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1、嵌入式系统开发入门Introduction of Embedded System Developing冉全冉全主要内容n基本概念nARM微处理器n实时操作系统n嵌入式技术的发展现状和未来1 嵌入式系统的概念nIEEE对嵌入式系统的定义：Embedded system is a kind of device used to control,monitor or assist the operation of equipment,machinery or plant.“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”n嵌入式系统是以应用为中心和以计算机技术为基础的，并且软硬件是可裁减的，能满足应用系
2、统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。n嵌入式简单的讲就是把微处理器嵌入各种电子设备内部，实现设备的智能化。goReader Internet eBookSamsung AnyWebInternet Screen PhoneeRemoteIntelligent Home ControllerTektronix TDS7000 Digital OscilloscopesNixvue Digital AlbumDigital Photo Album 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1-1 嵌入式系统的特点n系统内核小：一般应用于小型电子装置。n
3、专用性强：软硬件结合紧密，针对硬件进行系统的移植。n系统精简：无系统软件和应用软件的明显区别。n高实时性的操作系统软件：固化存储，提高速度。n多任务的操作系统：合理调度多任务，RTOS开发平台。n专门的开发工具和环境。2 嵌入式微处理器nX86系列nMotolora系列nARM系列nMIPS系列nSH/HP-RISC等系列2-1 X86系列n起源于Intel架构的8080，发展出286、386、486，直至现在的P4、Athlon和AMD的64位处理器。今天的Pentium和当初的8080使用相同的指令集。保持兼容性，但限制了CPU性能的提高。n例：486DX；Geode SP1SC10；ST
4、PC。386EX和80188/186系列目前国内在工业控制、通信领域的应用很广。2-2 Motorola系列处理器nMotorola公司是世界著名的处理器制造商，其CPU抗干扰能力强，适合工业控制/军方应用，MC68000微处理器占有美国军方市场的70%，由此可见其产品的可靠性和稳定性之高。另外QUICC系列通信处理器功能强大，在通信产品中获得广泛应用。2-3 MIPSnMicroprocessor without Interlocked Pipeline Stagesn一种处理器内核的标准，由MIPS技术公司开发。nMIPS技术公司是一家设计制造高性能、高档次的嵌入式32位、64位处理器的厂
5、商。机顶盒设备、视频游戏机、Cisco路由器、激光打印机。2-4 ARM系列微处理器nARM（Advanced RISC Machines）是一个CPU内核。ARM公司自己并不生产或销售芯片，它采用技术授权模式，通过出售芯片技术授权，收取授权费与技术转让费。nRISC：Reduced Instruction Set ComputernARM 公司作为16/32位处理器内核的提供者，拥有100多家半导体合作伙伴，ARM core是目前消费类电子市场中市场占有量第一的CPU体系。n随着ARM/MIPS/ARC等成熟内核的推出，很多过去没有32位CPU研发能力的半导体公司进入这一行列。nARM公司以
6、知识产权核为主营业务nIP核以三种形式存在。n硬核n软核n固核nARM公司研发的处理器核以上面的三种形式销售ARM公司大学/研究所/企业IC制造商OEM生产商图例：服务付款技术支持nARM公司的IP销售与服务 ARM发展简史n1985年4月26日，第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生，由美国加州San Jose VLSI技术公司制造。n20世纪80年代后期，ARM很快开发成Acorn的台式机产品，形成英国的计算机教育基础。n1990年成立了Advanced RISC Machines Limited（简称ARM公司）。n20世纪90年代至今，ARM 32位嵌入式RISC处理
7、器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。n如今成了移动计算的领导者，并把触角伸向上网本等传统计算机领域。2-5 ARM处理器系列产品概况nARM处理器当前有6个产品系列：ARM7、ARM9、ARM10、ARM11、SecurCore和Cortex。nARM7、ARM9、ARM10和ARM11是4个通用处理器系列，每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能和体积的需求。nSecurCore是第5个产品系列，是专门为安全设备而设计的。n来自于合作伙伴的产品n例如：Intel XScale微体系结构和StrongARM产品。Cortex-A8内核的应用举
8、例TI公司的OMAP 3430处理器n具有先进超级标量Cortex-A8内核的处理器n业界第一个采用 65nm CMOS 工艺技术设计的ARM处理器，提高了处理性能 n集成的图像信号处理器（ISP）可提供更快、更高品质的图像捕捉功能，并且可以降低系统成本n复合视频和 S 端子 TV 输出 nXGA（1024x768 像素）、16M 色（24 位定义）显示支持 n高速 USB2.0 OTG 支持n高达ARM11三倍的性能，使之成为3g应用的首选，例如多普达T8388,Nokia N900,MOTO XT720等高端手机TI公司的OMAP 3430处理器架构图Cortex-M3内核的应用举例意法半
9、导体的STM32微控制器n不支持ARM指令集，只支持Thumb-2指令集n中断向量表与其他ARM处理器有明显区别nSTM32微控制器有两个系列nSTM32F103“增强型”系列，72MHz主频nSTM32F101“基本型”系列，36MHz主频n到电源，当复位电路工作时，在待机模式下最低功耗2A，最适合电池供电的应用设备。n比同级别的基于ARM7TDMI的产品快30%。换句话说，如果处理性能相同，STM32产品功耗比同级别产品低75%。Intel公司生产的ARM系列处理器n从所周知，Intel公司是PC平台的x86系列微处理器生产商。但是，它也生产嵌入式处理器，不过该公司生产的嵌入式处理器并不是
10、自主知识产权的产品。Intel公司购买了ARM的IP核先后生产出了两种嵌入式处理器：StrongARM和XScale。除了维持指令集不变之外，Intel公司凭借自身强大的技术开发实力，在功能上和性能上对这两款嵌入式处理器做了改进和提高，使得它们成为性能优秀的嵌入式处理器。基于S3C44B0X微处理器 的嵌入式系统体系结构3 嵌入式操作系统n嵌入式操作系统EOS（Embedded OperatingSystem）是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。EOS负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制协调并发活动；它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块
11、来达到系统所要求的功能。目前，已推出一些应用比较成功的EOS产品系列。随着Internet技术的发展、信息家电的普及应用及EOS的微型化和专业化，EOS开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。嵌人式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。EOS是相对于一般操作系统而言的，它除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等外，还有以下特点：3 嵌入式操作系统 (1)可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。(2)强实时性。EOS实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。(3)统一的接口。提供各种设备驱动接入.(4
12、)操作方便、简单、提供友好的图形GUI，图形界面，追求易学易用.(5)提供强大的网络功能，支持TCP/IP协议及其它协议，为各种移动计算设备预留接口.(6)强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预，这就要负责系统管理的EOS臭有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用户接日一般不提供操作命令，它通过系统调用命令向用户程序提供服务。(7)固化代码。在嵌入系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系统计算机的ROM中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此，嵌入式操作系统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸，而用各种内存文件系统.(8)更好的硬件适应性，也就是良好的移植性.国际上
13、用于信息电器的嵌入式操作系统有40种左右。3-1 嵌入式操作系统分类n免费型免费型Linux：开放源码；内核小，效率高；易裁减；支持多种CPU和硬件平台；众多的开发工具；强大的技术支持；强大的网络功能；图像处理、文件管理、多任务支持。C/OS：源码公开；可移植，C+汇编；可固化，成为产品的一部分；可剪裁；占先式，总是运行就绪条件下优先级最高的任务；多任务，8+56；可确定性，执行时间可知；任务栈；系统服务；中断管理，255层嵌套；稳定性与可靠性。3-1 嵌入式操作系统分类n商用型商用型VxWorks：火星车；支持多种处理器，使用最广泛。：掌上设备、无线设备。基于Windows背景，界面美观。内
14、核需要至少200K的ROM。Palm OS：3COM，Palm Computing掌上电脑公司；PDA。pSOS：WindRiver公司。OS-9：Microwave公司；灵活性和可升级性突出。3-2 操作系统相关的概念n实时操作系统（RTOS）：物理进程的真实时间。先实时性，次效率。系统具有可确定性。n分时操作系统：多任务的管理。n多任务操作系统：多任务管理，任务间的同步与通信。nRTOS的工作状态：任时刻系统只有一个任务在运行态，各任务按级别分别获得对CPU的访问权。运行：获得CPU权。就绪：进入等待队列，通过调度转为运行。挂起：移出任务等待队列，等待实时事件的唤醒。休眠：被清除的任务。3
15、-3 C/OS操作系统的模块划分n外围设备硬件部分：LCD，USB通信，键盘，Flash存储器，时钟和日历。n驱动程序模块：连接底层硬件和上层API函数的纽带，任何硬件的变化要随之改变硬件的驱动程序，不会影响API函数。n操作系统的API函数：应用程序接口函数，模块，简化程序编写。统一标准。n实时操作系统的多任务管理：多任务之间的调度与同步。3-3 C/OS操作系统的模块划分n系统的消息队列：系统消息传递机制，用于实现系统各任务之间、应用程序各任务之间、应用程序和系统各任务之间的通信。n系统任务：LCD刷新，键盘扫描等。n用户应用程序：建立于主任务基础之上，通过调用系统API函数进行操作。任务
16、之间的协调主要依赖于系统的消息队列。3-4 C/OS的特点分析n占先式内核：高优先级任务可以剥夺正在运行的低优先级任务的CPU使用权。n基于优先级，不支持时间片轮转：任务的优先级就是任务的标识。进入就绪态的优先级最高的任务首先获得CPU使用权，其他任务才可被执行。“多任务，非多进程”。n在实时性方面有优势：保证重要任务优先占有CPU。n但，重要任务有限，难划分优先级；有时需要任务交替执行，多LCD。3-4 C/OS的特点分析n共享资源提供保护：每一任务都是一个模块，在任务中添加代码时，无需考虑共享资源。对于共享资源，如串口，创建一信号量，初始化。某一任务欲使用该资源时，必须先申请得到这个信号量
17、。一旦得到，只有使用完该资源，才会释放信号量。即使优先级更高的任务进入就绪态，因为无法得到信号量，也不能使用该资源。nLCD正在显示信息，中断产生，中断服务程序需要显示其他信息。牺牲了系统实时性，延长了中断响应时间。对于未显示信息是报警信息的情况是致命的。“优先级反转”。了解系统非常必要。3-4 C/OS的特点分析n可靠性：开发过程遇到困难，程序跑飞，死循环。看门狗，单步。C/OS把整个程序分成多个任务，每个任务相对独立。设置超时函数，时间用完，交出CPU使用权，即使一个任务发生问题，也不会影响其他任务的运行。nC/OS启动过程比较简单：内核和应用程序一起编译成一个文件，转换成HEX格式，写入
18、Flash即可。3-5 手机操作系统n嵌入式操作系统的制高点：uWindows Mobile：WinCE,2010年，Win7嵌入式版本也会发布。uSymbian(塞班)：由诺基亚、索尼爱立信、摩托罗拉、西门子等几家大型移动通讯设备商共同出资组建的一个合资公司,专门研发手机操作系统。现已被NOKIA全额收购。现由Symbian基金会管理，为开源做准备。uBlackberry（黑莓）：最早是指由加拿大Reserach In Motion，简称RIM公司推出的一种无线手持邮件解决终端设备，后发展为独树一帜的智能手机。操作系统不开放。3-5 手机操作系统nAndroid：本义指“机器人”，同时也是G
19、oogle于2007年11月5日宣布的基于Linux平台的开源手机操作系统的名称，该平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成，号称是首个为移动终端打造的真正开放和完整的移动软件。是Google与开放手机联盟合作开发的，这个联盟由包括中国移动、摩托罗拉、Intel、高通、ARM和 HTC 在内的 30 多家技术和无线应用的领军企业组成。nAndroid，对前三者进行直接叫板，因为巨大的山寨机市场，免费的午餐，一块大肥肉。4 嵌入式系统的现状和未来 4-1 现状n“45年后，嵌入式智能工具将是PC和Internet之后最伟大的发明。”尼葛洛庞帝，Jan.,1999n20世纪90年代，嵌入式技
20、术成为通信和消费类产品的共同发展方向。数字电视广播（DVB）；数字音频广播（DAB）；个人移动通信；手写文字输入；语音拨号上网；ATM；自动售货机；长虹ADSL产品，智能化网络化家电；n硬件方面：各大公司微处理器芯片，供学习研发用的开发包。巨大的市场需求提供了资金和技术力量。4-1 现状n软件方面：相当成熟。国外：WindRiver、Microsoft、QNX、Nuclear。我国自主开发：DeltaSystem（科银京成公司）、Hopen（中科院）。网上有大量的免费资源。n嵌入式系统带来的工业年产值已超过1万亿美元。n5年来仅仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品就已经在美国产生了一个每年1
21、500亿美元的新市场。n国内嵌入式应用开发很广，但在嵌入式开发工具、仪器设备的研究领域几乎是空白。4-2 未来n嵌入式开发是一项系统工程：很多厂商在提供嵌入式软硬件的同时，将开发环境作为重点来推广。Samsung ARM7、ARM9芯片，开发板和支持包；Windows CE的Embedded VC+；VxWorks的Tornado。n网络化、信息化要求的提高使得单一功能的设备功能不再单一，结构更加复杂。开发更强大的处理器，64位。要求芯片上集成更多的功能。接口（USB），总线（CAN BUS），多媒体。4-2 未来n网络互联成为必然：硬件上提供网络通信接口；支持各种协议；提供相应的通信组网协议
22、软件和物理层驱动软件；系统内核支持网络模块，嵌入web浏览器，真正实现随时在线。n精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。利用最低的资源实现最适当的功能。使用最佳的编程模型，不断改进算法。丰富的硬件知识+先进的嵌入式软件技术。n提供友好的多媒体人机界面：PDA。图：嵌入式Internet应用 看看下面这段话，来自信息产业部n通信业是以技术为发展核心的产业，3G是未来技术发展的核心。国家信息产业部公布的信息产业“十一五”期间12项重点项目中，芯片、软件、3G列前三名。随着“三网融合”不断提速，3G网络全面铺开，移动商务和移动增值服务软件开发人员的需求量约在35-50万人左右。业内专家估算，3G
23、正式启动之后嵌入、移动商务、增值业务：通信行业人才需求方向 继续：n嵌入、移动商务、增值业务是通信行业人才需求的三大方向。移动通信行业是嵌入式软件最重要的应用领域之一，手机用嵌入式软件几乎占到了整个嵌入式软件应用规模的60%。到了3G时代，手机、数字电视、信息家电、网络电话、汽车电子、医疗电子等都将是嵌入式软件的重要应用领域。嵌入式软件开发是未来几年最热门和最受欢迎的职业之一。具有10年工作经验的高级嵌入式软件工程师年薪在30万元左右。即使是初级的嵌入式软件开发人员，平均月薪也在5000元左右，中高级的嵌入式软件工程师月薪平均已超过万元。再继续：n移动通信技术的发展使移动商务兴起，移动软件的设
24、计为软件行业发展找到了新方向。专家预测，在未来，移动商务将成为整个社会商业运行的主要模式。目前我国移动商务软件的需求量正以极高的速度增长。据统计，能源、教育、交通、娱乐、制造、政府、金融、物流等行业都是移动商务的需求大户。由此而带动人才市场对移动商务软件供不应求，移动商务软件开发工程师成了抢手货。几个热点名词n3G：3G是英文the 3rd Generation的缩写，指第三代移动通信技术。相对第一代模拟制式手机(1G)和第二代GSM、CDMA等数字手机(2G)，第三代手机（3G）一般地讲，是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。nWi-Fi：（WirelessFide
25、lity，无线相容性认证），俗称无线宽带，正式名称是“IEEE802.11b”。与蓝牙一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。虽然在数据安全性方面，该技术比蓝牙技术要差一些，但是在电波的覆盖范围方面则要略胜一筹。WiFi的覆盖范围则可达300英尺左右（约合90米），办公室自不用说，就是在小一点的整栋大楼中也可使用。nWiFi是现有通信系统的补充，可看作是3G的一种补充nBluetooth：蓝牙技术，实际上是一种短距离无线电技术，利用“蓝牙”技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与因特网Internet之间的通信
26、，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。nWLAN：（Wireless Local Area Networks）无线局域网络，指应用无线通信技术将计算机设备互联起来，构成可以互相通信和实现资源共享的网络体系。无线局域网本质的特点是不再使用通信电缆将计算机与网络连接起来，而是通过无线的方式连接，从而使网络的构建和终端的移动更加灵活。n中国移动目前在240多个城市提供了GPRS网络覆盖，在室内、室外、静止或者高速运动中，都可以通过GPRS实现无线上网，上网速率一般在20-30Kb；在全国31个省省会城市、首府、直辖市及经济发达和重点城市的机场、高级酒店、会议中心、展览馆等热点地区进行了WLAN网络覆盖，共800余处，并且会继续扩大。这些网络覆盖一般在室内，WLAN上网速率在11M，比GPRS高很多，但有覆盖范围的限制。The End.Thank you！