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1、 2008 BIT嵌入式系统原理与应用嵌入式系统原理与应用嵌入式系统原理与应用嵌入式系统原理与应用石秀民石秀民石秀民石秀民，北京理工大学北京理工大学北京理工大学北京理工大学-Intel-Intel联合实验室联合实验室联合实验室联合实验室2007-11-162007-11-161 2005 BIT参考资料1.1.嵌入式系统嵌入式系统嵌入式系统嵌入式系统-IntelXScale-IntelXScale结构与开发，编著结构与开发，编著结构与开发，编著结构与开发，编著 陈章龙、涂陈章龙、涂陈章龙、涂陈章龙、涂时亮时亮时亮时亮，北京航空航天大学出版，北京航空航天大学出版，北京航空航天大学出版，北京航空航
2、天大学出版 社，社，社，社，20042004年年年年1 1月月月月2.王田苗王田苗王田苗王田苗 主编主编主编主编.嵌入式系统设计及实例开发嵌入式系统设计及实例开发嵌入式系统设计及实例开发嵌入式系统设计及实例开发ARMARM与与与与C/OS-C/OS-.北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，2002.92002.9 3.Linux3.Linux与嵌入式系统，李善平，刘文峰，北京：清华大与嵌入式系统，李善平，刘文峰，北京：清华大与嵌入式系统，李善平，刘文峰，北京：清华大与嵌入式系统，李善平，刘文峰，北京：清华大学出版社，学出版社，学出版社，学出版社
3、，2003.12003.1 4 4（美）（美）（美）（美）JeanJ.Labrosse,JeanJ.Labrosse,邵贝贝译邵贝贝译邵贝贝译邵贝贝译.C/OS-.C/OS-源源源源码公开的实时嵌入式操作系统码公开的实时嵌入式操作系统码公开的实时嵌入式操作系统码公开的实时嵌入式操作系统.北京：中国电力出版社，北京：中国电力出版社，北京：中国电力出版社，北京：中国电力出版社，2001.82001.8 简介：是目前学习嵌入式操作系统最好的入门教材，书中对一个完简介：是目前学习嵌入式操作系统最好的入门教材，书中对一个完简介：是目前学习嵌入式操作系统最好的入门教材，书中对一个完简介：是目前学习嵌入式操
4、作系统最好的入门教材，书中对一个完整的嵌入式实时内核整的嵌入式实时内核整的嵌入式实时内核整的嵌入式实时内核C/OS-C/OS-进行了剖析，详细讲述了实时内进行了剖析，详细讲述了实时内进行了剖析，详细讲述了实时内进行了剖析，详细讲述了实时内核的设计和创建方法，以及多任务实时系统的原理和编程思想。核的设计和创建方法，以及多任务实时系统的原理和编程思想。核的设计和创建方法，以及多任务实时系统的原理和编程思想。核的设计和创建方法，以及多任务实时系统的原理和编程思想。2 2005 BIT5（美）（美）WayneWolf，孙玉方等译，孙玉方等译.嵌入式计嵌入式计算机系统设计原理算机系统设计原理.北京：机械
5、工业出版社，北京：机械工业出版社，2002.2 简介：被称为简介：被称为简介：被称为简介：被称为“嵌入式计算系统设计的第一本教科书嵌入式计算系统设计的第一本教科书嵌入式计算系统设计的第一本教科书嵌入式计算系统设计的第一本教科书”，书中重点介绍了嵌入式技术和基本原理和技术，涉及到书中重点介绍了嵌入式技术和基本原理和技术，涉及到书中重点介绍了嵌入式技术和基本原理和技术，涉及到书中重点介绍了嵌入式技术和基本原理和技术，涉及到嵌入式系统的相关的指令系统、嵌入式系统的相关的指令系统、嵌入式系统的相关的指令系统、嵌入式系统的相关的指令系统、CPUCPU、计算平台、程序、计算平台、程序、计算平台、程序、计算
6、平台、程序设计与分析、进程和操作系统、硬件加速器、网络、系设计与分析、进程和操作系统、硬件加速器、网络、系设计与分析、进程和操作系统、硬件加速器、网络、系设计与分析、进程和操作系统、硬件加速器、网络、系统设计技术等方面。统设计技术等方面。统设计技术等方面。统设计技术等方面。6毛德操，胡希明著。毛德操，胡希明著。Linux内核源代码情景内核源代码情景分析分析。浙江。浙江:浙江大学出版社。浙江大学出版社。7AndrewN.Sloss(美美)ARM嵌入式系统开发嵌入式系统开发软件设计与优化软件设计与优化,北京北京:北京航空航天大学出版社，北京航空航天大学出版社，2005.53 2005 BIT实验平
7、台4 2005 BIT嵌入式系统的概述嵌入式系统的概述-基于基于ARM1、什么是嵌入式系统、什么是嵌入式系统2、硬件基础、硬件基础3、嵌入式操作系统、嵌入式操作系统4、嵌入式系统的应用领域、嵌入式系统的应用领域5、嵌入式技术的发展趋势、嵌入式技术的发展趋势5 2005 BIT一、什么是嵌入式系统1发展历史和典型应用发展历史和典型应用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和一个和一个和一个和一个PC104PC104的微型工业控制计算机都可以
8、认为是嵌的微型工业控制计算机都可以认为是嵌的微型工业控制计算机都可以认为是嵌的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。入式系统。入式系统。入式系统。嵌入式系统早期主要应用于军事及航空航天等领域嵌入式系统早期主要应用于军事及航空航天等领域嵌入式系统早期主要应用于军事及航空航天等领域嵌入式系统早期主要应用于军事及航空航天等领域,以以以以后逐步广泛地应用于工业控制、仪器仪表、汽车电子、通后逐步广泛地应用于工业控制、仪器仪表、汽车电子、通后逐步广泛地应用于工业控制、仪器仪表、汽车电子、通后逐步广泛地应用于工业控制、仪器仪表、汽车电子、通信和家用消费类等领域。随着信和家用消费类等领域。随着信和家用消费
9、类等领域。随着信和家用消费类等领域。随着InternetInternet的发展的发展的发展的发展,新型的嵌入新型的嵌入新型的嵌入新型的嵌入式系统正朝着信息家电式系统正朝着信息家电式系统正朝着信息家电式系统正朝着信息家电IA(InformationAppliance)IA(InformationAppliance)和和和和3C(Computer3C(Computer、Communication&Consumer)Communication&Consumer)产品方向产品方向产品方向产品方向发展。发展。发展。发展。嵌入式系统已经有了近嵌入式系统已经有了近嵌入式系统已经有了近嵌入式系统已经有了近30
10、30年的发展历史，它是在硬件年的发展历史，它是在硬件年的发展历史，它是在硬件年的发展历史，它是在硬件和软件交替双螺旋式发展的基础上发展起来的和软件交替双螺旋式发展的基础上发展起来的和软件交替双螺旋式发展的基础上发展起来的和软件交替双螺旋式发展的基础上发展起来的。6 2005 BIT第一款微处理器是第一款微处理器是Intel的的4004，它出现在，它出现在1971年，然后是是年，然后是是Intel公司的公司的8048，它出现在，它出现在1976年。年。Motorola同时推出了同时推出了68HC05，Zilog公司公司推出了推出了Z80系列，这些早期的单片机均含有系列，这些早期的单片机均含有25
11、6字字节的节的RAM、4K的的ROM、4个个8位并口、位并口、1个全双工个全双工串行口、两个串行口、两个16位定位定时时器。器。之后在之后在80年代初，年代初，Intel又进一步完善了又进一步完善了8048，在它的基础上研制成功了在它的基础上研制成功了8051。在单片机的历史在单片机的历史上是值得纪念的一页，迄今为止，上是值得纪念的一页，迄今为止，51系列的单片系列的单片机仍然是最为成功的单片机芯片，在各种产品中机仍然是最为成功的单片机芯片，在各种产品中有着非常广泛的应用。有着非常广泛的应用。7 2005 BIT典型应用手机机顶盒STB PDA可视电话 SONY机器狗“索杰纳”火星车 8 20
12、05 BIT1981年年ReadySystem发展了世界上第发展了世界上第1个商业个商业嵌入式实时内核（嵌入式实时内核（VTRX32）包含了许多传统操作系）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。排斥、中断支持、内存管理等功能。随后，出现了随后，出现了IntegratedSystemIncorporation(ISI)的的PSOS、WindRiver的的VxWorks、QNX公司的公司的QNX等，等，PalmOS，WinCE，嵌入式，嵌入式Linux，Lynx，uCOS、Nucleus，以及
13、国内凯思集团的，以及国内凯思集团的Hopen、DeltaOS等嵌入式操作系统。等嵌入式操作系统。9 2005 BIT9090年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时内核逐渐发展为实时多任务操作系统不断上升，实时内核逐渐发展为实时多任务操作系统不断上升，实时内核逐渐发展为实时多任务操作系统不断上升，实时内核逐渐发展为实时多任务操作系统（RTOSRTOS），并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌），并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌），并作为一种软件平台逐步
14、成为目前国际嵌），并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。这时候更多的公司看到了嵌入式系统入式系统的主流。这时候更多的公司看到了嵌入式系统入式系统的主流。这时候更多的公司看到了嵌入式系统入式系统的主流。这时候更多的公司看到了嵌入式系统的广阔发展前景，开始大力发展自己的嵌入式操作系统。的广阔发展前景，开始大力发展自己的嵌入式操作系统。的广阔发展前景，开始大力发展自己的嵌入式操作系统。的广阔发展前景，开始大力发展自己的嵌入式操作系统。今天今天今天今天RTOSRTOS已经在全球形成了已经在全球形成了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，根据美国个产业，根据美国个产
15、业，根据美国EMFEMF（电子市场分析）报告，（电子市场分析）报告，（电子市场分析）报告，（电子市场分析）报告，19991999年全球年全球年全球年全球RTOSRTOS市场产市场产市场产市场产值达值达值达值达3.63.6亿美元，而相关的整个嵌入式开发工具（包括仿亿美元，而相关的整个嵌入式开发工具（包括仿亿美元，而相关的整个嵌入式开发工具（包括仿亿美元，而相关的整个嵌入式开发工具（包括仿真器、软件编译器和调试器）则高达真器、软件编译器和调试器）则高达真器、软件编译器和调试器）则高达真器、软件编译器和调试器）则高达9 9亿美元。亿美元。亿美元。亿美元。10 2005 BIT风河的Tornado/V
16、xWorks Palm公司的Palm OS 微软的Windows CE 11 2005 BIT2 定义IEEEIEEE定义定义根据根据根据根据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：（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用于控制、监视或者辅助操作机用于控制、监视或者辅助操作机用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置器和设备的装置器和设备的装置器和设备的装置”（原文为（原文为（原文为（原文为devicesdevicesusedtocon
17、trol,usedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplantsmachineryorplants）。）。）。）。可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统系统系统系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装是软件和硬件的综合
18、体，还可以涵盖机电等附属装置。置。置。置。12 2005 BIT一般定义一般定义“以以以以应用应用应用应用为中心、以计算机技术为基础、为中心、以计算机技术为基础、为中心、以计算机技术为基础、为中心、以计算机技术为基础、软件软件软件软件硬件可裁剪硬件可裁剪硬件可裁剪硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求求求求的的的的专用专用专用专用计算机系统。计算机系统。计算机系统。计算机系统。”从以下几个方面来理解国内对嵌入式系统的定义：从以下几个方面来理解国内对嵌入式系统的定义：从以下几个
19、方面来理解国内对嵌入式系统的定义：从以下几个方面来理解国内对嵌入式系统的定义：嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。可以这样理解上述三个方面的含义，即嵌入式系统势。可以这样理解上述三个方面的含义，即嵌入式系统势。可以这样理解上述三个方面的含义，即嵌入式系统势。可以这
20、样理解上述三个方面的含义，即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。实际系统需求进行合理的裁减利用。实际系统需求进行合理的裁减利用。实际系统需求进行合理的裁减利用。13 2005 BIT嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业的具体应用相结合后的和电子技术以及各个行业的具体应用相结合后的产物。产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、这一
21、点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。例如定位。例如PalmOS之所以在之所以在PDA领域占有领域占有70以上的市场，就是因为其立足于个人电子消费品，以上的市场，就是因为其立足于个人电子消费品，着重发展图形界面和多任务管理；而风河的着重发展图形界面和多任务管理；而风河的VxWorks之所以在火星车上得以应用，则是因为之所以在火星车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。其高实时性和高可靠性。14 2005 BIT嵌入式系统
22、必须根据应用需求能够对软硬件进行嵌入式系统必须根据应用需求能够对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发出适应各种需要的系统，基础，然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几核心往往是一个只有几KB到几十到几十KB的微内核，的微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减。由需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减。由于微内核的存在，使得这种扩
23、展能够非常顺利地于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利地进行。进行。15 2005 BIT嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，很难给它下一个准确的定义很难给它下一个准确的定义很难给它下一个准确的定义很难给它下一个准确的定义。因
24、此，目前通常把嵌入式系统。因此，目前通常把嵌入式系统。因此，目前通常把嵌入式系统。因此，目前通常把嵌入式系统概念的重心放在概念的重心放在概念的重心放在概念的重心放在“系统系统系统系统”（即操作系统）上，指能够运行操（即操作系统）上，指能够运行操（即操作系统）上，指能够运行操（即操作系统）上，指能够运行操作系统的软硬件综合体。总体上嵌入式系统可以划分成硬件作系统的软硬件综合体。总体上嵌入式系统可以划分成硬件作系统的软硬件综合体。总体上嵌入式系统可以划分成硬件作系统的软硬件综合体。总体上嵌入式系统可以划分成硬件和软件两部分，硬件一般由高性能的微处理器和外围的接口和软件两部分，硬件一般由高性能的微处
25、理器和外围的接口和软件两部分，硬件一般由高性能的微处理器和外围的接口和软件两部分，硬件一般由高性能的微处理器和外围的接口电路组成，软件一般由实时操作系统和其上运行的应用软件电路组成，软件一般由实时操作系统和其上运行的应用软件电路组成，软件一般由实时操作系统和其上运行的应用软件电路组成，软件一般由实时操作系统和其上运行的应用软件构成，软件和硬件之间由所谓的中间层（构成，软件和硬件之间由所谓的中间层（构成，软件和硬件之间由所谓的中间层（构成，软件和硬件之间由所谓的中间层（BSPBSP层，板级支持层，板级支持层，板级支持层，板级支持包）连接。包）连接。包）连接。包）连接。16 2005 BIT3、嵌
26、入式系统的几个重要特征（1）系统内核小）系统内核小由由由由于于于于嵌嵌嵌嵌入入入入式式式式系系系系统统统统一一一一般般般般是是是是应应应应用用用用于于于于小小小小型型型型电电电电子子子子装装装装置置置置的的的的，系系系系统统统统资资资资源相对有限，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。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。比比比比如如如如ENEAENEA公公公公司司司司的的的的OSEOSE分分分分布布布布式式式式系系系系统统统统，内内内内核核核核只只只只有有有有5K5K，而而而而Window
27、sWindows的内核则要大得多。的内核则要大得多。的内核则要大得多。的内核则要大得多。我我我我们们们们用用用用的的的的sitsangsitsang平平平平台台台台，移移移移植植植植的的的的内内内内核核核核不不不不包包包包括括括括文文文文件件件件系系系系统统统统851.3k851.3k。包括之后是。包括之后是。包括之后是。包括之后是39M39M。17 2005 BIT（）专用性强（）专用性强嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的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
28、对硬件进行系统的移植。结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统即使在同一品牌、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。硬件的变化和增减不断进行修改。硬件的变化和增减不断进行修改。硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改
29、，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，程序的编译下载要和系统相结合，程序的编译下载要和系统相结合，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件这种修改和通用软件这种修改和通用软件这种修改和通用软件的的的的“升级升级升级升级”是完全不同的概念。是完全不同的概念。是完全不同的概念。是完全不同的概念。18 2005 BIT（）系统精简（）系统精简嵌嵌嵌嵌入入入入式式式式系系系系统统统统一一一一般般般般没没没没有有有有系系系系统统统统软软软软件件件件和和和和应应应应用用用用软软软软件件件件的的的的明明明明显显显显区区区区分分分分，不不不不要要要要求求求求其
30、其其其功功功功能能能能设设设设计计计计及及及及实实实实现现现现上上上上过过过过于于于于复复复复杂杂杂杂，这这这这样样样样一一一一方方方方面面面面利利利利于于于于控控控控制制制制系系系系统统统统成成成成本本本本，同同同同时时时时也也也也利利利利于于于于实实实实现现现现系系系系统统统统安全。安全。安全。安全。（）高实时性（）高实时性OS这这这这是是是是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固化存储，以提高速度。化存储，以提高速度。化存储，以提高速度。化存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可软
31、件代码要求高质量和高可软件代码要求高质量和高可软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。靠性、实时性。靠性、实时性。靠性、实时性。19 2005 BIT（5）嵌嵌入入式式软软件件开开发发走走向向标标准准化化，必必须使用多任务操作系统须使用多任务操作系统嵌嵌嵌嵌入入入入式式式式系系系系统统统统的的的的应应应应用用用用程程程程序序序序可可可可以以以以没没没没有有有有操操操操作作作作系系系系统统统统直直直直接接接接在芯片上运行。在芯片上运行。在芯片上运行。在芯片上运行。为为为为了了了了合合合合理理理理地地地地调调调调度度度度多多多多任任任任务务务务、利利利利用用用用系系系系统统统统资资资资源源源源、系系
32、系系统统统统函函函函数数数数以以以以及及及及和和和和专专专专家家家家库库库库函函函函数数数数接接接接口口口口，用用用用户户户户必必必必须须须须自自自自行行行行选选选选配配配配RTOSRTOS（RealRealTimeTimeOperatingOperatingSystemSystem）开开开开发发发发平平平平台台台台，这这这这样样样样才才才才能能能能保保保保证证证证程程程程序序序序执执执执行行行行的的的的实实实实时时时时性性性性、可可可可靠靠靠靠性性性性，并并并并减减减减少少少少开发时间，保障软件质量。开发时间，保障软件质量。开发时间，保障软件质量。开发时间，保障软件质量。20 2005 BI
33、T（6）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，即使设计完成以后，用户通常也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，必须有一套开发工具和环境才能进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。行开发。行开发。行开发。这些工具和环境
34、一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻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。辑分析仪、混合信号示波器等。辑分析仪、混合信号示波器等。辑分析仪、混合信号示波器等。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，开发时需要交替结合进
35、行。作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。21 2005 BIT22 2005 BIT4、嵌入式系统与PC之间的区别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PC是通用是通用计算平台计算平台嵌入式系统的资源比嵌入式系统的资源比PC少得多少得多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PC机大机大得多得多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、功耗的要求嵌入式系统得到多种微处理体系的支持嵌入式系统得到多种
36、微处理体系的支持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23 2005 BIT5、典型嵌入式系统基本组成硬件MPU微处理器微处理器电源电源模块模块时钟时钟复位复位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外围电路外围电路Other外设外设24 2005 BIT6、典型嵌入式系统基本组成软件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25 2005 BIT嵌入式系统一般指非嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件系统，它包括硬件和软件两部分。两部分。硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和和
37、IO端口、图形控制器等。端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（软件部分包括操作系统软件（OS）（要求实时）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。有时设计人员和多任务操作）和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。控制着应用程序编程与硬件的交互作用。26 2005 BIT嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处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理器一般就具备以下4个特点个特点1 1）对实时多任务有很强的
38、支持能力，能完成多任务并）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并）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应时间，从而使内部的代码和实时内且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内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。核的执行时间减少到最低限度。核的执行时间减少到最低限度。核的执行时间减少到最低限度。2 2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式）具有功能很强的存储区保护功能。这是
39、由于嵌入式）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系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间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，需要设计强大的存储区保护功能，出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，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。同时也有利于软件诊断。同时也有利于软件诊断。同时也有利于软件诊断。3 3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应）可扩展的处
40、理器结构，以能最迅速地开展出满足应）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。用的最高性能的嵌入式微处理器。用的最高性能的嵌入式微处理器。用的最高性能的嵌入式微处理器。4 4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式）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的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入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的无线及移动的计算和
41、通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有系统更是如此，如需要功耗只有系统更是如此，如需要功耗只有系统更是如此，如需要功耗只有mWmW甚至甚至甚至甚至WW级。级。级。级。27 2005 BIT嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。助系统运行的硬件单元。助系统运行的硬件单元。助系统运行的硬件单元。早期的早期的早期的早期的位、位、位、位、位单片机，位单片机，位单片机，位单片机，后来的后来的后来的后来的1616位
42、位位位CPUCPU，现在，现在，现在，现在 3232位、位、位、位、6464位嵌入式位嵌入式位嵌入式位嵌入式CPUCPU。实时操作系统实时操作系统实时操作系统是嵌入式系统目前最主要的组成部实时操作系统是嵌入式系统目前最主要的组成部实时操作系统是嵌入式系统目前最主要的组成部实时操作系统是嵌入式系统目前最主要的组成部分。实时性需要调度一切可利用的资源完成实时控制任分。实时性需要调度一切可利用的资源完成实时控制任分。实时性需要调度一切可利用的资源完成实时控制任分。实时性需要调度一切可利用的资源完成实时控制任务，着眼于提高计算机系统的使用效率，满足对时间的务，着眼于提高计算机系统的使用效率，满足对时间
43、的务，着眼于提高计算机系统的使用效率，满足对时间的务，着眼于提高计算机系统的使用效率，满足对时间的限制和要求。限制和要求。限制和要求。限制和要求。28 2005 BIT冯冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构诺依曼体系结构和哈佛体系结构CISC与与RICS嵌入式处理器嵌入式处理器影响影响CPU性能的因素性能的因素存储器系统存储器系统I/O接口接口二、硬件基础29 2005 BIT冯冯诺依曼体系结构模型诺依曼体系结构模型指令寄存器指令寄存器控制器控制器数据通道数据通道输入输入输出输出中央处理器中央处理器存储器存储器程序程序指令指令0指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4数据数据数据数据0数据数据1数据
44、数据2总线30 2005 BIT指令的执行周期T1）取指令（）取指令（InstructionFetch)：TF2）指令译码（）指令译码（InstructionDecode）：）：TD3）执行指令（）执行指令（InstructionExecute）：）：TE4）存储（）存储（Storage）：）：TS每条指令的执行周期：每条指令的执行周期：T=TF+TD+TE+TS31 2005 BIT冯诺依曼体系的特点1）数据与指令都存储在同一存储区中，取指）数据与指令都存储在同一存储区中，取指令与取数据利用同一数据总线。令与取数据利用同一数据总线。2）被早期大多数计算机所采用）被早期大多数计算机所采用3）A
45、RM7冯诺依曼体系冯诺依曼体系结构简单结构简单,但速度较慢。取指不能同时取数据但速度较慢。取指不能同时取数据32 2005 BIT哈佛体系结构哈佛体系结构指令寄存器指令寄存器控制器控制器数据通道数据通道输入输入输出输出中央处理器中央处理器程序存储器程序存储器指令指令0指令指令1指令指令2数据存储器数据存储器数据数据0数据数据1数据数据2总线总线33 2005 BIT哈佛体系结构的特点1 1）程序存储器与数据存储器分开）程序存储器与数据存储器分开）程序存储器与数据存储器分开）程序存储器与数据存储器分开.2 2）提供了较大的存储器带宽，各自有自己的总）提供了较大的存储器带宽，各自有自己的总）提供了
46、较大的存储器带宽，各自有自己的总）提供了较大的存储器带宽，各自有自己的总线。线。线。线。3 3）适合于数字信号处理）适合于数字信号处理）适合于数字信号处理）适合于数字信号处理.4 4）大多数）大多数）大多数）大多数DSPDSP都是哈佛结构都是哈佛结构都是哈佛结构都是哈佛结构.5 5）ARM9ARM9是哈佛结构是哈佛结构是哈佛结构是哈佛结构取指和取数在同一周期进行，提高速度，取指和取数在同一周期进行，提高速度，取指和取数在同一周期进行，提高速度，取指和取数在同一周期进行，提高速度，改进哈佛体系结构分成三个存储区：程序、改进哈佛体系结构分成三个存储区：程序、改进哈佛体系结构分成三个存储区：程序、改
47、进哈佛体系结构分成三个存储区：程序、数据、程序和数据共用。数据、程序和数据共用。数据、程序和数据共用。数据、程序和数据共用。34 2005 BITCISC和RISCRIS CRIS C和和 C IS CC IS C是目前设计制造微处理器的两种典型技是目前设计制造微处理器的两种典型技术，虽然它们都是试图在体系结构、操作运行、软件硬术，虽然它们都是试图在体系结构、操作运行、软件硬件、编译时间和运行时间等诸多因素中做出某种平衡，件、编译时间和运行时间等诸多因素中做出某种平衡，以求达到高效的目的，但采用的方法不同，因此，在很以求达到高效的目的，但采用的方法不同，因此，在很多方面差异很大，它们主要有：多
48、方面差异很大，它们主要有：35 2005 BITCISC和RISC CISCCISC：复杂指令集（：复杂指令集（：复杂指令集（：复杂指令集（ComplexInstructionSetComputerComplexInstructionSetComputer）具有大量的指令和寻址方式具有大量的指令和寻址方式具有大量的指令和寻址方式具有大量的指令和寻址方式 8/28/2原则：原则：原则：原则：80%80%的程序只使用的程序只使用的程序只使用的程序只使用20%20%的指令的指令的指令的指令 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。大多数程序只使用少量的指令就能够运行。大多数程序只使用少量的指令就能够运
49、行。大多数程序只使用少量的指令就能够运行。CISCCPUCISCCPU包含有丰富的单元电路，因而功能强、面积大、功耗包含有丰富的单元电路，因而功能强、面积大、功耗包含有丰富的单元电路，因而功能强、面积大、功耗包含有丰富的单元电路，因而功能强、面积大、功耗大。大。大。大。RISCRISC：精简指令集（：精简指令集（：精简指令集（：精简指令集（ReducedInstructionSetComputer)ReducedInstructionSetComputer)在通道中只包含最有用的指令在通道中只包含最有用的指令在通道中只包含最有用的指令在通道中只包含最有用的指令,只提供简单的操作。只提供简单的操
50、作。只提供简单的操作。只提供简单的操作。确保数据通道快速执行每一条指令确保数据通道快速执行每一条指令确保数据通道快速执行每一条指令确保数据通道快速执行每一条指令 Load-storeLoad-store结构结构结构结构 处理器只处理寄存器中的数据，处理器只处理寄存器中的数据，处理器只处理寄存器中的数据，处理器只处理寄存器中的数据，load-storeload-store指令指令指令指令用来完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送。用来完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送。用来完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送。用来完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送。使使使使CPUCPU硬件结构设计变得