第1章 嵌入式系统引言

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1、单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,52,单击此处编辑母版标题样式,,,嵌 入 式 系 统,,,,西南林业大学 计算机与信息学院,,秦明明,,135 2903 6061,,,1、掌握一种学习方法,,,2、学习了解嵌入式技术研发的基本概念、方法和知识,,,3、获得嵌入式开发设计实践经验,,希望大家有所收获,课程目的,本课程围绕基于,ARM的微处理器,和,实时操作系统,WinCE,，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。,,着重培养学生的实际动手能力，使学生能够掌握嵌入式系统设计的基本方法。,,学生基础：学过C语言、微机原理或单片机等

2、,1．王田苗 主编. 嵌入式系统设计及实例开发——ARM与μC/OS-Ⅱ（第二版）. 北京：清华大学出版社，2003.9,,2．（美）Jean J.Labrosse, 邵贝贝译. μC/OS-Ⅱ——源码公开的实时嵌入式操作系统. 北京：中国电力出版社，2001.8,,3. 马忠梅等著. ARM嵌入式微处理器体系结构。北航出版社,,4. 田泽，于敦山 等译．ARM SoC 体系结构。北航出版社,,5. 郑灵翔等，嵌入式系统设计与应用开发，北航出版社，2006.2,参考资料,主要内容,,第一章 嵌入式系统概论,,第二章 嵌入式系统的基础知识,,第三章 嵌入式系统平台的构建,,第四章 ARM嵌入式微

3、处理器体系结构,,第五章 嵌入式系统常用模块设计,,第六章 嵌入式操作系统,,第七章 嵌入式实时操作系统uC/OS-II,,第八章 家庭安防远程监控系统设计,,第九章 嵌入式软件测试基础,本节提要,1,3,2,5,4,为什么要学习嵌入式系统,嵌入式系统简介,,嵌入式系统的发展现状和发展趋势,,嵌入式系统与单片机、PC的区别,嵌入式系统的应用领域,一、为什么要学习嵌入式技术,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、工业控制、军事应用，,……,，嵌入式技术无处不在,。,,,企业人才需求－软硬件设计人才，应用开发人才，综合性人才，,……,,,技术发

4、展趋势要求－,8,位、,16,位、,32,位，实时操作系统，,……,嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元，它正在成为信息技术（IT）产业争夺的重点之一。,,它们被广泛地应用到工业控制系统、仿真系统、医疗仪器、信息家电、通信设备等众多领域中。,,嵌入式技术正在形成一种产业,,自动控制领域，不仅可以用于ATM机，自动售货机，工业控制等专用设备，和移动通讯设备结合、GPS、娱乐相结合，硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开发包。,,尤其是在最近几年，嵌入式设备不断地进入到新的应用领域，比如PDA、手持设备、智能电话和机项盒等。,在通信领域，数字技术正在全面取代

5、模拟技术。在广播电视领域，美国已开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的DVB（数字电视广播）技术已在全球大多数国家推广。数字电视，高清晰、互动点播、机顶盒。,嵌入式技术正在形成一种产业,现实中的嵌入式系统,,嵌入式系统示例,——汽车控制系统,,嵌入式技术在汽车电子中的应用,马达,,控制器,,车灯,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,,嵌入式技术在汽车电子中的应用,嵌入式技术在汽车电子中的应用,VOLVO S80汽车的CAN总线网络,—（18个嵌入式控制模块）,,—CAN总线网络,通讯

6、行业：华为、中兴、大唐、……,,国内IT业：联想、同方、方正、……,,外资企业：微软、IBM、GE、……,,社会对嵌入式系统设计人才的迫切需求,嵌入式系统设计是一门,综合性,的课程，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,等课程内容。嵌入式系统是软件、硬件设计的完美结合。,,理论与,实践,相结合：实践是嵌入式系统课程的重要环节，缺乏实践的嵌入式系统课程是纸上谈兵。,,对提高专业知识和实践能力大有帮助,本节提要,1,3,2,5,4,为什么要学习嵌入式系统,嵌入式系统简介,,嵌入式系统的发展现状和发展趋势,,嵌入式系统与单片机

7、、PC的区别,嵌入式系统的应用领域,二,、嵌入式系统简介,“嵌入式系统”一般指非PC系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心，软硬件可缩扩的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统；主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成。,,1.嵌入式系统的历史,,从20世纪七十年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器、微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近40年的发展历史。,,70年代，嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。,,从80年代早期开始，更低的开发资金和更高的开发效率的嵌入式系统出现。,,90年代

8、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（RTOS）。,二,、嵌入式系统简介,,2. 嵌入式系统的定义,,,,根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：,,,嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。,,,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。,,一般定义,,,,“以,应用,为中心、

9、以计算机技术为基础、软件硬件可,裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求,的,专用,计算机系统。”,嵌入式系统是以,嵌入式应用,为目的的计算机系统。可分为系统级、板级、片级,,,系统级：各种类型的工控器,,板级：各种类型的带CPU的主板及OEM产品,,片级：各种以单片机、DSP、微处理器为核心的产品,微机学会的定义,,定义上可从几方面来理解嵌入式系统：,,◆ 嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。,,◆ 嵌入式系统具有高实时性和高可靠性。,,◆ 嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。,,

10、嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器和嵌入式操作系统。,,嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点：,,(1) 对实时多任务有很强的支持能力。,,(2) 具有功能很强的存储区保护功能。,,(3) 可扩展的处理器结构。,,(4) 嵌入式微处理器必须功耗很低。,,与其他类型的操作系统相比，嵌入式操作系统具有以下一些特点。,,(1) 体积小。,,(2)实时性。,,(3)特殊的开发调试环境。,,,3. 嵌入式系统的特点,,嵌入式系统特性,,（1）功能特定性,,一般嵌入式系统具有特定应用、特定功能要求。,,（2）规模可变性,,嵌入式系统一般是以最小系统为核心，外围器件可扩充和裁减的系统。,,（3）实时性与稳定性

11、,,嵌入式系统在大多数领域对实时和稳定性都有很高的要求，特别是在设计人身安全的控制领域、如航空、汽车控制等领域。,嵌入式系统的特点,系统其他特性,,（1）操作系统内核小,,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。,,,比如ENEA公司的OSE分布式系统，内核只有5K，而Windows的内核则要大得多。,,（２）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

12、改，程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”是完全不同的概念。,,嵌入式系统的特点,（３）系统精简,,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,利于控制系统成本,，同时也利于实现系统安全。,,（４）高实时性OS,,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、实时性。,嵌入式系统的特点,（5）使用多任务的实时操作系统,,嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统只接在芯片上运行。,,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RTOS（Real－Ti

13、me Operating System）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，保障软件质量。,嵌入式系统的特点,（6）嵌入式系统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。,,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。,,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行。,嵌入式系统的特点,,4.嵌入式系统的分类,,主要从实时性进行划分,,硬实时系统,,是

14、指系统要确保在最坏情况下的服务时间，对于事件响应时间的截止期限必须得到满足。,,软实时系统,,其时限是一个柔性灵活的，可以容忍偶然的超时错误。失败造成的后果并不严重。,本节提要,1,3,2,5,4,为什么要学习嵌入式系统,嵌入式系统简介,,嵌入式系统的发展现状和发展趋势,,嵌入式系统与单片机、PC的区别,嵌入式系统的应用领域,三、嵌入式系统与单片机、PC机的区别,嵌入式系统,,单片机系统,目前嵌入式系统的主流是以,32,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（,RTOS,）,的软件设计,,单片机系统多为,4,位、,8,位、,16,位机，不适合运行操作系统，难以进行较为复杂的运算及

15、处理功能,,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,,嵌入式系统设计的核心是软件设计（占,70%,左右的工作量），单片机系统软硬件设计所占比例基本相同,嵌入式系统与单片机在学习方法上不同,单片机学习一般从硬件入手，从硬件体系结构、汇编语言到硬件设计、软件设计,,,嵌入式系统学习可以从软件入手，从应用层编程到操作系统移植、硬件平台设计较好，按单片机设计的学习流程较难掌握,嵌入式系统,,PC机,嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算平台,,嵌入式系统的资源比PC少得多,,嵌入式系统软件故障带来的后果比PC机大得多,,嵌入式系统一般采用实时操作系统,,嵌入式

16、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,,嵌入式系统需要专用的开发工具,本节提要,1,3,2,5,4,为什么要学习嵌入式系统,嵌入式系统简介,,嵌入式系统的发展现状和发展趋势,,嵌入式系统与单片机、PC的区别,嵌入式系统的应用领域,嵌入式系统的应用领域,嵌入式应用,信息家电,智能玩具,军事电子,通信设备,移动存贮,工控设备,智能仪表,汽车电子,网络设备,消费电子,军事国防,电子商务,网络,工业控制,,1．消费类电子产品应用,,如智能冰箱、流媒体电视等。如图1-2所示，大家最熟悉的莫过于手机、PDA、电子辞典、数码相机、MP3/MP4等。,,2．智能仪器、仪表类应用,,

17、这类产品可能离日常生活有点距离，但是对于开发人员来说却是实验室里的必备工具，比如网络分析仪、数字示波器、热成像仪等。,,3．通信信息类产品应用,,这些产品多数应用于通信机柜设备中，如路由器、交换机、家庭媒体网关等。,,4．过程控制类应用,,过程控制类应用主要指在工业控制领域中的应用。,,5．国防武器设备应用,,如雷达识别、军用数传电台、电子对抗设备等。,,6．生物微电子应用,,指纹识别、生物传感器数据采集等应用中也广泛采用嵌入式系统设计。,阿富汗参加反恐作战的“赫耳墨斯”价值4万美元，可携带2架摄像机，发挥了很好作用。,嵌入式技术在国防武器设备的应用,嵌入式系统——高性能武器平台的基础,嵌入式

18、Internet应用,嵌入式技术在交通管理、环境监测中的应用,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，只需要几百元,,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。,,加油站,,停车场管理,,……,嵌入式系统与机,器人技术,图：卡耐基梅隆大学和瑞士EPFL研制的机器人控制器,,（采用卡西欧PDA和Windows CE）,,智能机器人,基于Win CE的移动机器人平台,基于Win CE的机器人装配平台,基于RTLinux的仿人机器人,,高 48 cm重: 6 kg灵活性：20

19、 DOF,,操作系统: RT-Linux接口形式: USB 1.0 (12Mbps),,响应周期: 1ms能源： DC24V x 6.2A (150W),,制造：富士通,,基于VXworks的火星探路者,基于ARM的嵌入式控制器方案设计,,本节提要,1,3,2,5,4,为什么要学习嵌入式系统,嵌入式系统简介,,嵌入式系统的发展现状和发展趋势,嵌入式系统与单片机、PC的区别,嵌入式系统的应用领域,1. 嵌入式系统的发展现状,,嵌入式系统技术被广泛应用于各个领域,,硬件方面，底层系统和硬件平台已经相对比较成熟。,,软件方面，嵌入式软件开发平台，特别是嵌入式操作系统都有大量成熟的产品。,,嵌入式

20、系统市场越来越广阔，嵌入式系统技术发展空间很大。,,嵌入式系统技术发展趋势,宏观方面发展趋势:,,— 经济性,（POS开发失败，几十万、几万、5千、5百）,,,计算机要很便宜，让更多的人能买得起；,,—,小型化,（笔记本、,PDA,）,,,人们携带方便；,,—,可靠性,（汽车,VCD,，,挑动问题）,,,能够在一般环境条件下或者是苛刻的环境条件下运行,,—,高速度,（飞机刹车系统）,,,能够迅速地完成数据计算或数据传输；,,—,智能性,（知识推理、模糊查询、识别、感知运动）,,,使人们用起来更习惯，对人们更有使价值。,未来嵌入式系统的发展趋势,1．嵌入式系统开发是一项系统工程，不仅需要提供系统本身，还需要提供强大的软硬件开发工具支持。,,2．网络化、信息化的要求孙着因特网技术的成熟、宽带的加大而日益提高，使得单一功能的设备趋于功能多样化，结构复杂化。,,3．网络互联成为必然趋势。,,4．精简系统内核、算法，降低工号和软硬件成本。,,5．提供友好的多媒体人机界面。,