嵌入式系统原理及应用教程第1章.ppt

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1、嵌入式系统定义 嵌入式系统的发展概述 嵌入式系统的硬件和软件特征 嵌入式系统的分类 嵌入式系统的应用,1 、什么是嵌入式系统 嵌入式系统（Embedded Systems）是指：“嵌入到对象体系中的、用于执行独立功能的专用计算机系统”。 嵌入式系统的嵌入式本质就是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去。,2 、计算机发展的三大阶段 第一阶段：始于五十年代的由IBM, Burroughs, Honeywell等公司率先研制的大型机(电子管)。 第二阶段：始于七十年代的个人计算机PC（晶体管和集成电路）,出现了很多伟大的公司：Intel, Microsoft, Apple。 第三阶段：计算机正迈入下一

2、个充满机遇的阶段“后PC时代”或“无处不在的计算机”阶段。,无处不在的计算机 施乐公司Palo Alto研究中心主任Mark Weiser认为： “从长远来看，PC机和计算机工作站将衰落，因为计算机变得无处不在：例如在墙里、在手腕上、在手写电脑中(象手写纸一样)等等，随用随取、伸手可及”。 全世界的计算机科学家正在形成一种共识: 计算机不会成为科幻电影中的那种贪婪的怪物, 而是将变得小巧玲珑, 无处不在. 他们藏身在任何地方, 又消失在所有地方, 功能强大, 确有无影无踪. 人们将这种思想命名为: “无所不在的计算机”。,彼此互连,A、 智能家电：全自动洗衣机、电脑电饭煲、自动空调 B 、神州

3、飞船和长征火箭有很多嵌入式系统，导弹的制导系统也是嵌入式系统,C 、消费电子：MP3、DVD、DV、打印机、数码相机、PDA、ADSL、手机,D 、汽车控制系统,尾灯控制系统,后车门控制系统,前车门控制系统,座椅控制系统,发动器控制系统,所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统,嵌入式系统示例,汽车控制系统,尾灯控制系统,后车门控制系统,前车门控制系统,座椅控制系统,发动器控制系统,所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统,3 、嵌入式系统主要有嵌入式处理器、支撑硬件和嵌入式软件组成。 A 、最简单的嵌入式系统仅有执行单一功能的控制能力，在唯一的 ROM中仅有实现单一功能的控制程序，无微型操作系统

4、。如最早的单片机系统(MC51)。,B 、复杂的嵌入式系统，例如手机、个人数字助理（PDA）、手持电脑（HPC）等，具有与 PC几乎一样的功能。 实质上与PC的区别仅仅是将微型操作系统与应用软件嵌入在 ROM、RAM或FLASH存储器中，而不是存贮于磁盘等载体中。,C 、很多复杂的嵌入式系统又是由若干个小型嵌入式系统组成的。 如汽车控制系统、神州飞船和长征火箭中的控制系统等。,从广义上讲，凡是带有微处理器的专用硬件系统都可以称为嵌入式系统，如各类单片机和DSP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。但他们的软件的能力有限。 因此，推荐使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己

5、的操作系统，具有特定功能，用于特定场合的嵌入式系统。所以，一个嵌入式系统就是一个硬件和软件的集合体，它包括硬件和软件两部分。其中硬件包括嵌入式处理器、控制器、数字信号处理器（DSP）、存储及外设器件、输入输出（I/O）由于应用领域不同，应用程序千差万别。,按照上述嵌入式系统的定义，只要满足定义中三要素的计算机系统，都可称为嵌入式系统。 嵌入式系统按形态可分为 设备级（工控机） 板级（单板、模块） 芯片级（MCU、SoC） 。,嵌入式系统特别强调“量身定做”的原则，开发人员往往需要针对某一种特殊用途开发出一个截然不同的嵌入式系统来，所以我们很难不经过“大量”修改而直接将一个嵌入式系统全套用到其他

6、的嵌入式产品上去。 “嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。嵌入式系统的特点是由三个基本要素衍生出来的。不同的嵌入式系统其特点会有所差异。,与“嵌入性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境要求，如物理环境（小型）、电气/环境（可靠）、成本（价廉）等要求。 与“专用性”的相关特点：软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬件配置等。 与“计算机系统”的相关特点：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。,与通用的计算机系统化相比

7、，嵌入式系统具有以下显著特点。 1、系统内核小 由于嵌入式系统应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所有内核较传统的操作系统要小得多。例如微软开发的用于掌上型电脑操作的32位嵌入式操作系统Windows CE,大约1.5MB。而传统的操作系统，则要大得多。（Windows XP, 600M; Win 7, 3G;）,2、专用性强 嵌入式系统通常是面对特定任务的（如汽车，导弹等）。相对于一般通用的PC计算机平台，嵌入式系统的个性很强，一般要针对硬件进行软件系统的裁剪。,3、运行环境差异大 嵌入式系统使用范围极为广泛，其运行环境差异很大。例如有些汽车需要运行在冰天雪地的南北极或温度很高的非洲。,4

8、、可靠性要求高 嵌入式系统不像通用的PC一样，“死机”能通过手动启动计算机。嵌入式系统往往要长期在无人值守的环境下运行，甚至是常年运行，因此对可靠性的要求特别高。,5、系统精简和高实时性操作系统 现在许多嵌入式系统要胜任的工作越来越复杂，嵌入式操作系统就成为了嵌入式系统设计中必不可少的一个环节。嵌入式操作系统与传统操作系统的基本功能是一致的，但嵌入式操作系统有其独特的要求和技术特点。如实时性、可裁剪性、可伸缩性和易移植性。,6、具有固化在非易失性存储器中的代码 嵌入式系统的目标代码通常固化在非易失性的存储器芯片中，而不使用外部存储介质。,7、嵌入式系统开发工作和环境 嵌入式系统开发需要专门的开

9、发工具和环境。（因为嵌入式系统本身不具备自主开发能力）。 开发时有主机和目标机：主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要两者交替结合进行。,1.2.1 嵌入式系统的历史与发展 1始于微型机时代的嵌入式系统 由于计算机诞生在1946年（ENIAC),在其后漫长的历史过程中，计算机始终是供养在特殊的机房中，实现数值计算的大型昂贵的设备。 直到20世纪70年代，微处理器4004的出现，计算机的形态和应用才出现了历史性的变化。以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性特点，迅速走出机房，进入到普通人的家中（这就是PC）。,基于高速数值解算能力的微型机，表现出的智能化水平引起了控

10、制专业人士的兴趣，要求将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对对象体系的智能化控制，这就是嵌入式计算机系统。 因此，嵌入式系统诞生于微型机时代。,（1）单片机开创了嵌入式系统独立发展之路 嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，然而，微型计算机的体积、价位、可靠性都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求。因此，嵌入式系统必须走独立发展的道路，从而形成了现代计算机系统发展的两大分支： 通用计算机系统和嵌入式计算机系统。,这条道路就是将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。 在探索单片机的发展道路时，有过两种模式，即“模式”与“创新模式” 模式：将通用计算机系统中的基本单元进行裁剪

11、后集成在一个芯片上，构成单片微型计算机。 创新模式：完全按照嵌入式应用要求设计全新的，满足嵌入式应用要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式，管理模式等。,Intel 公司的MCS48，MCS51就是按照创新模式发展起来的单片形态的嵌入式系统（单片微型计算机）。,（2）单片机的技术发展史 单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。 SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。,MCU即微控制器（Micro controller unit)阶段：主要的技术发展方向是：不断扩展满

12、足嵌入式系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。 SOC即硅片上系统（System On Chip),随着EDA的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临。这就是SOC。,各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。 用户只需定义出整个应用系统，仿真过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得简洁。,2. 现代计算机技术的两大分支 通用

13、计算机系统 :高速、海量的数值计算 嵌入式计算机系统 ：对象的智能化控制,3. 两大分支发展的里程碑事件 （1）通用计算机系统 : 硬件：通用微处理器迅速从286，386，486到奔腾系列 操作系统：迅速扩张计算机基于高速、海量的数据文件处理能力，使通用计算机进入到尽善尽美阶段。 （2）嵌入式计算机系统 ：单芯片化 传统的电子系统向智能化的现代电子系统转化。,1.提供强大的网络服务（互联网和物联网） 针对外部联网要求，嵌入设备必须配有通信接口，相应需要TCP/IP协议簇软件支持； 由于家用电器相互关联（如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息等）及实验现场仪器的协调工作等要求，新一

14、代嵌入式设备还需具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口。 同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。,2.小型化、低成本、低功耗 为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求，如选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用Java编程模式，优化编译器性能等。,3.人性化的人机界面 亿万用户之所以乐于接受嵌入式设备，其重要因素之一是它们与使用者之间的亲和力。它具有自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交互要求以G

15、UI屏幕为中心的多媒体界面。手写文字输入、语言识别输入、脑电波控制、虚拟现实等已取得很大的进展。,4.完善的开发平台 随着Internet技术的成熟、带宽的提高，ICP和ASP在网上提供的信息内容日趋丰富、应用项目多种多样，像移动电话、固定电话及电冰箱、微波炉等嵌入式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。 为了满足应用功能的升级，设计者一方面采用更强大的嵌入式处理器，如32位、64位RISC芯片或数字信号处理器（DSP）增强处理能力；同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。,应用程序与 操作系统的接口,操作系统与 硬件

16、的接口,嵌入式系统是将嵌入了软件的计算机硬件作为其最重要部分的系统，它是一种专门用于某个应用或生产的特殊产品的计算机系统。由于其软件通常嵌入在ROM(只读存储器)中，因此，不像计算机那样需要辅助存储器，早期嵌入式系统自低向上包含3个部分。如下图所示。,应用程序与 操作系统的接口,操作系统与 硬件的接口,嵌入式系统的组成部分是嵌入式系统硬件平台、嵌入式操作系统（RTOS）和嵌入式系统应用。,其中，嵌入式系统硬件平台为各种嵌入式器件、设备（如ARM、PowerPC、Xscale、MIPS等） 嵌入式操作系统是指嵌入式Linux、 WINCE、 uCOSII和VxWorks等。,经过不断地发展，嵌入

17、式系统原有的3层结构逐步演化成为4层结构。如下图所示。,这个新增加的中间层称为硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer，HAL），有时也称为板级支持包（Board Support Package，BSP）。这个新增加的中间层次位于操作系统和硬件之间，包含了操作系统中与硬件相关的大部分功能。 它能够通过特定的上层接口与操作系统进行交互，向操作系统提供底层硬件信息，并根据操作系统的要求完成对硬件的直接操作。,由于引入了一个中间层，屏蔽了底层硬件的多样性，操作系统不再面对具体的硬件环境，而是面对由这个中间层次所代表的、逻辑上的硬件环境，因此，把中间层次叫做硬件抽象层（Hard

18、ware Abstraction Layer, HAL）。 HAL的引入大大推动了嵌入式实时系统的通用化，从而为嵌入式系统的广泛应用提供了可能。,嵌入式系统硬件平台是以嵌入式处理器为核心，由存储器、I/O单元电路、通信模块、外部设备等必要的辅助接口组成的，如下图所示。,硬件抽象层通过硬件抽象层接口向操作系统以及应用程序提供对硬件进行抽象后的服务（API）。 当操作系统或应用程序试用硬件抽象层API进行设计时，只要硬件抽象层API能够在下层硬件平台上实现，那么操作系统和应用程序的代码就可以移植。,板级支持包（Board Support Package，BSP）是现有的大多数商用嵌入式操作系统实现

19、可移植性所采用的一种方案，是硬件抽象层的一种实现。 BSP隔离了所支持的嵌入式操作系统与底层硬件平台之间的相关性，是嵌入式操作系统能够通用与BPS所支持的硬件平台，从而实现嵌入式操作系统的可移植性和跨平台性，以及嵌入式操作系统的通用性、复用性。,BSP是相对于操作系统而言的，不同的操作系统对应于不同定义形式的BSP。 例如，对应同一个CPU来说，要实现同样的功能，VxWorks的BSP和Linux的BSP的写法和接口定义却完全不同。 因此，BSP一定要按照具体操作系统BSP的定义形式来写（BSP的编程过程大多数是在某一个成型的BSP模板上进行修改），这样才能与上层操作系统保持正确的接口，良好地

20、支持上层操作系统。,嵌入式操作系统完成系统初始化及嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。 其内核精简，具有可配置特性，并与高层应用紧密关联。,嵌入式操作系统的主要特点如下 : 体积小 嵌入式操作系统只能运行在有限的内存中（flash memory, 闪存），因此，嵌入式操作系统必须结构紧凑、体积微小。,嵌入式操作系统的主要特点如下 : 实时性 大多数嵌入式系统都是实时系统，而且多是强实时多任务系统，因此要求相应的嵌入式系统也必须是实时操作系统（RTOS）。,嵌入式操作系统的主要特点如下 : 特殊的开发调试环境 由于嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使开发完成之后，用户通常也不能对其中的程序进

21、行修改，因此必须有一套开发工具和环境才能开发。 开发时有主机和目标机，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要两者交替结合进行。,根据不同的标准，嵌入式系统有不同的分类方法。 1.按嵌入式微处理器的位数分类 4位 8位 16位 32位 64位.,其中，4位、8位、16位嵌入式系统已经获得了大量应用，32位嵌入式系统正成为主流发展趋势。 而一些高度负责和要求高速处理的嵌入式系统已经开始使用64位嵌入式微处理器。,2.按软件实时性需求分类 非实时系统（如PDA） 软实时系统（如消费类产品） 硬实时系统（如工业实时控制系统） 实时系统是指有限定的响应时间。大多数的嵌入式系统是属于实时系

22、统。但根据实时性的强弱，可以进一步分为硬实时系统和软实时系统。,硬实时系统是指对响应的时间有严格要求，比如核电站中的堆芯温度控制系统，如果没有对堆芯过热做出及时处理，后果不堪设想。 软实时系统是指对响应的时间有一定要求，但不严格，比如程控电话系统允许在系统负荷较重的时候105个电话有一个接不通（不响应）。,3.按嵌入式系统的复杂程度分类 小型嵌入式系统 中型嵌入式系统 复杂嵌入式系统,工业过程控制 目前，在工业控制和自动化行业中使用嵌入式系统非常普遍，如智能控制设备、智能仪表、现场总线设备、数控机床、机器人等。,网络通信设备 众多网络设备都是使用嵌入式系统的典型例子，如路由器、交换机、web服

23、务器、网络接入设备等。,61,消费电子产品 典型的应用是智能手机，现在智能手机不仅可以语音通话，而且可以上网、文字处理、玩游戏、导航、银行支付、刷卡等等。 信息家电是电子产品中的另一大应用，如果在冰箱、空调、监视器等家电设备中嵌入计算机并提供网络访问能力，用户就可以通过网络随时随地了解家中的情况，并控制家中的相应电器（物联网）。,航空航天设备 嵌入式系统在航空航天设备中也有着广泛的应用，如空中飞行器、火星探测器等。,军事电子设备和现代武器 军事领域从来就是许多高新技术的发源地。由于内装嵌入式计算机的设备反应速度快、自动化程度高，所以威力巨大，自然很受军方青睐。从爱国者导弹制导系统到无人机，从火控系统到单兵系统的通信器，都可以觅得嵌入式系统的踪迹。,