嵌入式操作系统Chapter1嵌式系统导论

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1、嵌入式操作系统嵌入式操作系统课程目的课程目的 理论与实践相结合理论与实践相结合 以嵌入式系统基础及嵌入式软件的核心以嵌入式系统基础及嵌入式软件的核心嵌入式实时操作系统为重点，以应用为嵌入式实时操作系统为重点，以应用为目的，全面介绍嵌入式系统目的，全面介绍嵌入式系统 使大家既能对嵌入式系统及开发有一个使大家既能对嵌入式系统及开发有一个全景的把握，又能深入理解嵌入式实时全景的把握，又能深入理解嵌入式实时操作系统。操作系统。课程的主要内容课程的主要内容 嵌入式系统基础，约嵌入式系统基础，约1414节课节课 嵌入式系统导论（什么是嵌入式系统？嵌入嵌入式系统导论（什么是嵌入式系统？嵌入式系统分类、发展历

2、程、特点、应用领域、式系统分类、发展历程、特点、应用领域、发展趋势）发展趋势）, 约约3节课节课 嵌入式硬件系统基础（基本组成，嵌入式微嵌入式硬件系统基础（基本组成，嵌入式微处理器：处理器：ARM、MIPS、X86、SH等，总线、等，总线、存储系统、输入存储系统、输入/输出与典型接口等，输出与典型接口等， W90P710/SH7709S ），约），约7节课节课 嵌入式软件系统基础（分类、特点、体系结嵌入式软件系统基础（分类、特点、体系结构、运行流程、操作系统、开发工具）构、运行流程、操作系统、开发工具）,约约4节课节课课程的主要内容课程的主要内容 嵌入式实时内核，约嵌入式实时内核，约1414节

3、课节课 任务管理与调度（任务、任务管理、调度算任务管理与调度（任务、任务管理、调度算法）法）, 约约6节课节课 同步、互斥与通信（信号量、信箱、队列、同步、互斥与通信（信号量、信箱、队列、事件、异步信号）事件、异步信号） , 约约4节课节课 中断和时间管理（中断分类、处理过程、中中断和时间管理（中断分类、处理过程、中断管理机制、硬件时钟设备、与断管理机制、硬件时钟设备、与OS的管理的管理关系、时间管理机制）关系、时间管理机制） , 约约2节课节课 内存管理和内存管理和I/O管理（特点和管理机制）管理（特点和管理机制） , 约约2节课节课课程的主要内容课程的主要内容 嵌入式系统软件的开发嵌入式系

4、统软件的开发, , 约约4 4节课节课 嵌入式系统开发模式嵌入式系统开发模式 嵌入式软件开发工具嵌入式软件开发工具 软件分析设计方法软件分析设计方法 习题：习题：2 2节课节课 复习：复习：2 2节课节课教材及参考资料教材及参考资料嵌入式实时操作系统及应用开发，罗蕾主编，北京航空航天大学出版嵌入式实时操作系统及应用开发，罗蕾主编，北京航空航天大学出版社社. .Philippe Gerum, Karim Yaghmour, Jon Masters, Gilad Ben-Philippe Gerum, Karim Yaghmour, Jon Masters, Gilad Ben-Yossef, B

5、uilding Embedded Linux Systems, Second Edition, Yossef, Building Embedded Linux Systems, Second Edition, OReilly Press, 2008.OReilly Press, 2008.嵌入式系统体系结构 编程与设计（第二版），影印版，（Embedded Systems: Architecture, Programming and Design），主编：（印）卡玛尔，清华大学出版社，2009年；嵌入式操作系统原理与应用，主编：吴旭光，何军红，化学工业出版社，2007年；嵌入式Linux操作系

6、统，主编：孙天泽，人民邮电出版社，2009年。课程成绩课程成绩 课程成绩平时成绩期末考试成绩课程成绩平时成绩期末考试成绩 平时成绩平时成绩 占占40分，其中作业两次每次分，其中作业两次每次10分，中期课分，中期课堂测验堂测验20分，分， 期末考试：开卷考试占期末考试：开卷考试占6060分，第十二周分，第十二周第一章第一章嵌入式系统导论嵌入式系统导论主要内容主要内容 嵌入式系统概述嵌入式系统概述 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势第一节第一节嵌入式系统概述嵌入式系统概述无处不在的嵌入式系统无处不在的嵌入式系统嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义嵌入式系

7、统的发展历程嵌入式系统的发展历程嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类计算机发展的三大阶段计算机发展的三大阶段 第一阶段：始于五十年代的由第一阶段：始于五十年代的由IBM, IBM, Burroughs, HoneywellBurroughs, Honeywell等公司率先研等公司率先研制的大型机。制的大型机。 第二阶段第二阶段：始于七十年代的个人计算始于七十年代的个人计算机。机。 第三阶段第三阶段：计算机正迈入下一个充满计算机正迈入下一个充满机遇的阶段机遇的阶段“后后PCPC时代时代”或或“无处无处不在的计算机不在的计算机”阶段。阶段。计算的发展过程计算的发展过程

8、分时系统分时系统 批处理系统批处理系统 单用户系统单用户系统大型机大型机 分布式计算分布式计算 小型机小型机 基于网络的基于网络的个人计算个人计算 微型机微型机 协同计算协同计算 基于开放系统的客基于开放系统的客户户/ /服务器服务器普适计算普适计算 普适计算终端普适计算终端 资源使用的灵活性资源使用的灵活性计算的自由性计算的自由性 无处不在的计算机无处不在的计算机 施乐公司施乐公司Palo AltoPalo Alto研究中心主任研究中心主任Mark Mark WeiserWeiser认为：认为： “从长远来看，从长远来看，PCPC机和计算机工作站将机和计算机工作站将衰落，因为计算机变得无处不

9、在：例如衰落，因为计算机变得无处不在：例如在墙里、在手腕上、在手写电脑中在墙里、在手腕上、在手写电脑中( (象手象手写纸一样写纸一样) )等等，随用随取、伸手可及等等，随用随取、伸手可及”。无处不在的计算机无处不在的计算机 全世界的计算机科学家正在形成一种共全世界的计算机科学家正在形成一种共识识: : 计算机不会成为科幻电影中的那种贪婪计算机不会成为科幻电影中的那种贪婪的怪物的怪物, , 而是将变得小巧玲珑而是将变得小巧玲珑, , 无处不无处不在在. . 他们藏身在任何地方他们藏身在任何地方, , 又消失在所又消失在所有地方有地方, , 功能强大功能强大, , 确有无影无踪确有无影无踪. .

10、人人们将这种思想命名为们将这种思想命名为: : “无所不在的计无所不在的计算机算机”。 嵌入式系统无处不在嵌入式系统无处不在彼此互连即使远在火星即使远在火星面对面对6 6万年才有一次的机万年才有一次的机会，科学家们积极行动会，科学家们积极行动起来起来从从6 6月开始，月开始，先后有欧洲的先后有欧洲的“火星快火星快车车”、美国、美国“勇气号勇气号”和和“机遇号机遇号”等三颗火等三颗火星探测器飞往火星，而星探测器飞往火星，而日本一颗本已在太空日本一颗本已在太空“迷失方向迷失方向”的火星探的火星探测器也在关键时刻及时测器也在关键时刻及时“醒醒”来，开始了久违来，开始了久违的火星之旅。的火星之旅。火星

11、与地球，这一对在星空中遥火星与地球，这一对在星空中遥遥相望的遥相望的“兄弟兄弟”，迎来，迎来6 6万年来万年来“最亲密的接触最亲密的接触”，在，在20032003年年8 8月月2727日这一天，火星距离地球最近日这一天，火星距离地球最近达到达到55756622(555756622(5千多万千多万) )公里。公里。勇气号勇气号自自19971997年年1010月月1515日发射以来，日发射以来，经历了经历了7 7年年3535亿公里航程的卡亿公里航程的卡西尼号太空船在西尼号太空船在20042004年年7 7月月1 1日日1010时时3030分进入土星轨道，开始分进入土星轨道，开始进行人类有史以来对土

12、星及其进行人类有史以来对土星及其3131颗已知卫星最详尽的探测。颗已知卫星最详尽的探测。土星探测土星探测“哥伦比亚哥伦比亚”号，整个系统的起飞号，整个系统的起飞重量达重量达20002000吨，高吨，高5656米。米。 “小鹰小鹰”号标准排水量为号标准排水量为6010060100吨，满载排水量达吨，满载排水量达8112381123吨，舰长吨，舰长323.6323.6米，舰米，舰宽宽39.639.6米，吃水米，吃水11.411.4米，是世界上最大的常规动力航空母舰。舰员米，是世界上最大的常规动力航空母舰。舰员29302930名，名，其中军官其中军官155155名；航空人员名；航空人员2480248

13、0名，其中军官名，其中军官320320名。飞机：名。飞机：F-14DF-14D战斗机战斗机2020架，架，F/A-18F/A-18战斗机战斗机3636架，架，E-2CE-2C预警机和预警机和EA-6BEA-6B电子干扰机各电子干扰机各4 4架，架，6 6架架S-3BS-3B反潜机，反潜机，6 6架直升机，架直升机，2 2架架ES-3AES-3A。Smart Dusthttp:/robotics.eecs.berkeley.edu/pister/SmartDust/ Wearable ComputingWearable Computing嵌入式设备无处不在，嵌入式设备无处不在，但桌面系统还依然有

14、用但桌面系统还依然有用l无处不在的计算机是计无处不在的计算机是计算机与使用者的比率达算机与使用者的比率达到和超过到和超过100:1100:1的阶段的阶段 l无处不在的计算机包括无处不在的计算机包括通用计算机通用计算机和和嵌入式计嵌入式计算机系统算机系统l在在100:1100:1比例中比例中95%95%以上以上都是嵌入式计算机系统，都是嵌入式计算机系统，并非通用计算机并非通用计算机通用计算机看得见的计算机通用计算机看得见的计算机如：如：PCPC机、服务器、大型计算机等。机、服务器、大型计算机等。通用计算机看得见的计算机通用计算机看得见的计算机嵌入式系统定义嵌入式系统定义 看不见的计算机，一般不能

15、被用户编程看不见的计算机，一般不能被用户编程, , 它有一它有一些专用的些专用的I/OI/O设备设备, , 对用户的接口是应用专用的。对用户的接口是应用专用的。 An embedded system is a computer system An embedded system is a computer system contained within some larger device or contained within some larger device or product with the intent purpose of product with the intent pu

16、rpose of providing monitoring and control services providing monitoring and control services to that device.to that device. “Any sort of device which includes a “Any sort of device which includes a programmable computer but itself is not programmable computer but itself is not intended to be a gener

17、al-purpose computer.”intended to be a general-purpose computer.” 通常将嵌入式计算机系统简称为嵌入式系统。通常将嵌入式计算机系统简称为嵌入式系统。嵌入式系统定义嵌入式系统定义 IEEE: “Device used to controlIEEE: “Device used to control，monitormonitor，or assist the operation of or assist the operation of equipmentequipment，machinery or plants”.machinery or

18、 plants”. 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。格要求的专用计算机系统。嵌入式系统定义嵌入式系统定义 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导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与各个行业的具体应用体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。相结合后的产物。包含有计算机，但又不是通用计算机的计包含有计算机，但又不是通用计算机的计算机应用系统。算机应用系统。通用计算机

19、与嵌入式系统对比通用计算机与嵌入式系统对比特征通用计算机嵌入式系统形式和类型形式和类型看得见的计算机。按其体系结构、运算速度和结构规模等因素分为大、中、小型机和微机。看不见的计算机。形式多样，应用领域广泛，按应用来分。组成组成通用处理器、标准总线和外设。软件和硬件相对独立。面向应用的嵌入式微处理器，总线和外部接口多集成在处理器内部。软件与硬件是紧密集成在一起的。开发方式开发方式开发平台和运行平台都是通用计算机采用交叉开发方式，开发平台一般是通用计算机，运行 平台是嵌入式系统。二次开发性二次开发性应用程序可重新编制一般不能再编程嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成 嵌入式系统一般由嵌入式嵌入式系统一

20、般由嵌入式硬件和软件组成硬件和软件组成 硬件以微处理器为核心集硬件以微处理器为核心集成存储器和系统专用的输成存储器和系统专用的输入入/ /输出设备输出设备 软件包括：初始化代码及软件包括：初始化代码及驱动、嵌入式操作系统和驱动、嵌入式操作系统和应用程序等，这些软件有应用程序等，这些软件有机地结合在一起，形成系机地结合在一起，形成系统特定的一体化软件。统特定的一体化软件。嵌入式系统的发展历程嵌入式系统的发展历程 嵌入式系统的嵌入式系统的出现和兴起出现和兴起（1960-19701960-1970） 嵌入式系统开始走向嵌入式系统开始走向繁荣繁荣，软件和硬件日，软件和硬件日臻臻完善完善（1971-19

21、891971-1989） 嵌入式系统应用嵌入式系统应用走向纵深走向纵深（19901990年年- -现在）现在）嵌入式系统的出现和兴起嵌入式系统的出现和兴起 出现出现：2020世纪世纪6060年代以晶体管、磁芯存储年代以晶体管、磁芯存储为基础的计算机开始用于航空等军用领域。为基础的计算机开始用于航空等军用领域。第一台机载专用数字计算机是奥托内蒂克斯公第一台机载专用数字计算机是奥托内蒂克斯公司为美国海军舰载轰炸机司为美国海军舰载轰炸机“民团团员民团团员”号研制号研制的多功能数字分析器的多功能数字分析器(Verdan)。 同时嵌入式计算机开始应用于工业控制。同时嵌入式计算机开始应用于工业控制。196

22、2年一个美国乙烯厂实现了工业装置中的第一个年一个美国乙烯厂实现了工业装置中的第一个直接数字控制直接数字控制(DDC)。嵌入式系统的出现和兴起嵌入式系统的出现和兴起 兴起兴起：在：在1965196519701970年，当时计算机已开始采年，当时计算机已开始采用集成电路，即第三代计算机。在军事、航空用集成电路，即第三代计算机。在军事、航空航天领域、工业控制的需求推动下。航天领域、工业控制的需求推动下。第一次使用机载数字计算机控制的是1965年发射的Gemini3号，第一次通过容错来提高可靠性是1968年的阿波罗4号、土星5号。 1963年DEC公司推出PDP8并发展成PDP11系列，成为工业生产集

23、中控制的主力军。在军用领域中，为了可靠和满足体积、重量的严格要求，还需为各个武器系统设计五花八门的专用的嵌入式计算机系统。 嵌入式系统开始走向繁荣嵌入式系统开始走向繁荣 嵌入式系统大发展是在微处理器问世之后嵌入式系统大发展是在微处理器问世之后1973年至1977年间各厂家推出了许多8位的微处理器，包括Intel 8080/8085，Motorola 的6800/6802，Zilog的Z80和Rockwell的6502。微处理器不单用来组成微型计算机，而且用来制造仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等嵌入式系统。仅8085/Z80微处理器的销售就超过7亿片,其中大部分是用于嵌入式工业控制应用。嵌

24、入式系统开始走向繁荣嵌入式系统开始走向繁荣微处理器的广泛应用形成了一个广阔的嵌入式应用市场，计算机厂家除了要继续以整机方式向用户提供工业控制计算机系统外，开始大量地以插件方式向用户提供OEM产品，再由用户根据自己的需要构成专用的工业控制微型计算机，嵌入到自己的系统设备中。为了灵活兼容，形成了标准化、模块化的单板机系列。流行的单板计算机有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。由于兼容的要求，这就导致了工业控制微机系统总线的诞生。嵌入式系统开始走向繁荣嵌入式系统开始走向繁荣1976年Intel推出Multibus，1983年扩展为带宽达40MB/S的Multibus。1978年P

25、rolog设计简单的STD总线广泛用于小型嵌入式系统。1981年Motorola推出的VME_Bus则与Multibus瓜分高端市场。目前在工业控制领域，嵌入式PC、PC104、CPCI（Compact PCI）总线已广泛应用到工业控制领域。嵌入式系统开始走向繁荣嵌入式系统开始走向繁荣 单片机、单片机、DSPDSP出现出现随着微电子工艺水平的提高, 集成电路设计制造商开始把嵌入式应用所需要的微处理器、I/O接口、A/D、D/A转换、串行接口以及RAM、ROM通通集成到一个VLSI中, 制造出面向面向I/O设设计的微控制器，就是我们俗称的单片机计的微控制器，就是我们俗称的单片机。 专门用于高速实

26、时信号处理的数字信号处理器DSP。嵌入式系统开始走向繁荣嵌入式系统开始走向繁荣 软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善在微处理器出现的初期，为了保障嵌入式软件的时间、空间效率，软件只能用汇编语言编写。由于微电子技术的进步，对软件的时空效率的要求不再那么苛刻了，嵌入式计算机的软件开始使用PL/M、C等高级语言。 对于复杂的嵌入式系统来说除了需要高级语言开发工具外，还需要嵌入式实时操作系统的支持。嵌入式系统开始走向繁荣嵌入式系统开始走向繁荣80年代初开始出现了一批软件公司，推出商品化的嵌入式实时操作系统和各种开发工具。Ready System(后来的Microtec

27、Research、后来又被Mentor Graphic收购)公司:VRTX操作系统及Xray, Spectra工具Integrated System Incorporation (ISI，后被WindRiver公司合并):pSOS操作系统及pRISM工具WindRiver公司:VxWorks操作系统及Tornado工具QNX公司:QNX操作系统及工具商用嵌入式实时操作系统和开发工具的出现和推广应用，使嵌入式系统的开发从作坊式向分工协作规模化嵌入式系统的开发从作坊式向分工协作规模化的方向发展的方向发展，促使嵌入式应用扩展到更广阔的领域。嵌入式系统应用走向纵深嵌入式系统应用走向纵深 进入进入202

28、0世纪世纪9090年代年代, , 在分布控制、柔性制造、数在分布控制、柔性制造、数字化通信和数字化家电等巨大需求的牵引下，嵌字化通信和数字化家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统的硬件、软件技术进一步加速发展、应入式系统的硬件、软件技术进一步加速发展、应用领域进一步扩大。用领域进一步扩大。手机、数码相机、VCD、数字电视、路由器、交换机等都是嵌入式系统。大多数豪华轿车每辆拥有约50个嵌入式微处理器。最新的波音777宽体客机上约有1000个微处理器。在不久的将来你会在你的家里发现几十到上百的嵌入系统在为你服务。嵌入式系统应用走向纵深嵌入式系统应用走向纵深 嵌入式系统的硬件嵌入式系统的硬件4位、位、8

29、位、位、16位微处理器芯片已逐步让位于位微处理器芯片已逐步让位于32位嵌入式微处理器芯片。位嵌入式微处理器芯片。面向不同应用领域的（面向不同应用领域的（Application-Specific）、功能强大、集成度高、种类繁）、功能强大、集成度高、种类繁多、价格低廉、低功耗的多、价格低廉、低功耗的32位芯片已大量应位芯片已大量应用于各种各样的军用和民用设备。用于各种各样的军用和民用设备。 DSP向高速、高精度、低功耗发展。向高速、高精度、低功耗发展。DSP与通用嵌入式微处理器集成（与通用嵌入式微处理器集成（SoC）已）已成为现实，并已大量应用于嵌入式系统，如成为现实，并已大量应用于嵌入式系统，如

30、手机、手机、IP电话等。电话等。嵌入式系统应用走向纵深嵌入式系统应用走向纵深在工业控制领域，嵌入式在工业控制领域，嵌入式PC大量应用于嵌入式大量应用于嵌入式系统中。系统中。PC104、CPCI（Compact PCI）总线因其成）总线因其成本低、兼容性化也已被广泛应用。本低、兼容性化也已被广泛应用。嵌入式系统的软件嵌入式系统的软件随着微处理器性能的提高，嵌入式软件的规模随着微处理器性能的提高，嵌入式软件的规模也随着发生指数型增长。也随着发生指数型增长。嵌入式系统应用走向纵深嵌入式系统应用走向纵深嵌入式嵌入式软件软件危机危机 软件体现价值软件体现价值 DVD DVD播放机播放机 功能：视频 +

31、音频（incl. MP3） 价格：200 600元 iPod MP3iPod MP3播放机播放机 功能：MP3 价格：iPod nanoiPod nano1 GB1 GB14001400元元iPod nanoiPod nano4 GB4 GB22002200元元iPodiPod30GB30GB28002800元元iPodiPod60GB60GB38003800元元 两者的硬件差异？两者的硬件差异？ 两者的价格差异？两者的价格差异？ 核心价值在于：核心价值在于：好的软件带给消费者最好的使用体验好的软件带给消费者最好的使用体验嵌入式系统应用走向纵深嵌入式系统应用走向纵深为此，嵌入式系统已大量采用嵌

32、入式操作系统嵌入式操作系统。嵌入式操作系统功能不断的扩大和丰富，由80年代只有内核、发展为包括内核、网络、文件、图形接口、嵌入式JAVA、嵌入式CORBA及分布式处理等丰富功能的集合。此外，嵌入式开发工具嵌入式开发工具更加丰富，其集成度和易用性不断提高，目前不同厂商已开发出不同类型的嵌入式开发工具，可以覆盖嵌入式软件开发过程各个阶段，提高嵌入式软件开发效率。嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应用的嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应用的 嵌入式系统得到多种类型的处理器和处理器体嵌入式系统得到多种类型的处理器和处理器体系结构的支持系结构的支持 嵌入式系统通常极其

33、关注成本嵌入式系统通常极其关注成本 嵌入式系统有实时性和可靠性的要求嵌入式系统有实时性和可靠性的要求 嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多种处嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多种处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的嵌入式操作系统嵌入式操作系统 嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法形式多样、面向特定应用形式多样、面向特定应用 一般用于特定的任务，其硬件和软件都必须高一般用于特定的任务，其硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，而通用计效率地设计，量体裁衣、去除冗余，而通用计算机则是一个通用的计算平台。算

34、机则是一个通用的计算平台。 它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用微处理器中许多由板卡完成的点，能够把通用微处理器中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部。任务集成在芯片内部。 嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的一体化程序。一体化程序。处理器和处理器体系结构类型多处理器和处理器体系结构类型多 通用计算机采用少数的处理器类型和体系结构，通用计算机采用少数的处理器类型和体系结构，而且主要掌握在少数大公司手里。而且主要掌握在少数大公司手里。 嵌入式系统可采用多种类型的处理器和处理器嵌入式系统可采用多种类

35、型的处理器和处理器体系结构。体系结构。 在嵌入式微处理器产业链上，在嵌入式微处理器产业链上，IP设计、面向应设计、面向应用的特定嵌入式微处理器的设计、芯片的制造用的特定嵌入式微处理器的设计、芯片的制造已相成巨大的产业。大家分工协作，形成多赢已相成巨大的产业。大家分工协作，形成多赢模式。模式。 有上千种的嵌入式微处理器和几十种嵌入式微有上千种的嵌入式微处理器和几十种嵌入式微处理器体系结构可以选择。处理器体系结构可以选择。68000Z80808680 x86CPU32680 x0i960MIPSSPARCColdFIREAlphaSH 1/2/3ARMSPARCi960MIPSPentium80

36、x86PowerPCCPU32680 x0100 - 500 Kips2 10 mHz1 - 2 Mips1.0 25 mHz10 - 25 Mips.5 - .8 50 - 100 mHz10 - 200 Mips.2 - .5 100 - 300 mHzSH 4/5SH-DSPSH 1/2/3ARMSPARCi960MIPSPentium80 x86PowerPCCPU32680 x0SA1500MAP1000AltiVECMercedMCORESHARC563xxLucent16000C6xSI 20TriCore关注成本关注成本嵌入式系统通常需要注意的成本是系统成本，嵌入式系统通常需要

37、注意的成本是系统成本，特别是量大的消费类数字化产品，其成本是特别是量大的消费类数字化产品，其成本是产品竞争的关键因素之一。产品竞争的关键因素之一。嵌入式的系统成本包括嵌入式的系统成本包括: 一次性的开发成本NRE(Non-Recurring Engineering)成本 产品成本:硬件BOM、外壳包装和软件版税等 批量产品的总体成本=NRE成本+每个产品成本*产品总量 每个产品的最后成本=总体成本/产品总量=NRE成本/产品总量+每个产品成本实时性和可靠性的要求实时性和可靠性的要求 一方面大多数实时系统都是嵌入式系统一方面大多数实时系统都是嵌入式系统 另一方面嵌入式系统多数有实时性的要求，软件

38、一另一方面嵌入式系统多数有实时性的要求，软件一般是固化运行或直接加载到内存中运行，具有快速般是固化运行或直接加载到内存中运行，具有快速启动的功能。并对实时的强度要求各不一样，可分启动的功能。并对实时的强度要求各不一样，可分为硬实时和软实时。为硬实时和软实时。 嵌入式系统一般要求具有出错处理和自动复位功能，嵌入式系统一般要求具有出错处理和自动复位功能，特别是对于一些在极端环境下运行的嵌入式系统而特别是对于一些在极端环境下运行的嵌入式系统而言，其可靠性设计尤其重要。言，其可靠性设计尤其重要。 在大多数嵌入式系统的软件中一般都包括一些机制，在大多数嵌入式系统的软件中一般都包括一些机制，比如硬件的看门

39、狗定时器，软件的内存保护和重启比如硬件的看门狗定时器，软件的内存保护和重启动机制。动机制。适应多种处理器、可剪裁、轻量型、适应多种处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的嵌入式操作系统实时可靠、可固化的嵌入式操作系统由于嵌入式系统应用的特点，像嵌入式微处理器一由于嵌入式系统应用的特点，像嵌入式微处理器一样，嵌入式操作系统也是多姿多彩的。样，嵌入式操作系统也是多姿多彩的。大多数商业嵌入式操作系统可同时支持不同种类的大多数商业嵌入式操作系统可同时支持不同种类的嵌入式微处理器。可根据应用的情况进行剪裁、配嵌入式微处理器。可根据应用的情况进行剪裁、配置。置。嵌入式操作系统规模小，所需的资源有限如内核

40、规嵌入式操作系统规模小，所需的资源有限如内核规模在几十模在几十KB，能与应用软件一样固化运行。，能与应用软件一样固化运行。一般包括一个实时内核，其调度算法一般采用基于一般包括一个实时内核，其调度算法一般采用基于优先级的可抢占的调度算法。优先级的可抢占的调度算法。高可靠嵌入式操作系统：时、空、数据隔离高可靠嵌入式操作系统：时、空、数据隔离开发需要专门工具和特殊方法开发需要专门工具和特殊方法多数嵌入式系统开发意味着软件与硬件的并行多数嵌入式系统开发意味着软件与硬件的并行设计和开发，其开发过程一般分为几个阶段：设计和开发，其开发过程一般分为几个阶段：产品定义产品定义软件与硬件设计与实现软件与硬件设计

41、与实现软件与硬件集成软件与硬件集成产品测试与发布产品测试与发布维护与升级维护与升级 开发需要专门工具和特殊方法开发需要专门工具和特殊方法由于嵌入式系统资源有限，一般不具备自主开发能力，由于嵌入式系统资源有限，一般不具备自主开发能力，产品发布后用户通常也不能对其中的软件进行修改，产品发布后用户通常也不能对其中的软件进行修改，必须有一套专门的开发环境。必须有一套专门的开发环境。该开发环境包括专门的开发工具（包括设计、编译、该开发环境包括专门的开发工具（包括设计、编译、调试、测试等工具），调试、测试等工具），采用交叉开发的方式进行采用交叉开发的方式进行，交，交叉开发环境如图所示。叉开发环境如图所示。

42、嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类按嵌入式处理器的位数来分类按嵌入式处理器的位数来分类按应用来分类按应用来分类按速度分类按速度分类按确定性来分类按确定性来分类按嵌入式系统软件复杂程度来分类按嵌入式系统软件复杂程度来分类按嵌入式处理器的位数来分类按嵌入式处理器的位数来分类4位嵌入式系统位嵌入式系统8位嵌入式系统位嵌入式系统16位嵌入式系统位嵌入式系统32位嵌入式系统位嵌入式系统64位嵌入式系统位嵌入式系统正成为主流发展趋势正成为主流发展趋势高度复杂的、高速的嵌入式系统已开始采用高度复杂的、高速的嵌入式系统已开始采用目前已大量应用目前已大量应用按应用来分类按应用来分类信息家电类信息家电类移动终端类移

43、动终端类通信类通信类汽车电子类汽车电子类工业控制类工业控制类按速度分类按速度分类 强实时系统强实时系统, 其系统响应时间在毫秒或微秒级。 一般实时系统一般实时系统, 其系统响应时间在几秒的数量级上,其实时性的要求比强实时系统要差一些。 弱实时系统弱实时系统, 其系统响应时间约为数十秒或更长。这种系统的响应时间可能随系统负载的轻重而变化。按确定性来分类按确定性来分类根据确定性的强弱，可将嵌入式系统分为硬实时、软实时系统：硬实时硬实时：系统对系统响应时间有严格的要求，如果系统响应时间不能满足，就要引起系统崩溃或致命的错误。软实时软实时：系统对系统响应时间有要求，但是如果系统响应时间不能满足，不会导

44、致系统出现致命的错误或崩溃。按嵌入式系统软件复杂程度来分类按嵌入式系统软件复杂程度来分类循环轮询系统循环轮询系统有限状态机系统有限状态机系统前后台系统前后台系统单处理器多任务系统单处理器多任务系统多处理器多任务系统多处理器多任务系统循环轮询系统循环轮询系统initialize()while(true) if (condition_1) action_1();if (condition_2) action_2();.if (condition_n) acition_n();Check for InputDo Something 优点优点 对于简单的系统而言，便于编程和理解。 没有中断的机制，程序

45、运行良好，不会出现随机的问题。 缺点缺点 有限的应用领域。 对于大量的I/O服务的应用，不容易实现。 大的程序不便于调试。适合于慢速和非常快速的简单系统适合于慢速和非常快速的简单系统循环轮询系统循环轮询系统前后台系统前后台系统 是中断驱动系统的一种是中断驱动系统的一种后台是一个循环轮询系统一直在运行。后台是一个循环轮询系统一直在运行。前台是由一些中断处理过程组成的。前台是由一些中断处理过程组成的。当有一前台事件当有一前台事件(外部事件外部事件)发生时，引起中发生时，引起中断断, 进行前台处理进行前台处理, 处理完成后又回到后台处理完成后又回到后台(通常又称主程序通常又称主程序)。中断中断1 1

46、中断中断2 2主程序主程序中断中断1 1中断中断1 1中断中断2 2前后台系统前后台系统 需要考虑的是中断的现场保护和恢复，中断嵌需要考虑的是中断的现场保护和恢复，中断嵌套，中断处理过程与主程序的协调套，中断处理过程与主程序的协调( (共享资源共享资源) )问题。问题。 系统的性能主要由中断延迟时间系统的性能主要由中断延迟时间(Interrupt (Interrupt latency time), latency time), 响应时间响应时间(response time)(response time)和和恢复时间恢复时间(recovery time)(recovery time)来刻画。来刻

47、画。 中断请求中断请求 数据传送数据传送 响应时间响应时间 主程序主程序 现场保护现场保护 和恢复和恢复中断服务中断服务 | | 中断延迟时间中断延迟时间 恢复时间恢复时间前后台系统前后台系统单处理器多任务系统单处理器多任务系统对于一个复杂的嵌入式实时系统来说，对于一个复杂的嵌入式实时系统来说， 当采用中断处理程序加一个后台主程序这种软当采用中断处理程序加一个后台主程序这种软件结构难以实时的、准确的、可靠的完成时件结构难以实时的、准确的、可靠的完成时 存在一些互不相关的过程需要在一个计算机中存在一些互不相关的过程需要在一个计算机中同时处理时同时处理时需要采用实时多任务系统！需要采用实时多任务系

48、统！结构结构由多个任务，多个中断处理过程，实时操由多个任务，多个中断处理过程，实时操作系统组成的有机的整体。作系统组成的有机的整体。 每个任务是顺序执行的，并行性通过操作每个任务是顺序执行的，并行性通过操作系统来完成，任务间的相互通信和同步也需要系统来完成，任务间的相互通信和同步也需要操作系统的支持。操作系统的支持。 单处理器多任务系统单处理器多任务系统并发多任务：后台后台前台前台 ISRsTasks多任务系统多任务系统多个顺序执行的程序并行运行。多个顺序执行的程序并行运行。宏观上看，所有的程序同时运行，每个程序宏观上看，所有的程序同时运行，每个程序运行在自己独立的运行在自己独立的CPU上。上

49、。实际上，不同的程序是共享同一个实际上，不同的程序是共享同一个CPU和其和其它硬件。因此，需要它硬件。因此，需要RTOS来对这些共享的来对这些共享的设备和数据进行管理。设备和数据进行管理。每个程序都被编制成无限循环的程序，等待每个程序都被编制成无限循环的程序，等待特定的输入，执行相应的任务等。特定的输入，执行相应的任务等。这种程序模型将系统分成相对简单的，相互这种程序模型将系统分成相对简单的，相互合作的模块。合作的模块。单处理器多任务系统单处理器多任务系统 优点优点将复杂的系统分解为相对独立的多个线程， 达到“分而制之”的目的，从而降低系统的复杂性。保证系统的实时性。系统的模块化好，提高系统的

50、可维护性。 缺点缺点需要采用一些新的软件设计方法。需要增加功能：线程间的协调，同步和通信功能。需要对每一个共享资源互斥。导致线程间的竞争。需要使用RTOS，RTOS要增加系统的开销。单处理器多任务系统单处理器多任务系统多处理器多任务系统多处理器多任务系统多任务可运行在多个处理器上，由操作系多任务可运行在多个处理器上，由操作系统统一调度，处理。统统一调度，处理。宏观上看是并发的，微观上看也是并发的。宏观上看是并发的，微观上看也是并发的。多处理机系统分为紧耦合系统多处理机系统分为紧耦合系统(tightly-coupled system)和松耦合系统和松耦合系统(loosely-coupled sy

51、stem)两种。两种。多处理多任务系统目前还不成熟。多处理多任务系统目前还不成熟。第二节第二节嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统广泛地应用于消费电子、通信、汽车、嵌入式系统广泛地应用于消费电子、通信、汽车、国防、航空航天、工业控制、仪表、办公自动化国防、航空航天、工业控制、仪表、办公自动化等领域。等领域。 据欧盟的统计：据欧盟的统计： 2003年全球大概有80亿片嵌入式微处理器，到2010年，预计会达到160亿片，地球上的人平均拥有3个嵌入式微处理器； 在航空电子中，嵌入式软件的开发成本占整个飞机研制成本的50%；对于汽车工业，汽车电子

52、在整车价值中的比例逐年提高，将从1997年的20%提升到2010年的33-40%； 消费电子数量越来越大，据预测，到2010年，仅数字家庭在美国的销售额就将达到2000亿欧元。 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域Anti-lock brakesAuto-focus camerasAutomatic teller machinesAutomatic toll systemsAutomatic transmissionAvionic systemsBattery chargersCamcordersCell phonesCell-phone base stationsCordless pho

53、nesCruise controlCurbside check-in systemsDigital camerasDisk drivesElectronic card readersElectronic instrumentsElectronic toys/gamesFactory controlFax machinesFingerprint identifiersHome security systemsLife-support systemsMedical testing systemsModemsMPEG decodersNetwork cardsNetwork switches/rou

54、tersOn-board navigationPagersPhotocopiersPoint-of-sale systemsPortable video gamesPrintersSatellite phonesScannersSmart ovens/dishwashersSpeech recognizersStereo systemsTeleconferencing systemsTelevisionsTemperature controllersTheft tracking systemsTV set-top boxesVCRs, DVD playersVideo game console

55、sVideo phonesWashers and dryers嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域 消费电子领域消费电子领域 随着技术的发展，消费电子产品正向数字化和网络化方向发展。 高清晰度数字电视将代替传统的模拟电视。 数码相机将代替传统的胶片相机。 固定电话今后会被IP电话所替代。 各种家用电器（电视机、冰箱、微波炉、电话等）将通过家庭通信、控制中心与Internet连接，实现远程控制、信息交互、网上娱乐、远程医疗和远程教育等。转变为智能网络家电，还可以实现远程医疗，远程教育等。嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域MicroprocessorCCD preprocessorPix

56、el coprocessorA2DD2AJPEG codecDMA controllerMemory controllerISA bus interfaceUARTLCD ctrlDisplay ctrlMultiplier/AccumDigital camera chiplensCCD嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域2G3G2.5G通信通信计算计算话音为主话音为主数据为主数据为主简单用户接口简单用户接口简单应用简单应用WAP彩色显示彩色显示图形用户接口图形用户接口安全应用安全应用移动商务移动商务电子邮件电子邮件浏览器浏览器JAVA应用应用 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域 通

57、信领域通信领域 通信领域大量应用嵌入式系统，主要包括程控交换机、路由器、IP交换机、传输设备等。 据预测，由于互联的需要，特别是宽带网络的发展，将会出现各种网络设备如：ADSL Modem/Router等，其数量将远远高于传统的网络设备。 它们基于32位的嵌入式系统、价格低廉，将为企业、家庭提供更为廉价的、方便的、多样的网络方案。就宽带上网的网络设备ADSL Router而言，国外现在每月需要600K的数量。嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域 工控、汽车电子、仿真、医疗仪器等工控、汽车电子、仿真、医疗仪器等随着工业、汽车、医疗卫生等各部门对智能控制需求的不断增长，需要对设备进行智能化、数

58、字化改造，为嵌入式系统提供了很大的市场。 就汽车电子系统而言，目前的大多数高档轿车每辆拥有约50个嵌入式微处理器。如BMW 7系列轿车，则平均安装有63个嵌入式微处理器。据预测，21世纪初美国接入Internet的汽车将有一亿辆。IC Insights报道2001年车载计算系统的市场规模是30亿美元，而2004年将达到46亿美元，届时这些系统将成为所有新型轿车的标准设备。 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域 国防、航空航天领域国防、航空航天领域雷达、电子对抗、坦克、战舰雷达、电子对抗、坦克、战舰航天器航天器(火箭、卫星、航天飞机等火箭、卫星、航天飞机等)飞机飞机(民用和军用飞机民用和军用

59、飞机)第四节第四节嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 以信息家电、移动终端、汽车电子、网以信息家电、移动终端、汽车电子、网络设备等为代表的互联网时代的嵌入式络设备等为代表的互联网时代的嵌入式系统，不仅为嵌入式市场展现了美好前系统，不仅为嵌入式市场展现了美好前景，注入了新的生命，同时也对嵌入式景，注入了新的生命，同时也对嵌入式系统技术，提出新的挑战：系统技术，提出新的挑战：支持日趋增长的功能密度支持日趋增长的功能密度灵活的网络联接灵活的网络联接轻便的移动应用轻便的移动应用多媒体的信息处理、低功耗、人机界面友好多媒体的信息处理、低功耗、人机界面友好互动

60、互动支持二次开发和动态升级等支持二次开发和动态升级等嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 形成行业的标准：行业性嵌入式软硬件平台形成行业的标准：行业性嵌入式软硬件平台嵌入式系统是以应用为中心的系统，不会象嵌入式系统是以应用为中心的系统，不会象PC一样只一样只有一种平台。有一种平台。吸取吸取PC的成功经验，形成不同行业的标准。的成功经验，形成不同行业的标准。统一的行业标准具有开放、设计技术共享、软硬件重统一的行业标准具有开放、设计技术共享、软硬件重用、构件兼容、维护方便和合作生产的特点，是增强用、构件兼容、维护方便和合作生产的特点，是增强行业性产品竞争能力的有效手段。行业性产品竞争能力的有效

61、手段。如欧共体汽车产业联盟规定以如欧共体汽车产业联盟规定以OSEK标准作为开发汽车标准作为开发汽车嵌入式系统的公用平台和应用编程接口嵌入式系统的公用平台和应用编程接口嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 面向应用领域的、高度集成的、以面向应用领域的、高度集成的、以3232位嵌入式位嵌入式微处理器为核心的微处理器为核心的SOCSOC（System On ChipSystem On Chip）将）将成为应用主流成为应用主流 SoCSoC给系统带来高性能之外更多更重要的好处给系统带来高性能之外更多更重要的好处 稳定性、体积、散热、功耗稳定性、体积、散热、功耗 处理器处理器外设外设存储器存储器I/

62、O“System on board”“System on chip”USB以太网以太网memoryExternalMemoryCPUAddressDataCacheBusInterfaceWrite BufferMMU / MPURRWWWW(R/W) 外设外设如如USB、LCD 控制器等控制器等扩展芯片扩展芯片内核（内核（core）处理器存储器子系统处理器存储器子系统SoC的片内外设的片内外设系统的片外设备系统的片外设备处理器（处理器（Processor）芯片（芯片（SoC）系统（系统（System）嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发嵌入式应用软件的

63、开发需要强大的开发工具和操作系统的支持工具和操作系统的支持采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技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、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。保障软件质量和缩短开发周期。 嵌入式操作系统将在现有的基础上，不断采嵌入式操作系统将在现有的基础上，不断采用先进的操作系统技术，结合嵌入式系统的用先进的操作系统技术，结合嵌入式系统的需求向需求向:可适应不同的嵌入式硬件平台可适应不同的嵌入式硬件平台具有可移植、可伸缩、功能强大、可配置、良好具有可移植、可伸缩、功能强大、可配置、良好的实时性、可靠性、高可用方向发

64、展的实时性、可靠性、高可用方向发展 嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 嵌入式开发工具嵌入式开发工具支持多种硬件平台支持多种硬件平台覆盖嵌入式软件开发过程各个阶段覆盖嵌入式软件开发过程各个阶段高效高效高度集成的工具集方向发展高度集成的工具集方向发展Requirement AnalysisSoftware DesignCodingTestRelease嵌入式软件开发基本过程嵌入式软件开发基本过程嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统联网成为必然趋势，驱动了大嵌入式系统联网成为必然趋势，驱动了大量新的应用量新的应用针对外部联网要求，嵌入系统必需配有通信接针对外部联网要求，嵌入系

65、统必需配有通信接口，需要口，需要TCP/IP协议簇软件支持。协议簇软件支持。针对内部联网要求，新一代嵌入式系统还需具针对内部联网要求，新一代嵌入式系统还需具备备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或或IrDA通信接口，同时也需要提供相应的通信组通信接口，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。网协议软件和物理层驱动软件。为了支持网络交互的应用，还需内置为了支持网络交互的应用，还需内置XML浏览浏览器和器和Web Server。互联的价值互联的价值 嵌入式设备的互联性可提高对各种服务、嵌入式设备的互联性可提高对各种服务、内容和信息的访问能力内容和信息的访问能力 为动

66、态修改嵌入式软件提供了可能，如为动态修改嵌入式软件提供了可能，如: :修改系统代码或修改系统代码或“固件固件”增添新的应用软件模块增添新的应用软件模块 增强了系统和设备的可管理性增强了系统和设备的可管理性嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统向新的嵌入式计算模型方向发展嵌入式系统向新的嵌入式计算模型方向发展 支持自然的人机交互和互动的、图形化、多支持自然的人机交互和互动的、图形化、多媒体的嵌入式人机界面。操作简便、直观、媒体的嵌入式人机界面。操作简便、直观、无须学习。如司机操纵高度自动化的汽车主无须学习。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。要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。 可编程的嵌入式系统。嵌入式系统可支持二可编程的嵌入式系统。嵌入式系统可支持二次开发如采用嵌入式次开发如采用嵌入式Java技术，可动态加载技术，可动态加载和升级软件，增强嵌入式系统功能。和升级软件，增强嵌入式系统功能。 支持分布式计算。与其他嵌入式系统和通用支持分布式计算。与其他嵌入式系统和通用计算机系统互联构成分布式计算环境。计算机系统互联构成分布式计算环境。 谢