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1、1嵌入式系统设计嵌入式系统设计一、一、概概 述述2课程目的课程目的l本课程围绕基于本课程围绕基于ARMARM的微处理器，介绍了嵌入式系统前沿发的微处理器，介绍了嵌入式系统前沿发展趋势，理解其设计方法，学会嵌入式编程技术。展趋势，理解其设计方法，学会嵌入式编程技术。l课程采用讲课与实验相结合的方式。课程采用讲课与实验相结合的方式。l着重培养学生的实际动手能力，通过熟悉开发环境与开发着重培养学生的实际动手能力，通过熟悉开发环境与开发流程、编程实践等基础实验，使学生能够掌握嵌入式系统流程、编程实践等基础实验，使学生能够掌握嵌入式系统设计的基本方法。设计的基本方法。l学生基础：学过学生基础：学过C C
2、语言、微机原理以及接口技术等。语言、微机原理以及接口技术等。3提提 要要1 13 32 24 4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定义与体系结构嵌入式系统的定义与体系结构嵌入式系统的教学嵌入式系统的教学嵌入式系统的实践嵌入式系统的实践4嵌入式系统的应用领域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消费电子消费电子军事国防军事国防电子商务电子商务网络网络工业控制工业控制5嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用l家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储
3、设备的核心。家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。6现代化家庭现代化家庭7社会发展方面：嵌入式社会发展方面：嵌入式InternetInternet应用应用8汽车电子产品（汽车电子产品（18个嵌入式控制模块）个嵌入式控制模块）CAN总线网络总线网络VOLVO S80汽车的汽车的CAN总线网络总线网络嵌入式应用嵌入式应用汽车电子汽车电子9嵌入式技术应用嵌入式技术应用工业控制工业控制l工业方面：机床、冶金、电子、交通、航空航天等行业技术升工业方面：机床、冶金、电子、交通、航空航天等行业技术升级的重要基础。级的重要基础。10阿富汗参加反恐作战的阿富汗参加反恐作战的“赫耳墨赫
4、耳墨斯斯”价值价值4 4万美元，可携带万美元，可携带2 2架摄架摄像机，发挥了很好作用。像机，发挥了很好作用。军事侦察军事侦察11l20022002年年1111月月2828日，日，以色列一选举投以色列一选举投票点，发生枪击票点，发生枪击事件，造成至少事件，造成至少7 7人死亡，数十人死亡，数十人受伤。以警方人受伤。以警方用机器人在检查用机器人在检查一具巴勒斯坦枪一具巴勒斯坦枪手的尸体。手的尸体。反恐防暴反恐防暴12微型飞行器-“黑寡妇”空中飞行器空中飞行器13嵌入式系统与机器人技术图：卡耐基梅隆大学和瑞士图：卡耐基梅隆大学和瑞士EPFL研制的机器人控制研制的机器人控制（采用卡西欧（采用卡西欧P
5、DA和和Windows CE）14基于Win CE的移动机器人平台15智能玩具与机器人智能玩具与机器人16基于RTLinux的仿人机器人 高高 48 cm48 cm重重:6 kg:6 kg灵活性：灵活性：20 DOF20 DOF操作系统操作系统:RT-Linux:RT-Linux接口形式接口形式:USB 1.0(12Mbps):USB 1.0(12Mbps)响应周期响应周期:1ms:1ms能源：能源：DC24V x 6.2A DC24V x 6.2A(150W)(150W)制造：富士通制造：富士通 17基于VXworks的火星探路者182004年“勇气号”再次登陆火星19嵌入式系统的发展历史嵌
6、入式系统的发展历史硬件硬件嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的MP3MP3和一个和一个PC104PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。嵌入式系统已经有了近嵌入式系统已经有了近3030年的发展历史，它是硬件和软件交替发展的年的发展历史，它是硬件和软件交替发展的双螺旋式发展。双螺旋式发展。最早的单片机是最早的单片机是IntelIntel公司的公司的80488048，它出现在，它出现在19761976年年MotorolaMotorola同时推出了同时推出了68HC0568HC05，Zi
7、logZilog公司推出了公司推出了Z80Z80系列，这些早期的系列，这些早期的单片机均含有单片机均含有256256字节的字节的RAMRAM、4K4K的的ROMROM、4 4个个8 8位并口、位并口、1 1个全双工串行口、两个全双工串行口、两个个1616位定位定时时器。器。之后在之后在8080年代初，年代初，IntelIntel又进一步完善了又进一步完善了80488048，在它的基础上研制成功，在它的基础上研制成功了了80518051。2019811981年年Ready SystemReady System发展了世界上第发展了世界上第1 1个商业嵌入式实时内核个商业嵌入式实时内核（VTRX32
8、VTRX32）包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。随后，出现了如随后，出现了如Integrated System Incorporation(ISI)Integrated System Incorporation(ISI)的的PSOSPSOS、IMGIMG的的VxWorksVxWorks、QNXQNX公司的公司的QNXQNX等，等，Palm OSPalm OS，WinCEWinCE，嵌入式嵌入式LinuxLinux，LynxLynx，u
9、COSuCOS、NucleuxNucleux，以及国内的以及国内的HopenHopen、Delta OSDelta OS等嵌入式操作系统。等嵌入式操作系统。今天今天RTOSRTOS已经在全球形成了已经在全球形成了1 1个产业，根据美国个产业，根据美国EMFEMF（电子市场分析）电子市场分析）报告，报告，19991999年全球年全球RTOSRTOS市场产值达市场产值达3.63.6亿美元，而相关的整个嵌入式开发工亿美元，而相关的整个嵌入式开发工具（包括仿真器、逻辑分析仪、软件编译器和调试器）则高达具（包括仿真器、逻辑分析仪、软件编译器和调试器）则高达9 9亿美元。亿美元。嵌入式系统的发展历史嵌入式
10、系统的发展历史软件软件21提提 要要1 13 32 24 4嵌入式系统的发展及应用领域嵌入式系统的发展及应用领域嵌入式系统的定义与体系结构嵌入式系统的定义与体系结构嵌入式系统的教学嵌入式系统的教学嵌入式系统的实践嵌入式系统的实践22IEEEIEEE定义定义 根据根据IEEEIEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置的装置”（原文为（原文为devices used to control,monitor,or devices used to control,m
11、onitor,or assist the operation of equipment,machinery or assist the operation of equipment,machinery or plantsplants）。）。可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和可以看出此定义是从应用上考虑的，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。硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。23一般定义一般定义 “以以应用应用为中心、以计算机技术为基础、为中心、以计算机技术为基础、软件软件硬件可裁剪硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格功能、可靠性、成本、体积
12、、功耗严格要求要求的的专用专用计算机系统。计算机系统。”24l嵌入式系统是以嵌入式系统是以嵌入式应用嵌入式应用为目的的计算机系统。可分为目的的计算机系统。可分为系统级、板级、片级为系统级、板级、片级l系统级：各种类型的工控器、系统级：各种类型的工控器、PC104PC104模块模块l板级：各种类型的带板级：各种类型的带CPUCPU的主板及的主板及OEMOEM产品产品l片级：各种以单片机、片级：各种以单片机、DSPDSP、微处理器为核心的产品、微处理器为核心的产品微机学会的定义微机学会的定义25单片机与嵌入式系统应用单片机与嵌入式系统应用定义定义l嵌入式系统是嵌入式系统是嵌入嵌入到到对象体系对象体
13、系内部的内部的专用计算专用计算机系统机系统26嵌入式系统l广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。如各类单片机和入式系统。如各类单片机和DSPDSP系统。这些系统在完成较为系统。这些系统在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点。但由于他们没有操单一的专业功能时具有简洁高效的特点。但由于他们没有操作系统，管理系统硬件核软件的能力有限，在实现复杂多任作系统，管理系统硬件核软件的能力有限，在实现复杂多任务功能时，往往困难重重，甚至无法实现务功能时，往往困难重重，甚至无法实现l从狭义上讲，我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构
14、成独从狭义上讲，我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成独立系统，立系统，具有操作系统，具有特定功能，用于特定场合的嵌具有操作系统，具有特定功能，用于特定场合的嵌入式系统。这里所谓的嵌入式系统是指狭义上的嵌入式系统。入式系统。这里所谓的嵌入式系统是指狭义上的嵌入式系统。27嵌入式系统的几个重要特征嵌入式系统的几个重要特征（1 1）系统内核小）系统内核小l由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。l比如比如ENEAENEA公司的公司的OSEOSE分布
15、式系统，内核只有分布式系统，内核只有5K5K，而，而WindowsWindows的内核则要大得多。的内核则要大得多。28（）专用性强（）专用性强l嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合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密，一般要针对硬件进行系统的移植。非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。l即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。的变化和增减不断进行修改。l同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程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
16、统相结合，这种修改和通用软件的序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级升级”是完全不同的概念。是完全不同的概念。29（）系统精简（）系统精简l嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。30（）高实时性（）高实时性OSOSl这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，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。软件代码要求高质量和高可靠性、
17、实时以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。性。31（5 5）嵌入式软件开发走向标准化）嵌入式软件开发走向标准化l嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。上运行。l为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOSRTOS（RealRealTime Operating SystemTime Operating System）开发平台，这样才能保开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间
18、，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。障软件质量。32（6 6）嵌入式系统需要开发工具和环境）嵌入式系统需要开发工具和环境l由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，后，用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。必须有一套开发工具和环境才能进行开发。l这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。l开发时往往有主机和目
19、标机的概念，主机用于程序开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。替结合进行。33嵌入式系统简介嵌入式系统简介输入接口输入接口操作系统操作系统(驱动程序驱动程序)应用程序应用程序软件子系统软件子系统硬件子系统硬件子系统嵌入式系统组成输出接口输出接口外围设备外围设备34嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下具备以下4 4个特点个特点:l对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响对实时多任务有很强的支持
20、能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。l具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。l可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高
21、性能的嵌入式微处理器。入式微处理器。l嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mWmW甚至甚至WW级。级。嵌入式处理器嵌入式处理器35嵌入式微处理器嵌入式微处理器全世界只有全世界只有4%的计算机处理芯片用于计算机中的计算机处理芯片用于计算机中Source:Embedded Systems Programming,May 1999Average car has about 15 microproce
22、ssors.Mercedes S-class:63 microprocessors!32-bit嵌入式微处理器16-bit8-bit4-bit2.5亿10 亿10 亿10 亿1.25亿 PCsIntel,AMDMotorola,ARM,MIPS,i960,x86,其中只有其中只有4%4%的的微处理器微处理器36嵌入式微处理器分类嵌入式微处理器分类37（1）嵌入式微控制器）嵌入式微控制器l嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种位的电子器件嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。l单片机芯片内部集成单片机
23、芯片内部集成ROM/EPROMROM/EPROM、RAMRAM、总线、总线逻辑、定总线、总线逻辑、定时时/计数器、看门狗、计数器、看门狗、I/OI/O、串行口、脉宽调制输出、串行口、脉宽调制输出、A/DA/D、D/AD/A、Flash RAMFlash RAM、EEPROMEEPROM等各种必要功能和外设。等各种必要功能和外设。l微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗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。和成本下降、可靠性提高。l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
24、比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。38（2）嵌入式）嵌入式DSP处理器处理器lDSPDSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构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行了特殊设计，在数字滤波、和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、FFTFFT、谱分析谱分析等各种仪器上等各种仪器上DSPDSP获得了大规模的应用。获得了大规模的应用。lDSPDSP的理论算法在的理论算法在7070年代就已经出现，但是由于专门的年代就已经出现，但是由于专门的DSPDSP处处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过理器还未
25、出现，所以这种理论算法只能通过MPUMPU等由分立元件等由分立元件实现。实现。19821982年世界上诞生了首枚年世界上诞生了首枚DSPDSP芯片。在语音合成和编码芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。解码器中得到了广泛应用。DSPDSP的运算速度进一步提高，应用的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。l目前最为广泛应用的嵌入式目前最为广泛应用的嵌入式DSPDSP处理器是处理器是TITI的的TMS320C2000/TMS320C2000/C5000C5000系列，另外如系列，另外如IntelIntel的的MCS-29
26、6MCS-296和和SiemensSiemens的的TriCoreTriCore也有也有各自的应用范围。各自的应用范围。39lMPUMPU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CPUCPU演变而来的。演变而来的。l与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。（3 3）嵌入式微处理器（）嵌入式微处理器（Mi
27、cro Processor Unit)Micro Processor Unit)40l和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有型有Atme186/88Atme186/88、386EX386EX、SC-400SC-400、Power PCPower PC、6800068000、MIPSMIPS、ARM/ARM/StrongARMStrongARM系列等系列等41lSoCSoC 就是就是System on Chip System
28、 on Chip，SoCSoC嵌入式系统微处理器就是一嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。种电路系统。l它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，像是它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，像是ARM ARM RISCRISC、MIPS RISCMIPS RISC、DSPDSP或是其他的微处理器核心，加上通信或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，像是通用串行端口（的接口单元，像是通用串行端口（USBUSB）、）、TCP/IPTCP/IP通信单元、通信单元、GPRSGPRS通信接口、通信接口、GSMGSM通信接口、通信接口、IEEE1394IEEE1394、蓝牙模块接口等等，蓝牙模块
29、接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。芯片。（4）嵌入式片上系统）嵌入式片上系统(System On Chip)42新的发展方向：新的发展方向：SOCSOCASIC CoreMemoryEmbedded ProcessorCoreAnalogFunctionsCommunicationSensorInterface43RTOS是是32位嵌入式位嵌入式CPU的软件基础的软件基础lRTOSRTOS内核内核 提供提供CPUCPU的的管理管理l硬件初时化，硬件初时化，MMUMMU，定时器，中断定时器，中断lRTOSRTO
30、S内核提供任务，内存管理内核提供任务，内存管理lRTOSRTOS提供设备管理，文件和网络的支持提供设备管理，文件和网络的支持lRTOSRTOS提供提供C/C+C/C+，JAVAJAVA，图形模块等编程接口图形模块等编程接口44VxWorkslVxWorksVxWorks操作系统是美国操作系统是美国WindRiverWindRiver公司于公司于19831983年设计开发年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（的一种嵌入式实时操作系统（RTOSRTOS），），具有良好的持续发具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作
31、系统领域牢牢占据着一席之地。式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地。lVxWorksVxWorks所具有的显著特点是：所具有的显著特点是：可靠性、实时性和可裁减性。可靠性、实时性和可裁减性。它支持多种处理器，如它支持多种处理器，如x86x86、i960i960、Sun Sun SparcSparc、Motorola MC68xxxMotorola MC68xxx、MIPS MIPS、POWER PCPOWER PC等等。等等。l 大多数的大多数的VxWorksVxWorks API API是专有的，火星机器人。是专有的，火星机器人。45Windows EmbeddedlWindows CE 3.
32、0Windows CE 3.0：一种针对小容量、移动式、智能化、一种针对小容量、移动式、智能化、3232位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统。位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统。l针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，一种功能丰富的操作系统平台，WindowsCEWindowsCE嵌入但不够嵌入但不够实时，属于软实时操作系统，实时，属于软实时操作系统，l由于其由于其WindowsWindows背景，界面比较统一认可。背景，界面比较统一认可。l操作系统的基本内核需要至少操作系统的基本内核需要至少200K2
33、00K的的ROMROM。46Palm OSlPalm OSPalm OS是著名的网络设备制造商是著名的网络设备制造商3COM3COM旗下的旗下的Palm Palm ComputingComputing掌上电脑公司的产品。掌上电脑公司的产品。l3COM3COM、CISCOCISCO竞争竞争lPalm OSPalm OS在在PDAPDA市场上占有很大的市场份额，市场上占有很大的市场份额，Palm OSPalm OS的的市场份额占到将近市场份额占到将近90%90%，最近下降，最近下降7070，目前主要与，目前主要与WIN WIN CECE进行激烈竞争。进行激烈竞争。47嵌入式嵌入式Linuxl嵌入式
34、系统越来越追求数字化、网络化和智能化。因此原来嵌入式系统越来越追求数字化、网络化和智能化。因此原来在某些设备或领域中占主导地位的软件系统越来越难以为继，在某些设备或领域中占主导地位的软件系统越来越难以为继，整个系统必须是开放的、提供标准的整个系统必须是开放的、提供标准的APIAPI，并且能够方便地并且能够方便地与众多第三方的软硬件沟通。与众多第三方的软硬件沟通。lLinuxLinux是开放源码的，不存在黑箱技术，遍布全球的众多是开放源码的，不存在黑箱技术，遍布全球的众多LinuxLinux爱好者又是爱好者又是LinuxLinux开发的强大技术后盾。开发的强大技术后盾。lLinuxLinux的内
35、核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高，的内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高，易于定制剪裁，在价格上极具竞争力。易于定制剪裁，在价格上极具竞争力。lLinuxLinux不仅支持不仅支持x86 CPUx86 CPU，还可以支持其他数十种还可以支持其他数十种CPUCPU芯片。芯片。48C/OS及C/OS-II 1、C/OSMicro Controller O S，微控制器操作系统2 2、C/OSC/OS简介l美国人美国人Jean Jean LabrosseLabrosse 1992 1992年完成年完成l应用面覆盖了诸多领域，如照相机、医疗器械、音响设备、发动应用面覆盖了诸多领域，如
36、照相机、医疗器械、音响设备、发动机控制、高速公路电话系统、自动提款机等机控制、高速公路电话系统、自动提款机等 l19981998年年 C/OSC/OS-II-II，目前的版本，目前的版本 C/OSC/OS-II V2.61-II V2.61，2.722.72l20002000年，得到美国航空管理局（年，得到美国航空管理局（FAAFAA）的认证，可以用于飞行器）的认证，可以用于飞行器中中l网站网站www.ucos-II.comwww.ucos-II.com（)49嵌入式系统与单片机、PC相比的优势l采用采用3232位位RISCRISC嵌入式微处理器和实时操作系统组成的嵌入式嵌入式微处理器和实时操
37、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控制系统，与传统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，主频从结构微处理器，主频从30MHz30MHz到到200MHz200MHz以上，以上，处理能力大大超出单片机系统，接近处理能力大大超出单片机系统，接近PCPC机的水平，但体积更小，能够机的水平，但体积更小，能够真正地真正地“嵌入嵌入”到设备中；到设备中；u实性性方面：实性性方面：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（RTOS
38、RTOS），能够完全），能够完全保证控制系统的强实时性；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显示器，提供功能嵌入式控制器可支持大屏幕的液晶显示器，提供功能强大的图形用户界面，这方面与强大的图形用户界面，这方面与PCPC机相比毫不逊色；机相比毫不逊色；u系统升级方面：系统升级方面：嵌入式控制器可为控制系统专门设计，其功能专一，嵌入式控制器可为控制系统专门设计，其功能专一，成本较低，而且开放的用户程序接口（成本较低，而且开放的用户程序接口（APIAPI）保证了系统能够快速升）保证了系统能够快速升级和更新。级和更新。50嵌入式系统与单片机、嵌入式系统与
39、单片机、PCPC机的区别机的区别嵌入式系统嵌入式系统 单片机系统单片机系统l目前嵌入式系统的主流是以目前嵌入式系统的主流是以3232位嵌入式微处理器为核心位嵌入式微处理器为核心的硬件设计和基于实时操作系统（的硬件设计和基于实时操作系统（RTOSRTOS）的软件设计）的软件设计l单片机系统多为单片机系统多为4 4位、位、8 8位、位、1616位机，不适合运行操作系位机，不适合运行操作系统，难以进行复杂的运算及处理功能统，难以进行复杂的运算及处理功能l嵌入式系统强调基于平台的设计、软硬件协同设计，单嵌入式系统强调基于平台的设计、软硬件协同设计，单片机大多采用软硬件流水设计片机大多采用软硬件流水设计
40、l嵌入式系统设计的核心是软件设计（占嵌入式系统设计的核心是软件设计（占70%70%左右的工作量）左右的工作量），单片机系统软硬件设计所占比例基本相同，单片机系统软硬件设计所占比例基本相同51嵌入式系统嵌入式系统 PC机机l嵌入式系统一般是专用系统，而嵌入式系统一般是专用系统，而PCPC是通用计算平台是通用计算平台l嵌入式系统的资源比嵌入式系统的资源比PCPC少得多少得多l嵌入式系统软件故障带来的后果比嵌入式系统软件故障带来的后果比PCPC机大得多机大得多l嵌入式系统一般采用实时操作系统嵌入式系统一般采用实时操作系统l嵌入式系统大都有成本、功耗的要求嵌入式系统大都有成本、功耗的要求l嵌入式系统得
41、到多种微处理体系的支持嵌入式系统得到多种微处理体系的支持l嵌入式系统需要专用的开发工具嵌入式系统需要专用的开发工具52提提 要要1 13 32 24 4嵌入式系统的发展及应用领域嵌入式系统的发展及应用领域嵌入式系统的定义与体系结构嵌入式系统的定义与体系结构嵌入式系统的教学嵌入式系统的教学嵌入式系统的实践嵌入式系统的实践53嵌入式系统教学的特点l为什么要学习嵌入式系统为什么要学习嵌入式系统l嵌入式系统教学的适用学科嵌入式系统教学的适用学科l嵌入式系统教学的适用对象嵌入式系统教学的适用对象l开设嵌入式系统课程开设嵌入式系统课程54为什么要学习嵌入式系统l市场需求中国具有世界最大嵌入式技术市场，将成
42、为市场需求中国具有世界最大嵌入式技术市场，将成为世界第一，手持仪器设备、信息家电、城市建设、工业世界第一，手持仪器设备、信息家电、城市建设、工业控制、军事应用，控制、军事应用，嵌入式技术无处不在，嵌入式技术无处不在 。l企业人才需求软硬件设计人才，应用开发人才，综合企业人才需求软硬件设计人才，应用开发人才，综合性人才，性人才，l技术发展趋势要求技术发展趋势要求8 8位、位、1616位、位、3232位，实时操作系统，位，实时操作系统，55为什么要学习嵌入式技术？为什么要学习嵌入式技术？l从计算发展的趋势看从计算发展的趋势看56为什么要学习嵌入式技术？为什么要学习嵌入式技术？l个人职业发展的需要个
43、人职业发展的需要l人才市场需求大人才市场需求大l中国具有世界最大嵌入式技术市场，手持仪器设备、信息家电、中国具有世界最大嵌入式技术市场，手持仪器设备、信息家电、城市建设、工业控制、军事应用等等，嵌入式技术无处不在城市建设、工业控制、军事应用等等，嵌入式技术无处不在。l软件开发人员软件开发人员l门槛底，竞争激烈门槛底，竞争激烈l工作比较辛苦工作比较辛苦l薪水不高（软件蓝领）薪水不高（软件蓝领）56k（硕士毕业）（硕士毕业）l嵌入式系统开发人员嵌入式系统开发人员l门槛高，竞争相对温和门槛高，竞争相对温和l工作相对轻松工作相对轻松l薪水较高薪水较高 78k（硕士毕业）（硕士毕业）57嵌入式产业是中国
44、企业难得的发展机遇嵌入式产业是中国企业难得的发展机遇l中国制造，低端利润，缺乏核心技术，受制于人，中国制造，低端利润，缺乏核心技术，受制于人，DVDDVD、通讯、通讯、。l中国具有最大的嵌入式技术市场，智能手机、数字电视、中国具有最大的嵌入式技术市场，智能手机、数字电视、智能家居、智能家居、。l华为、爱国者的成功经验华为、爱国者的成功经验。l中国制造向中国智造（设计中国制造向中国智造（设计+制造）的转变。制造）的转变。58发展嵌入式教育是中国企业成功的根本发展嵌入式教育是中国企业成功的根本l人才是决定企业成功的根本因素；人才是决定企业成功的根本因素；l中国企业落实的根本原因在于中国企业落实的根
45、本原因在于ITIT教育的落后；教育的落后；l全球嵌入式人才竞争的舞台上，中国和发达国家处于同全球嵌入式人才竞争的舞台上，中国和发达国家处于同一起跑线；一起跑线；l抓住嵌入式教育的历史发展机遇，中国工程师的质量和抓住嵌入式教育的历史发展机遇，中国工程师的质量和数量将超过美国、印度，成为全球第一；数量将超过美国、印度，成为全球第一；l我们有机会创造历史！我们有机会创造历史！59软件工程师软件工程师Vs嵌入式软件工程师嵌入式软件工程师60目前嵌入式人才培养模式目前嵌入式人才培养模式企业需要大量的嵌入式系统工程师企业需要大量的嵌入式系统工程师高高校校培培养养个个人人学学习习培培训训机机构构企业内训企业
46、内训61高校人才嵌入式培养情况高校人才嵌入式培养情况l整体形势：扩招、就业问题整体形势：扩招、就业问题；l人才培养：专业、课程设置、师资落后；人才培养：专业、课程设置、师资落后；l嵌入式系统：没有专门的嵌入式系统专业或课程体系嵌入式系统：没有专门的嵌入式系统专业或课程体系l计算机专业：偏软计算机专业：偏软l电子专业：偏硬电子专业：偏硬62嵌入式系统课程体系嵌入式系统课程体系EDA技术技术微处理器与接口设计微处理器与接口设计嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式系统编程嵌入式系统编程嵌入式软硬件协同设计嵌入式软硬件协同设计嵌入式系统开发实践嵌入式系统开发实践微处理器体系结构微处理器体系结构数字电路与
47、模拟电路数字电路与模拟电路SOPC体系结构体系结构SOPC开发实验开发实验嵌嵌入入式式系系统统设设计计微微电电子子设设计计63嵌入式系统教学的特点l综合性：涉及电子、计算机、自动控制等诸多专业知识，综合性：涉及电子、计算机、自动控制等诸多专业知识，综合性强，可包括微机原理、单片机设计、操作系统等综合性强，可包括微机原理、单片机设计、操作系统等课程内容。嵌入式系统是软件、硬件设计的完美结合。课程内容。嵌入式系统是软件、硬件设计的完美结合。l基础性：可作为计算机、电工电子、自动控制等专业的基础性：可作为计算机、电工电子、自动控制等专业的基础平台课基础平台课l实践性：实验是嵌入式系统教学的重要环节实
48、践性：实验是嵌入式系统教学的重要环节64选择合适的嵌入式微处理器作为目标教学硬件平台l嵌入式微处理器（嵌入式微处理器（EMPUEMPU）、嵌入式微控制器（）、嵌入式微控制器（MCUMCU）、嵌）、嵌入式入式DSPDSP处理器（处理器（EDSPEDSP）、嵌入式片上系统（）、嵌入式片上系统（SOCSOC）lARMARM、MIPSMIPS、68K68K、DSPDSP、lARM7ARM7、ARM9ARM9、ARM11ARM11、XSCALEXSCALE、l接口：串口、调试口、接口：串口、调试口、USBUSB、网络接口、网络接口、LCDLCD、TOUCHTOUCH、键、键盘、盘、l开发工具与开发环境开
49、发工具与开发环境65一个合适的选择ARM2002嵌入式内核总量嵌入式内核总量:6.265亿亿498M498M87M87M19M19M17.617.6MM*包括用于包括用于32位、位、64位位RISC结构的片上系统结构的片上系统66选择合适的操作系统作为目标教学软件平台l近近200200种操作系统，种操作系统，WinCEWinCE、LinuxLinux、VxworksVxworks、QNXQNX、NucleusNucleus、l适于学习的源代码开放的操作系统：适于学习的源代码开放的操作系统：LinuxLinux、C/OSC/OSlLinuxLinux:层次结构且内核完全开放、网络功能强大、完层次
50、结构且内核完全开放、网络功能强大、完整开发工具、广泛的硬件支持、遵循通用国际标准，整开发工具、广泛的硬件支持、遵循通用国际标准，便于程序的移植便于程序的移植 l C/OSC/OS：源代码公开、实时内核、易懂、易学、易用：源代码公开、实时内核、易懂、易学、易用l提炼出共性的设计开发方法提炼出共性的设计开发方法67提提 要要1 13 32 24 4嵌入式系统的发展及应用领域嵌入式系统的发展及应用领域嵌入式系统的定义与体系结构嵌入式系统的定义与体系结构嵌入式系统的教学嵌入式系统的教学嵌入式系统的实践嵌入式系统的实践68嵌入式控制是智能机器人系统的核心69仿人型机器人70关键技术关键技术lSDR-4X