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1、嵌入式系统介绍主讲:邢海峰2010年1月12日嵌入式系统基本概念嵌入式系统基本概念嵌入式系统的组成结构嵌入式系统的组成结构嵌入式系统硬件组成嵌入式系统硬件组成嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式计算机嵌入式计算机 嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类嵌入式系统的应用范围嵌入式系统的应用范围嵌入式系统基本概念嵌入式系统基本概念嵌入式计算机_发展历史发展历史F在电子计算机发展的初期，计算机一直是“供养”在特殊的机房中的大型、昂贵的专用设 备，主要是实现一些特殊的数值计算。F同时微处理器表现出的智能化水平引起了设备制造、机电控制等专业人士的兴
2、趣，要求将微型机微型机嵌入到一个控制对象的体系中嵌入到一个控制对象的体系中，实现对象体系的智能化控制。F微处理器的问世极大的促进了控制领域的发展，复杂的控制系统最初只是由简单的设备组成，以微处理器这样的部件作为主要的控制和反馈器件，极大的提高了系统的可控性和智能化。嵌入式计算机_发展历史发展历史F经过发展，到80年代初微处理器及微控制器各自已发展为一个庞大的家族，以Intel公司x86为主流的应用于个人计算机PC的微处理器格局已形成。F为了区别于原有使用在PC的通用计算机，把嵌入到对象体系中、实现对象体系智能化控制的微控制器的计算机，称作嵌入式计算机。F因此，嵌入式计算机是诞生于微处理器发展时
3、代;嵌入式计算机_基本特征和应用范围基本特征和应用范围F嵌入式计算机在应用数量上已远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外设中就包含了多个嵌入式微处理器。键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数码相机、USB集线器等都是由嵌入式处理器控制的。F在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机广泛应用的领域。嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念嵌入式系统是嵌入到对象体中的专用计算机系统，以嵌入式计算机为核心的嵌入式系统是继IT网络技术之后，又一个新的技术发展方向。IEEE对嵌入式系统的定义为：F嵌
4、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”（devices used to control、monitor、or assist the operation of equipment、machinery or plants）F这主要是从应用对象上加以定义，涵盖了软、硬件及辅助机械设备。嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念_国内国内的定义国内普遍认同的嵌入式系统定义为：F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、功耗严格要求的专用计算机系统。F 相比较而言国内的定义更全面一些，体现了嵌入式系统“嵌入”、“专用性”、“计算机”的基本要素和特征。
5、嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点(嵌入式系统与PC之间的区别)F嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算平台F嵌入式系统的资源比PC少得多F嵌入式系统软件故障带来的后果比PC机大得多F嵌入式系统一般采用实时操作系统F嵌入式系统大都有成本、功耗的要求F嵌入式系统得到多种微处理体系的支持F嵌入式系统需要专用的开发工具嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类1按表现形式分（硬件范畴）按表现形式分（硬件范畴）F芯片级嵌入（含程序或算法的处理器）F模块级嵌入（系统中的某个核心模块）F系统级嵌入二二.按实时性要求分（软件范畴）按实时性要求分（软件范畴）：F非实时系统（PDA）F软实时系统（消费类产品）F硬实时系
6、统（工业和军工系统）嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域_嵌入式技术无处不在嵌入式技术无处不在消费电子消费电子嵌入式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工控设备工控设备智能仪表智能仪表汽车电子汽车电子网络设备网络设备工业工业军事国防军事国防电子商务电子商务网络网络嵌入式应用_无线电的发展Bush收音机收音机 7个晶体管单二极管Evoke DAB收音机收音机1亿个晶体管2-3个嵌入式处理器BTH矿石收音机 单二极管电话的发展电话电话 无晶体管BT DECT 1千万个晶体管3个处理器诺基亚手机诺基亚手机 超过7亿个晶体管(多数用于存储器
7、)5-6个处理器194020012002计算机的发展Apple Macintosh 黑白显示器1 MIP 处理器惠普康柏掌上电脑惠普康柏掌上电脑 彩色显示200 MIP 处理器64MB 内存 袖珍型袖珍型Acorn Archimedes彩色显示器10 MIP 处理器 RISC集航海仪器的发展地图、时钟、指南针地图、时钟、指南针 印刷及磁技术无晶体管GarminGPS定位器定位器 约1亿个晶体管2-3个处理器+4个人造卫星个人造卫星!Raytheon 船用航海仪器175919992002日用电器的发展Apple IPODApple IPOD 100 张CDs袖珍型四处理器HP 1315HP 13
8、15 照片质量彩色打印机双处理器GameBoy AdvanceGameBoy Advance 手持式彩色联网型双处理器嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域消费类电子智能玩具、手持通讯的核心嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域智能玩具与机器人汽车电子嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域军事国防领域嵌入式系统的应用领域航天领域嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的组成结构嵌入式系统的组成结构 应用程序实时操作系统（RTOS）输入输出接口处理器/ARM核MMU/CacheSOC/SOPCUSBGPIOIISLCDU
9、ART和IrDAADC/DACFPGA/CPLDDSP/浮点运算协处理器DMA电源管理图1-1 典型的嵌入式系统组成人机交互接口LCD/触摸屏、键盘、鼠标设备驱动程序、HAL、BSP文件系统/图形用户应用程序接口驱动层OS层应用层软件硬件以太网看门狗及复位电路Timer/RTCCANFlashEEPROMSDRAMSRAM内存嵌入式系统硬件组成嵌入式系统硬件组成_处理器处理器F嵌入式处理器可以分为三类：嵌入式处理器可以分为三类：嵌入式微处理器（Microprocessor）嵌入式微控制器MCU（Microcontroller Unit）嵌入式DSP（Digital Signal Process
10、or）嵌入式微处理器嵌入式微处理器嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的CPU。在应用中，早期的嵌入式系统是将微处理器装配在专门设计的电路板上，在电路板上设计了和嵌入式系统相关的功能模块，这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。目前的嵌入式处理器主要包括：Am186/88、386EX、PowerPC、Motorola 68000、ARM、MIPS系列等等。嵌入式微控制器嵌入式微控制器嵌入式微控制器又称为单片机，它将CPU、存储器（少量的RAM、ROM或两者都有）和其它外设封装在同一片集成电路里。常见的有8051。嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片
11、中。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。嵌入式微控制器嵌入式微控制器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一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外还有许多半通用系列如：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN（控制器局域网）、LCD及众多专用MCU和兼容系列。嵌入式嵌入
12、式DSP嵌入式DSP专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算，提高了编译效率和执行速度。DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正在从通用微处理器中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器实现DSP功能。ARM系列内核介绍ARM体系结构和体系结构和VLSI实现技术特点实现技术特点把简单的硬件和指令集结合起来，这是 RISC思想的基础;但仍然保留一些CISC的特征，并且因此达到了比纯粹RISC更高的代码密度，使得ARM获得其功耗效率和较小的核面
13、积。VLSI实现技术ARM系列内核介绍ARM处理器核当前有处理器核当前有6 个系列产品：个系列产品：qARM7 ARM9qARM9E ARM10E,qSecurCore ARM11Intel公司推出的：公司推出的：qStrongARM qXScale嵌入式操作系统嵌入式操作系统F嵌入式操作系统 F嵌入式实时操作系统 F典型嵌入式操作系统介绍 嵌入式操作系统F嵌入式系统一般具有实时特点。所谓实时系统，是指一个优先等级高的任务能够获得立即的、没有延迟的服务，它不需要等候任何其它任务。而且在得到CPU的使用权后，它可以一直执行到工作结束或是有更高等级的进程出现为止。F嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂
14、，它的出现大大提高了嵌入式系统开发的效率，减少了系统开发的总工作量，而且提高了嵌入式应用软件的可移植性。RTOS的结构图应用程序驱动程序、硬件抽象层、板级支持包文件系统/图形用户接口驱动层OS层应用层扩展模块基本模块进程调度内存管理调度文件管理进程调度OS核图形驱动数据库模块应用程序接口（API）硬件（Hardware）网络模块调度图1-4 RTOS体系结构图典型嵌入式操作系统介绍F嵌入式操作系统的种类繁多，但大体上可分为两种商用型和免费型。F目前商用型的操作系统主要有VxWorks、Windows CE、Psos、Palm OS、OS-9、LynxOS、QNX、LYNX等;典型嵌入式操作系统
15、介绍F它们的优点是功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，而且提供了如图形用户界面和网络支持等高端嵌入式系统要求许多高级的功能;F缺点是价格昂贵且源代码封闭性，这大大限制了开发者的积极性。典型嵌入式操作系统介绍F目前免费型的操作系统主要有Linux和C/OS-II，它们在价格方面具有很大的优势。F比如嵌入式Linux操作系统以价格低廉、功能强大、易于移植而且程序源码全部公开等优点正在被广泛采用，成为新兴的力量。典型嵌入式操作系统介绍FC/OS-II 嵌入式操作系统内核 C/OS-II是一个可裁减的、源码开放的、结构小巧、可剥夺型的实时多任务内核，主要面向中小型嵌入式系统，具有执行效率高、占
16、用空间小、可移植性强、实时性能优良和可扩展性强等特点。C/OS-II中最多可以支持64个任务，分别对应优先级063，其中0为最高优先级。实时内核在任何时候都是运行就绪了的最高优先级的任务，是真正的实时操作系统。C/OS-II最大程度上使用ANSI C语言开发，现已成功移植到近40多种处理器体系上。典型嵌入式操作系统介绍FWinCE操作系统 Microsoft Windows CE是针对有限资源的平台而设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统，但它不是一个硬实时操作系统。高度模块化是WinCE的一个鲜为人知的特性，这一特性有利与它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。WinCE
17、操作系统的基本内核需要至少200K的ROM，它支持 Win32 API子集、多种用户界面硬件、多种的串行和网络通讯技术、COM/OLE和其他的进程间通讯的先进方法。Microsoft公 司 为 Windows CE提 供 了 Platform Builder和Embedded Visual Studio开发工具。典型嵌入式操作系统介绍FClinux Clinux是针对无MMU 微处理器开发的，已经被广泛使用在ColdFire、ARM、MIPS、SPARC、SuperH等等没有MMU的微处理器上。虽然Clinux的内核要比原Linux 2.0内核小的多,但保留了Linux 操作系统稳定性好，网络
18、能力优异以及对文件系统的支持等主要优点。典型嵌入式操作系统介绍Clinux同标准Linux的最大区别在于 内存管理。标准Linux是针对有MMU的处理器设计的，在这种处理器上，虚拟地址被送到MMU，把虚拟地址映射为物理地址。通过赋予每个任务不同的虚拟-物理地址转换映射，支持不同任务之间的保护。对于Clinux来说，其设计针对没有MMU的处理器，不能使用虚拟内存管理技术。典型嵌入式操作系统介绍FClinuxCLinux对内存的访问是直接的，即它对地址的访问不需要经过MMU，而是直接送到地址线上输出，所有程序中访问的地址都是实际的物理地址，CLinux对内存空间不提供保护，各个进程实际上共享一个运行空间。在实现上，CLinux仍采用存储器的分页管理，系统在启动时把实际存储器进行分页，在加载应用程序时，程序分页加载。但是由于没有MMU管理，所以CLinux采用实存储器管理策略（real memeory management）。结束!