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1、嵌入式系统简介 严丽军E-mail：Agenda嵌入式系统概述嵌入式系统硬件基础嵌入式系统软件基础嵌入式系统开发过程什么是嵌入式系统q根据根据IEEE（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、监视或者辅助操作用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置机器和设备的装置”（原文为（原文为devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants）。）。何谓嵌入式系统简单地讲嵌入性嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求
2、：嵌入到对象体系中，有对象环境要求专用性专用性：软、硬件按对象要求裁减：软、硬件按对象要求裁减计算机计算机：实现对象的智能化功能：实现对象的智能化功能q就是嵌入到对象体中的专用计算机系统就是嵌入到对象体中的专用计算机系统q三要素：三要素：嵌入、专用、计算机嵌入、专用、计算机q嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点:由三要素引出由三要素引出何谓嵌入式系统广义地说q一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件集合体。计算机软硬件集合体。q即以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬即以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可
3、靠性、成本、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体积、功耗严格要求的专用计算机系统。q嵌入式系统发展的最高形式嵌入式系统发展的最高形式片上系统（片上系统（SOC）何谓嵌入式系统嵌入式系统的分类芯片级嵌入（含程序或算法的处理器）模块级嵌入（系统中的某个核心模块）系统级嵌入非实时系统（PDA）软实时系统（消费类产品）硬实时系统（工业和军工系统）q按表现形式分（硬件范畴）按表现形式分（硬件范畴）：q按实时性要求分（软件范畴）按实时性要求分（软件范畴）：嵌入式处理器的分类和现状q微控制器（微控制器（MCU）何谓嵌入式系统q数字信号处理器（数字信号处理器（DSP
4、）q片上系统（片上系统（SOC）q可编程片上系统（可编程片上系统（SPOC）MCU何谓嵌入式系统q嵌入式微控制器的典型代表是单片机这种位的嵌入式微控制器的典型代表是单片机这种位的电子器件电子器件,目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。的应用。q单片机芯片内部集成单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线逻辑、定时总线逻辑、定时/计数器、看门狗、计数器、看门狗、I/O、串行口、串行口、脉宽调制输出、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各种必要功能和外设。等各种必要功能和外设。MCU处理能力非常有限何谓嵌入式系统qMCU微控制器，总
5、线宽度一般为微控制器，总线宽度一般为4位、位、8位或位或16位，处理速度有限，一般在几个位，处理速度有限，一般在几个MIPS，进行一进行一些复杂的应用很困难，运行操作系统就更难。些复杂的应用很困难，运行操作系统就更难。MPU何谓嵌入式系统q嵌入式微处理器（嵌入式微处理器（Micro Processor Unit)qMPU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CPU演变而来的，演变而来的，8038680387q 与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，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，去除只保留和嵌入式应用紧密相关的功
6、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。源实现嵌入式应用的特殊要求。DSP何谓嵌入式系统qDSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，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，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、在数字滤波、FFT、频谱分析等各种仪器上频谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。获得了大规模的应用。qDSP是运算密集处理器，一般用在快速执行算法，是运算密集处理器，一般用在快速执行算法，做控制比较困难。为了追求高执行效率，不适合做控制比较困
7、难。为了追求高执行效率，不适合运行操作系统，核心代码使用汇编。运行操作系统，核心代码使用汇编。SOC何谓嵌入式系统qSOC（片上系统）是片上系统）是IC设计的发展趋势。采用设计的发展趋势。采用SOC设计技术，可以大幅度地提高系统的可靠性，设计技术，可以大幅度地提高系统的可靠性，减少系统的面积和功耗，降低系统成本，极大地减少系统的面积和功耗，降低系统成本，极大地提高系统的性能价格比。提高系统的性能价格比。qSOC芯片已经成为提高移动通信、网络、信息家芯片已经成为提高移动通信、网络、信息家电、高速计算、多媒体应用及军用电子系统性能电、高速计算、多媒体应用及军用电子系统性能的核心器件。的核心器件。S
8、POC何谓嵌入式系统q 用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作称作SOPC。可编程片上系统（可编程片上系统（SOPC）是一种是一种特殊的嵌入式系统：特殊的嵌入式系统：q首先它是片上系统（首先它是片上系统（SOC），），即由单个芯片完成即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；整个系统的主要逻辑功能；q其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。可编程的功能。嵌入式系统和实时系统嵌入式系统经常被误解为就是实时性系
9、统。其实，多数嵌入式系统并不需要实时性 Linux是嵌入式操作系统，并非实时操作系统。Vxwork、pSOS等是嵌入式实时操作系统嵌入式系统与普通系统在实时计算中，系统的正确性不仅仅依赖于计算的逻辑结果而且依赖于结果产生的时间对于实时系统来说最重要的要求就是实时操作系统必须有满足在一个事先定义好的时间限制中对外部或内部的事件进行响应和处理的能力此外作为实时操作系统还需要有效的中断处理能力来处理异步事件和高效的I/O能力来处理有严格时间限制的数据收发应用实时多任务操作系统与分时多任务操作系统 分时操作系统，软件的执行在时间上的要求，并不严格，时间上的错误，一般不会造成灾难性的后果。实时操作系统，
10、虽然事件可能在无法预知的时刻到达，但是软件上必须在事件发生时能够在严格的时限内作出响应（系统响应时间），即使是在尖峰负荷下，也应如此，系统时间响应的超时就意味着致命的失败。另外，实时操作系统的重要特点是具有系统的可确定性，即系统能对运行情况的最好和最坏等的情况能做出精确的估计。实时操作系统中的重要概念系统响应时间(System response time)系统发出处理要求到系统给出应答信号的时间。任务切换时间(Context-switching time)是任务之间切换而使用的时间。中断延迟(Interrupt latency)是计算机接收到中断信号到操作系统作出响应，并转入中断服务程序的时间
11、。实时操作系统应具有如下的功能任务管理（多任务和基于优先级的任务调度）任务间同步和通信（信号量和共享内存等）存储器优化管理（含ROM的管理）实时时钟服务中断管理服务嵌入式系统发展趋势嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持。联网成为必然趋势支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本提供精巧的多媒体人机界面实时系统的体系结构设计实时系统的体系结构必须满足1.高运算速度2.高速的中断处理3.高的I/O吞吐率4.合理的处理器和I/O设备的拓扑连接5.高速可靠的和有时间约束的通信6.体系结构支持的出错处理7.体系结构支持的调度8.体系结构支持的操作系统9.体系结构支持的实时语言特性。10
12、.系统的稳定性和容错也非常重要11.还要考虑到实时的分布式应用。Agenda嵌入式系统概述嵌入式系统硬件基础嵌入式系统软件基础嵌入式系统开发过程嵌入式系统硬件架构嵌入式系统硬件架构处理器：微处理器：x86,68K,PPC,ARM,MIPS微控制器：单片机8051等DSP:适用于音频及视频通信存储器：只读ROM随即读取RAM:SRAM,DRAM混合型：EEPROM,FLASH,NVRAM(带后备电池的SRAM)外设：通用和专用关于ARMARM=Advanced RISC MachineRISC 的典型代表32位处理器技术嵌入式领域的主力军ARM的产品ARM处理器内核，以IP的形式提供给IC生产厂
13、家硬核软核ARM开发工具、SOC开发工具、评估板等ARM公司不生产芯片ARM的特点（1）ARM微处理器的主要特点系列化：ARM7,ARM9,ARM10,独特的指令系统32位架构，定长。32位ARM指令16位Thumb指令大部分为单周期指令条件执行Load/Store流水线结构ARM7：3级流水线ARM9：5级流水线高性能、低功耗 ARM的特点（2）ARM微处理器的主要特点支持JTAG调试7种工作模式User:用户模式，非特权FIQ:快速中断IRQ:普通中断Supervisor 管理模式Abort:存取异常模式Undef:未定义指令模式System:系统模式2种工作状态ARMThumb支持ARM
14、/Thumb的交互工作 嵌入式技术无处不在处理文档、进行工作管理和生产控制的计算机处理文档、进行工作管理和生产控制的计算机q各种使用嵌入式技术的电子产品，如：各种使用嵌入式技术的电子产品，如：MP3、PDA、手机、智能玩具，网络家电、智能家电、手机、智能玩具，网络家电、智能家电、车载电子设备等车载电子设备等q在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应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、智能工具、工业机器用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式统的工业生产和服
15、务方式国际芯片市场来看据统计每年只有据统计每年只有10-20%10-20%的计算机芯片是的计算机芯片是为台式为台式PCPC或膝上电脑而设计的。或膝上电脑而设计的。q嵌入式系统设计制造的嵌入式系统设计制造的CPUCPU每年大概有每年大概有10-2010-20亿片。亿片。q每年又有每年又有1 1万个新的嵌入式系统计划产生，而且越万个新的嵌入式系统计划产生，而且越来越多的系统需要复杂的嵌入式操作系统。来越多的系统需要复杂的嵌入式操作系统。q如：手持设备市场。如：手持设备市场。20002000年的全球产销量为年的全球产销量为12901290万部，而到今年时预计将为万部，而到今年时预计将为6340634
16、0万部。万部。中国信息家电市场20012001年达到年达到500500亿亿 700700亿元，今年有望亿元，今年有望达到达到35003500亿亿 50005000亿元。亿元。q国内现有国内现有80008000万有线电视网用户、万有线电视网用户、3 3亿多台彩色电亿多台彩色电视机和视机和70007000多万台多万台VCDVCDDVDDVD机。机。q业内分析，未来业内分析，未来1010年是国内机顶盒生产的黄金时年是国内机顶盒生产的黄金时期，期，1010年总量可望达到年总量可望达到1 11.51.5亿台，总产值在亿台，总产值在60060015001500亿元人民币之间。亿元人民币之间。q仅此一项，嵌
17、入式软件开发商每年获得的授权收仅此一项，嵌入式软件开发商每年获得的授权收入即可达到入即可达到10101515亿元。亿元。嵌入式技术将成为后PC时代的主宰嵌入式技术成为当前微电子技术与计算嵌入式技术成为当前微电子技术与计算机技术中的一个重要分支。机技术中的一个重要分支。q使计算机的分类从以前的巨型机、大型机、小型使计算机的分类从以前的巨型机、大型机、小型机、微机之分变为了通用计算机和嵌入式系统之机、微机之分变为了通用计算机和嵌入式系统之分。分。q嵌入式的应用更是涉及金融、航天、电信、网络、嵌入式的应用更是涉及金融、航天、电信、网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域，信息家电、医疗、工业控
18、制、军事等各个领域，以致一些学者断言嵌入式技术将成为后以致一些学者断言嵌入式技术将成为后PC时代的时代的主宰。主宰。后PC时代产品的蓬勃发展ARM的应用应用领域社会经济的发展产生了一些新的需求，同时促进了嵌入式技术的广泛应用中国正在成为世界制造大国，在消费电子、工业应用、军事国防、网络设备等领域都有嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用领域嵌入式技术刺激了许多新的应用需求嵌入式技术发展又在不断刺激新的技术产生 信息家电、医疗电子病历、微小型智能武器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
19、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系统的应用领域工业控制工业控制 工业设备是机电产工业设备是机电产品中最大一类品中最大一类过去在工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统等方面，大部分低端型设备主要采用是位单片机。嵌入式系统的应用领域q随着技术发展，目前许多设备除了进行实时控制，还须将设备状态，传感器的信息等在显示屏上实时显示。嵌入式系统的应用领域信息家电信息家电将成为嵌入式系统最大的信息家电将成为嵌入式系统最大的应用领域。应用领域。嵌入式系统的应用领域q只有按钮、开关的电器显然已经不能满足只有按钮、开关的电器显然已经不
20、能满足人们的日常需求。人们的日常需求。q具有用户界面，能远程控制，智能管理的具有用户界面，能远程控制，智能管理的电器是未来的发展趋势，如冰箱、空调等电器是未来的发展趋势，如冰箱、空调等的网络化、智能化等。的网络化、智能化等。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交通管理、环境监测交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭嵌入式系统的应用领域q水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。q加油站、停车场管理嵌入式系统的应用领域
21、智能玩具与机器人嵌入式系统的应用领域嵌入式嵌入式InternetInternet应用应用嵌入式系统的应用领域汽车电子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未来嵌入式系统的发展趋势互联网的普及半导体技术的改善3C（Compute,Communication,Consumer）技术的快速融合使用者的需求信息服务应用生活化未来嵌入式系统的发展趋势技术的渗透性和融合性未来嵌入式系统的发展趋势设备的关联性未来嵌入式系统的发展趋势个性化服务未来嵌入式系统的发展趋势Any Time,Any Where,Any Medium,Any Content未来嵌入式系统的发展
22、趋势Agenda嵌入式系统概述嵌入式系统硬件基础嵌入式系统软件基础嵌入式系统开发过程嵌入式软件层次结构应用程序开发者真正需要定制的部分。产品的各项功能的实现。一般采用C语言实现。有可能需要采取多进程或多任务的编程方式。需要考虑进程间通信和网络传输。有可能有图形界面。操作系统负责如下功能-进程调度-内存管理-虚拟文件系统-网络接口-进程间通信嵌入式操作系统-VxWorksVxWorks-由WindRiver公司开发的实时操作系统内核。-开放式结构和对工业标准的支持，使得开发人员容易设计高效的嵌入式系统。-集成开发环境Tornado功能强大。-开发技术文档比较全面。嵌入式操作系统-LinuxLin
23、ux-免费的，开发源代码的操作系统。-源于通用操作系统设计，实时性不足。-集成开发环境较为欠缺，正在改善中。-开发技术文档由于嵌入式Linux版本较多，不够统一。嵌入式操作系统-Linux嵌入式Linux种类-Hard Hat Linux:Monta Vista-RTLinux:New Mexico Institute of Technology -红旗Linux:中科红旗-Embedix:Lineo-ucLinux(www.uclinux.org)Agenda嵌入式系统概述嵌入式系统硬件基础嵌入式系统软件基础嵌入式系统开发过程嵌入式系统的开发流程确定产品需求选择主要芯片确定编程语言选择开发环
24、境RTOS的使用选择开发方案选择开发方案设计与调试测试测试工具与其他辅助设备产品嵌入式系统的开发设计与调试设计生产编译器链接器调试器IDE操作系统软件测试评估板仿真器逻辑分析仪边界扫描测试仪编程器开发环境什么是嵌入式开发环境：源程序编译器目标文件链接器可重定位程序定位器可执行文件u编译器/汇编器/链接定位器u调试器/仿真器u主机（Host）及其工作平台u实时操作系统（可选）u目标评估系统（可选）u测试工具（软件/硬件/协议等，可选）u其他辅助设备（可选）n 典型的开发环境ARM的编译器（1）ADS1.2ARM公司出品IDE环境，包括ARM/Thumb汇编器：armasmANSI C 编译器-a
25、rmcc 和 tccISO/Embedded C+编译器 -armcpp and tcpp链接器 armlinkWindows 集成开发环境 CodeWarrior格式转换器 fromelf库管理器-armar调试器模拟调试器：ARMulatorJTAG调试：AXD（与Multi-ICE配合）支持所有ARM内核，最新版本：RealView2.0ARM的编译器（2）EW-ARM瑞典IRA公司出品著名的嵌入式工具提供商，以提供编译器/协议栈/统一建模工具著称主要产品：Embeded Workbench（EW）、Make APP、Visual State等EW-ARM：针对ARM的集成开发环境：C/C+编译器C-SPY 模拟调试器ROM-Monitor多种级别代码优化方法，满足用户在速度、文件大小方面的要求内建ARM特性优化器支持多种断点模式支持Nucleus,VxWorks等RTOSGreenhillsGNU