以最少的外围部件构成一个应用系统，满足嵌入式系统部件构成一个应用系统，满足嵌入式系统的特殊要求。的特殊要求。一般包括有一般包括有 ：嵌入式处理器：嵌入式处理器;存储器存储器;I/O
34、;I/O系统和外设。系统和外设。1 1）嵌入式系统硬件系统）嵌入式系统硬件系统51 包括包括 ：操作系统、应用软件、驱动层软件操作系统、应用软件、驱动层软件。(1)(1)操作系统功能简介操作系统功能简介 操作系统层包含嵌入式内核、嵌入式操作系统层包含嵌入式内核、嵌入式TCP/IPTCP/IP网网络系统、嵌入式文件系统、嵌入式络系统、嵌入式文件系统、嵌入式GUIGUI系统和电源系统和电源管理等部分。其中嵌入式内核是基础和必备的部分，管理等部分。其中嵌入式内核是基础和必备的部分，其他部分要根据嵌入式系统的需要来确定。其他部分要根据嵌入式系统的需要来确定。作为嵌入式系统软硬件资源的管理者，负责系作为
35、嵌入式系统软硬件资源的管理者，负责系统软硬件资源的调度与分配，保证系统资源被有效统软硬件资源的调度与分配，保证系统资源被有效合理使用。嵌入式操作系统掩盖了底层硬件的复杂合理使用。嵌入式操作系统掩盖了底层硬件的复杂性，提高了软件的开发效率和可维护性。性，提高了软件的开发效率和可维护性。2 2）嵌入式系统的软件系统）嵌入式系统的软件系统52 嵌入式嵌入式操作系统操作系统非实时非实时操作系统操作系统实时实时操作系统操作系统硬实时硬实时操作系统操作系统软实时软实时操作系统操作系统(1)嵌入式操作系统嵌入式操作系统53（2 2）应用程序）应用程序 应用层软件主要是由多个相对独应用层软件主要是由多个相对独
36、立的应用任务组成，每个应用任务完立的应用任务组成，每个应用任务完成特定的工作，如成特定的工作，如I/OI/O任务、计算的任任务、计算的任务和通信的任务等，一般由操作系统务和通信的任务等，一般由操作系统调度各个调度各个任务任务。应用层要针对不同的。应用层要针对不同的应用而编写的程序。应用而编写的程序。54（3 3）中间层（驱动层软件）中间层（驱动层软件）使用任何外设都需要有驱动程序的支持，使用任何外设都需要有驱动程序的支持，驱动程序不仅要实现设备的基本功能函数，驱动程序不仅要实现设备的基本功能函数，如初始化、中断响应、发送、接收等，而且如初始化、中断响应、发送、接收等，而且还要提供完备的错误处理
37、函数。中间层为上还要提供完备的错误处理函数。中间层为上层软件提供了设备的操作接口。上层程序层软件提供了设备的操作接口。上层程序只只需需调用驱动程序提供的接口，而不用理会设调用驱动程序提供的接口，而不用理会设备具体的内部操作。备具体的内部操作。驱动层软件（中间层）将系统软件与底驱动层软件（中间层）将系统软件与底层硬件部分进行了隔离，使得系统的底层设层硬件部分进行了隔离，使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关。具体包括硬件抽象备驱动程序与硬件无关。具体包括硬件抽象层层HALHAL和板级支持包和板级支持包BSPBSP。55 HALHAL是位于操作系统内核与硬件电路之间是位于操作系统内核与硬件电路之间的
38、接口层，其目的是将硬件抽象化，可以通的接口层，其目的是将硬件抽象化，可以通过程序来控制所有硬件电路，如过程序来控制所有硬件电路，如CPUCPU、I/OI/O、存储器等的操作，从而使设备驱动程序与硬存储器等的操作，从而使设备驱动程序与硬件无关，提高了系统的可移植性。件无关，提高了系统的可移植性。在定义抽象层时需要根据系统需求规定在定义抽象层时需要根据系统需求规定统一的软硬件接口标准。在功能上应实现相统一的软硬件接口标准。在功能上应实现相关硬件的初始化、数据的关硬件的初始化、数据的I/OI/O操作、硬件设备操作、硬件设备的配置操作等功能。引入抽象层还可以对系的配置操作等功能。引入抽象层还可以对系统
39、的软硬件进行并行测试。统的软硬件进行并行测试。1 1）硬件抽象层）硬件抽象层HALHAL56l硬件抽象层硬件抽象层l是硬件功能模块的集合，是对硬设备功能的第一是硬件功能模块的集合，是对硬设备功能的第一层抽象，实现基本的层抽象，实现基本的IOIO操作。操作。l所关心的是如何实现硬件功能的软件接口，而不所关心的是如何实现硬件功能的软件接口，而不是设备的管理逻辑。是设备的管理逻辑。l每个硬件可能有多个端口（设备），对应的硬件每个硬件可能有多个端口（设备），对应的硬件抽象层是对这些端口（设备）操作的基本抽象，抽象层是对这些端口（设备）操作的基本抽象，为驱动程序管理这些设备提供接口。为驱动程序管理这些设
40、备提供接口。上层驱动程上层驱动程序在不需要了解具体设备硬件信息的情况下，就序在不需要了解具体设备硬件信息的情况下，就可以操作这些设备。可以操作这些设备。572 2）板级支持包）板级支持包BSPBSP BSPBSP主要是为驱动程序提供访问硬件设备寄存器主要是为驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包的函数包，从而实现对操作系统的支持。不同操作系，从而实现对操作系统的支持。不同操作系统有不同的板级支持包。具体完成如下二方面的功能：统有不同的板级支持包。具体完成如下二方面的功能：在系统启动时，完成对硬件的初始化。如对设备的在系统启动时，完成对硬件的初始化。如对设备的中断、中断、CPUCPU的寄存器和内
41、存区域的分配等进行操作。的寄存器和内存区域的分配等进行操作。为驱动程序提供访问硬件的手段。如系统是统一编为驱动程序提供访问硬件的手段。如系统是统一编址的，则可以直接在驱动程序中用址的，则可以直接在驱动程序中用C C语言的函数进行语言的函数进行访问。如是单独编址的，只能用汇编语言编写函数进访问。如是单独编址的，只能用汇编语言编写函数进行访问。行访问。BSPBSP就是为上层的驱动程序提供访问硬件设就是为上层的驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包。备寄存器的函数包。58 BSP BSP板级支持包板级支持包 当前，实时操作系统的提供商基本上当前，实时操作系统的提供商基本上都要提供性能稳定可靠、可移植
42、性好、可都要提供性能稳定可靠、可移植性好、可配置性好、规范化的板级支持包。作为嵌配置性好、规范化的板级支持包。作为嵌入式系统的开发者，只需在原来板级支持入式系统的开发者，只需在原来板级支持包基础上作一定改动，就可以适应性的目包基础上作一定改动，就可以适应性的目标硬件环境。标硬件环境。59嵌入式系统组成原理架构嵌入式系统组成原理架构602.2.嵌入式系统的重要特征和特点嵌入式系统的重要特征和特点 1 1）嵌入式系统的重要特征嵌入式系统的重要特征 （1 1）系统内核小）系统内核小 嵌嵌入入式式系系统统是是将将先先进进的的计计算算机机技技术术、半半导导体体技技术术和和电电子子技技术术与与各各个个行行
43、业业的的具具体体应应用用相相结结合合后后的的产产物物。这这一一点点就就决决定定了了它它必必然然是是一一个个技技术术密密集集、资资金金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。由由于于嵌嵌入入式式系系统统一一般般是是应应用用于于小小型型电电子子装装置置的的，系系统统资资源源相相对对有有限限，所所以以内内核核较较之之传传统统的的操操作作系系统统要要小小得得多多。比比如如ENEAENEA公公司司的的OSOS分分布布式式系系统统，内内核核只只有有5KB5KB，而而WindowsWindows的的内内核核（几几百百M M，精精简简25M25M）则则要要大得多。大得多
44、。61（）专用性强（）专用性强 嵌入式嵌入式CPUCPU大多工作在为特定用户群设计的系大多工作在为特定用户群设计的系统中，具有低功耗、体积小、集成度高等特点。能统中，具有低功耗、体积小、集成度高等特点。能够把通用够把通用CPUCPU中由板卡完成的任务集成在芯片内部，中由板卡完成的任务集成在芯片内部，有利于嵌入式系统设计趋于小型化。移动能力大大有利于嵌入式系统设计趋于小型化。移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。嵌入式系统的增强，跟网络的耦合也越来越紧密。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密。同时针对不同的任务，往往需要对系
45、统进行较密。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修这种修改和通用软件的改和通用软件的“升级升级”是完全不同的概念。是完全不同的概念。62（）系统精简和高实时性（）系统精简和高实时性OSOS 嵌入式系统嵌入式系统一般系统软件和应用软件的一般系统软件和应用软件的区分不明显区分不明显，这样既利于控制系统成本，又，这样既利于控制系统成本，又利于实现系统安全。这是嵌入式软件的基本利于实现系统安全。这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，以提高速度。要求，而且软件要求固态存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠
46、性、实时性。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。很多嵌入式系统都需要不断地对所处环境的很多嵌入式系统都需要不断地对所处环境的变化做出反应，而且要实时地得出计算结果，变化做出反应，而且要实时地得出计算结果，不能延迟。不能延迟。63（）高效率地设计（）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，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。更具有竞争力。（5 5）创新性和有效性）创新性和有效性
47、 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中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存储器芯片或的软件一般都固化在存储器芯片或微处理器微处理器中，而不中，而不是存贮于磁盘等载体中。是存贮于磁盘等载体中。64（6 6）嵌入式软件开发走向标准化）嵌入式软件开发走向标准化 为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函为了合理地调度多任
48、务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOSRTOS开开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。并减少开发时间，保障软件质量。（7 7）嵌入式系统开发需要开发工具和环境）嵌入式系统开发需要开发工具和环境 由于其本身不具备自主开发能力，即使设计通用由于其本身不具备自主开发能力，即使设计通用计算机上的软硬件设备以及各种完成以后，用户通常计算机上的软硬件设备以及各种完成以后，用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开也是不能对其中的程序功能
49、进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。发工具和环境才能进行开发。开发时往往有宿主机和目标机的概念，宿主机用开发时往往有宿主机和目标机的概念，宿主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。要交替结合进行。652 2）嵌入式系统的特点）嵌入式系统的特点 采用采用3232位位RISCRISC嵌入式微处理器和实时嵌入式微处理器和实时操作系统组成的嵌入式控制系统，与传统操作系统组成的嵌入式控制系统，与传统基于单片机的控制系统和基于基于单片机的控制系统和基于PCPC的控制方的控制方式相比，具有以下突出优点：式相比，具有以下突出
50、优点：u性能方面：性能方面：采用采用3232位位RISCRISC结构微处理器，结构微处理器，主频从主频从30MHz30MHz到到1200MHz1200MHz以上，接近以上，接近PCPC机机的水平，但体积更小，能够真正地的水平，但体积更小，能够真正地“嵌嵌入入”到设备中。到设备中。66嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点u实时性方面：实时性方面：嵌入式机控制器内嵌实时操作系统嵌入式机控制器内嵌实时操作系统（RTOSRTOS），能够完全保证控制系统的强实时性。），能够完全保证控制系统的强实时性。u人机交互方面：人机交互方面：嵌入式控制器可支持大屏幕的液晶嵌入式控制器可支持大屏幕的液晶显示器，提供功能强