1嵌入式系统资料

1、主讲人：庄春兴 江南大学物联网学院n教师姓名：庄春兴教师姓名：庄春兴n办公地点：信息办公地点：信息b207nemail：n课程组成：n授课信息：（0801-0803班）u授课时间：周二授课时间：周二35节节u授课地点：授课地点：1教教1b108 u实验地点：信息楼实验地点：信息楼4楼嵌入式系统实验室楼嵌入式系统实验室n考试成绩组成：概述概述本课程的主要内容本课程的主要内容参考资料n贾智平贾智平, ,张瑞华张瑞华, ,嵌入式系统原理与接口技术嵌入式系统原理与接口技术, ,清华大学出版清华大学出版社社,2005 ,2005 n王田苗王田苗, ,嵌入式系统设计与实例开发嵌入式系统设计与实例开发- -

2、基于基于armarm微处理器与微处理器与coscos-ii-ii实时操作系统实时操作系统, ,清华大学出版社清华大学出版社, 2003, 2003,第第2 2版版n杜春雷杜春雷, ,armarm体系结构与编程体系结构与编程, ,清华大学出版社清华大学出版社, 2003 , 2003 n田泽田泽, ,嵌入式系统开发与应用嵌入式系统开发与应用, ,北京航空航天大学出版北京航空航天大学出版社社,2005 ,2005 n周立功周立功, ,armarm嵌入式系统基础教程嵌入式系统基础教程, ,北京航空航天大学出版北京航空航天大学出版社社,2005 ,2005 narm limited,arm limit

3、ed, arm architecture reference manual arm architecture reference manual ，http:/ ,嵌入式系统开发圣经嵌入式系统开发圣经, ,中国青年出版社中国青年出版社,2002 ,2002 n邵贝贝邵贝贝, ,c/os-iic/os-ii源代码公开的实时嵌入式操作系统源代码公开的实时嵌入式操作系统, ,中国中国电力出版社电力出版社,2001,2001 网络资源n嵌入式资讯网，嵌入式资讯网，http:/ http:/ 嵌入式开发网，嵌入式开发网，http:/ n嵌入式控制技术研究室嵌入式控制技术研究室 ，http:/ system

4、）。）。u嵌入式系统是计算机技术、半导体技术、微电子技术、嵌入式系统是计算机技术、半导体技术、微电子技术、制造技术等多种先进技术的高度融合。制造技术等多种先进技术的高度融合。u嵌入式技术是继网络技术之后，又一主流技术。嵌入式技术是继网络技术之后，又一主流技术。u嵌入式系统已经渗透到人类社会的每个角落，如科学教嵌入式系统已经渗透到人类社会的每个角落，如科学教育、工业生产、军事国防、航空航天、医疗卫生、汽车电育、工业生产、军事国防、航空航天、医疗卫生、汽车电子、网络设备、消费电子、信息家电等等，无不都在广泛子、网络设备、消费电子、信息家电等等，无不都在广泛地、深入地应用着嵌入式系统。地、深入地应用

5、着嵌入式系统。u例如，小到微型机器人、手机、例如，小到微型机器人、手机、pda等，大到飞机、导弹、等，大到飞机、导弹、航天器等，其中都嵌入着一个乃至多个独立的航天器等，其中都嵌入着一个乃至多个独立的“嵌入式系嵌入式系统统”。u计算机系统有两大分支：通用计算机系统和嵌入式计算计算机系统有两大分支：通用计算机系统和嵌入式计算机系统（简称嵌入式系统）。机系统（简称嵌入式系统）。l通用计算机系统采用通用计算机系统采用标准化设计标准化设计：例如：例如pc机。机。l嵌入式计算机系统是嵌入式计算机系统是非标准化设计非标准化设计：l（3要素：嵌入性、专用性、计算机要素：嵌入性、专用性、计算机）u1.ieee（

6、国际电机工程师协会）的定义（国际电机工程师协会）的定义l嵌入式系统是嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置的装置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。）。u2.国内的定义国内的定义l嵌入式系统是嵌入式系统是“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件以应用为中心、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、可靠性、成本、体积、功硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积

7、、功耗严格要求的专用计算机系统耗严格要求的专用计算机系统”。u3.行业的定义行业的定义lamd认为认为“除桌面微型电脑与笔记微型电脑之外，其它的都除桌面微型电脑与笔记微型电脑之外，其它的都叫做嵌入式产品叫做嵌入式产品”。显然，这个定义极为宽泛。在这种定义之。显然，这个定义极为宽泛。在这种定义之下，下，x86系列的嵌入式产品市场变得巨大，因此对生产系列的嵌入式产品市场变得巨大，因此对生产x86体体系结构系结构cpu的厂商更加实用。的厂商更加实用。u4.本书的注解本书的注解l实际上，嵌入式系统是一个外延极广的名词。本书认为凡是实际上，嵌入式系统是一个外延极广的名词。本书认为凡是结合产品功能的、含有

8、嵌入式处理器的、运行嵌入式操作系统结合产品功能的、含有嵌入式处理器的、运行嵌入式操作系统的、设计专门化的计算系统都叫嵌入式系统。的、设计专门化的计算系统都叫嵌入式系统。l一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、存储器、io控制器和软件（包括操作系统和应用软件）。这控制器和软件（包括操作系统和应用软件）。这样的定义更便于读者明确对嵌入式系统学习的目标、方向、内样的定义更便于读者明确对嵌入式系统学习的目标、方向、内容等。容等。u一个嵌入式系统开发者，需要具有如下知识结构：一个嵌入式系统开发者，需要具有如下知识结构：l1.以嵌入

9、式处理器为核心的知识体系：包括计算机组成与结以嵌入式处理器为核心的知识体系：包括计算机组成与结构、具体嵌入式微处理器（如构、具体嵌入式微处理器（如arm、mips等）、数字电子技等）、数字电子技术、汇编语言程序设计、硬件描述语言等。术、汇编语言程序设计、硬件描述语言等。l2.以嵌入式操作系统为核心的知识体系：操作系统原理、具以嵌入式操作系统为核心的知识体系：操作系统原理、具体嵌入式操作系统（如体嵌入式操作系统（如c/os-ii、clinux等）、等）、c/c+语语言程序设计、数据结构等。言程序设计、数据结构等。l3.以产品应用为核心的知识体系：模拟电子技术、传感器技以产品应用为核心的知识体系：

10、模拟电子技术、传感器技术、与应用相关的专业知识（如机械原理、医疗技术等）等。术、与应用相关的专业知识（如机械原理、医疗技术等）等。l4.以设计技术为核心的知识体系：硬件设计技术、软件设计以设计技术为核心的知识体系：硬件设计技术、软件设计技术、软硬件协同设计方法学、编译技术等。技术、软硬件协同设计方法学、编译技术等。l本书的注解不在于对嵌入式系统定义的标准化，而是注重定本书的注解不在于对嵌入式系统定义的标准化，而是注重定义的通俗性、功能性、层次性和知识性，便于初学者依照自己义的通俗性、功能性、层次性和知识性，便于初学者依照自己的知识体系来理解和学习。的知识体系来理解和学习。u嵌入式系统的课程体系

11、结构嵌入式系统的课程体系结构嵌入式系统方向课程体系结构图嵌入式系统方向课程体系结构图嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式操作系统嵌入式操作系统信号处理原理信号处理原理嵌入式系统接口设计嵌入式系统接口设计嵌入式驱动程序开发嵌入式驱动程序开发dsp设计技术设计技术嵌入式系统综合实践与毕业设计嵌入式系统综合实践与毕业设计嵌入式系统方向课程体系结构嵌入式系统方向课程体系结构嵌入式系统基础课程：嵌入式系统基础课程：aitiumdesigner,verilog hdl,matlab,c/c+soc设计技术与应用开发设计技术与应用开发基础层课程：基础层课程：核心层课程：核心层课程：应用层课程：应用层课程：实践层课

12、程：实践层课程：u从整体上看，嵌入式系统包括嵌入式处理器、定时器、从整体上看，嵌入式系统包括嵌入式处理器、定时器、控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片与器件和嵌控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片与器件和嵌入在存储器中的嵌入式操作系统、控制应用软件组成，实入在存储器中的嵌入式操作系统、控制应用软件组成，实现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数据处理等各现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数据处理等各种自动化处理任务。种自动化处理任务。u以应用为中心，以微电子技术、控制技术、计算机技术以应用为中心，以微电子技术、控制技术、计算机技术和通讯技术为基础，强调硬件软件协同性与整合性，软件和

13、通讯技术为基础，强调硬件软件协同性与整合性，软件与硬件可剪裁，以满足系统对功能、成本、体积和功耗等与硬件可剪裁，以满足系统对功能、成本、体积和功耗等要求。要求。u1.嵌入性：嵌入到嵌入性：嵌入到“特定对象体系特定对象体系”中的实体。中的实体。u2.系统性：嵌入式系统是一个计算系统。系统性：嵌入式系统是一个计算系统。u3.智能性：嵌入式系统的核心是嵌入式处理器。智能性：嵌入式系统的核心是嵌入式处理器。u4.专用性：是为专用性：是为“特定对象体系特定对象体系”专门设计的。专门设计的。u5.实时性：要有很好的实时性，满足对象的要求。实时性：要有很好的实时性，满足对象的要求。u6.恰适性：要恰好满足恰

14、适性：要恰好满足“特定对象体系特定对象体系”的需要。的需要。u7.系统设备电子化系统设备电子化u8.编程语言低级化编程语言低级化u9.操作系统实时化操作系统实时化u10.系统性能可测化系统性能可测化u11.开发系统专用化开发系统专用化u嵌入式系统可有许多不同的分类方法。嵌入式系统可有许多不同的分类方法。u按照嵌入式系统的复杂度分类；按照嵌入式系统的复杂度分类；u按照嵌入式系统的组成分类；按照嵌入式系统的组成分类；u按照嵌入式处理器的位数分类；按照嵌入式处理器的位数分类；u按照嵌入式系统的实时性分类；按照嵌入式系统的实时性分类；u按照嵌入式系统的应用领域分类等。按照嵌入式系统的应用领域分类等。u

15、简单嵌入式系统的软硬件复杂度都比较低。例如，常用简单嵌入式系统的软硬件复杂度都比较低。例如，常用的有的有8位或位或16位单片机系统，不使用操作系统，只有一个位单片机系统，不使用操作系统，只有一个监控程序和应用程序。监控程序和应用程序。u复杂嵌入式系统的软硬件复杂度都比较高。通常，在硬复杂嵌入式系统的软硬件复杂度都比较高。通常，在硬件上需要使用件上需要使用32微处理器，在软件上含有嵌入式操作系统，微处理器，在软件上含有嵌入式操作系统，这类嵌入式系统集成度高、接口丰富、功能强大。这类嵌入式系统集成度高、接口丰富、功能强大。u 硬实时系统硬实时系统l硬实时系统是指系统要确保在最坏情况下的服务时间，即

16、对硬实时系统是指系统要确保在最坏情况下的服务时间，即对于事件响应时间的截止期限必须得到满足，而且其响应时间时于事件响应时间的截止期限必须得到满足，而且其响应时间时刻计算的。比如汽车、舰船、飞机、导弹、卫星的控制等就是刻计算的。比如汽车、舰船、飞机、导弹、卫星的控制等就是这样的系统；通常，工业控制系统也是实时系统。这样的系统；通常，工业控制系统也是实时系统。u 软实时系统软实时系统l软实时系统就是那些从统计的角度来说，一个任务能够得到软实时系统就是那些从统计的角度来说，一个任务能够得到确保的处理时间，到达系统的事件也能够在截止期限前得到处确保的处理时间，到达系统的事件也能够在截止期限前得到处理，

17、但违反截止期限并不会带来致命的错误。如手机就是一种理，但违反截止期限并不会带来致命的错误。如手机就是一种软实时系统；软实时系统；mp3等媒体播放器也是软实时系统。等媒体播放器也是软实时系统。u 非实时系统非实时系统l系统对实时性没有明确的要求，也就是说没有事件响应时间系统对实时性没有明确的要求，也就是说没有事件响应时间的截止期限，对事件的响应完全由系统自身工作状态所决定。的截止期限，对事件的响应完全由系统自身工作状态所决定。u嵌入式处理器是嵌入式系统的硬件核心。嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统的硬件核心。嵌入式处理器一般可分为一般可分为8位、位、16位、位、32位嵌入式处理器。那么，嵌入位

18、嵌入式处理器。那么，嵌入式系统一般也可根据所采用的嵌入式处理器分为式系统一般也可根据所采用的嵌入式处理器分为8位、位、16位、位、32位嵌入式系统。位嵌入式系统。u8位和位和16位的嵌入式系统通常是以位的嵌入式系统通常是以8位和位和16位微控制器位微控制器（单片机）为核心构成的简单嵌入式系统，广泛地应用于（单片机）为核心构成的简单嵌入式系统，广泛地应用于控制系统、家用电器、汽车电子等。控制系统、家用电器、汽车电子等。u32位嵌入式系统通常是以位嵌入式系统通常是以32位微处理器或微控制器为核位微处理器或微控制器为核心构成的复杂嵌入式系统，广泛地应用于需要进行手机、心构成的复杂嵌入式系统，广泛地应

19、用于需要进行手机、消费电子、医疗电子、网络设备等。消费电子、医疗电子、网络设备等。u嵌入式系统是嵌入式计算系统。按照其组成，可分为嵌嵌入式系统是嵌入式计算系统。按照其组成，可分为嵌入式系统硬件和嵌入式系统软件两大构建。入式系统硬件和嵌入式系统软件两大构建。u 嵌入式系统硬件嵌入式系统硬件l以嵌入式处理器为核心，以丰富的功能接口部件为外围扩展以嵌入式处理器为核心，以丰富的功能接口部件为外围扩展层构建的。外设接口部件一般是以其接口控制器芯片（如层构建的。外设接口部件一般是以其接口控制器芯片（如usb控制器）为核心搭建的，通过标准的扩展总线与嵌入式处理器控制器）为核心搭建的，通过标准的扩展总线与嵌入

20、式处理器实现连接。在嵌入式系统硬件设计中，通常只要把处理器和控实现连接。在嵌入式系统硬件设计中，通常只要把处理器和控制器进行物理连接就可以实现外设接口扩展了。制器进行物理连接就可以实现外设接口扩展了。l嵌入式处理器又以处理器核（如嵌入式处理器又以处理器核（如arm核）为核心，片内集成核）为核心，片内集成适当的接口控制器（称为片内外设）构成的。例如，基于适当的接口控制器（称为片内外设）构成的。例如，基于arm核处理器核处理器s3c44b0x的内部就封装了的内部就封装了cache、i2c、uart、usb、lcd控制器等十几种片内外设。在嵌入式系统设计中，控制器等十几种片内外设。在嵌入式系统设计中

21、，所需要的外围接口电路越来越少。所需要的外围接口电路越来越少。u 嵌入式系统软件嵌入式系统软件l嵌入式系统软件一般来说是由嵌入式操作系统和应用软件两嵌入式系统软件一般来说是由嵌入式操作系统和应用软件两部分组成的。本书中的嵌入式系统软件可以分成启动代码部分组成的。本书中的嵌入式系统软件可以分成启动代码（bootloader）、操作系统内核与驱动、文件系统与应用程）、操作系统内核与驱动、文件系统与应用程序等几部分。序等几部分。lbootloader是嵌入式系统的启动代码，主要用来初始化处是嵌入式系统的启动代码，主要用来初始化处理器、必须使用的控制器、传递内核启动参数给嵌入式操作系理器、必须使用的控

22、制器、传递内核启动参数给嵌入式操作系统内核，使得内核可以按照所设定的参数要求启动。操作系统统内核，使得内核可以按照所设定的参数要求启动。操作系统内核则主要有内核则主要有4个任务：进程管理、进程间通信与同步、内存个任务：进程管理、进程间通信与同步、内存管理及管理及i/o资源管理。驱动程序主要提供给上层应用程序，是资源管理。驱动程序主要提供给上层应用程序，是处理器、外设接口控制器和外部设备进行通信的一个媒介。文处理器、外设接口控制器和外部设备进行通信的一个媒介。文件系统则可以让嵌入式软件工程师灵活方便地管理系统。应用件系统则可以让嵌入式软件工程师灵活方便地管理系统。应用程序才是真正针对需求的、才有

23、可能是嵌入式软件工程师完全程序才是真正针对需求的、才有可能是嵌入式软件工程师完全自主开发的。自主开发的。u嵌入式系统由硬件平台和软件平台两部分组成。嵌入式系统由硬件平台和软件平台两部分组成。l硬件平台主要由嵌入式处理器、外设控制器芯片和硬件设备硬件平台主要由嵌入式处理器、外设控制器芯片和硬件设备组成；组成；l软件平台主要由软件平台主要由bootloader、嵌入式操作系统、驱动程序、嵌入式操作系统、驱动程序和应用软件组成。和应用软件组成。u随着芯片技术的不断发展，嵌入式处理器的主频也越来随着芯片技术的不断发展，嵌入式处理器的主频也越来越高，多处理器、多核处理器平台也逐渐应用在嵌入式领越高，多处

24、理器、多核处理器平台也逐渐应用在嵌入式领域。嵌入式系统的组成也将由单核、低频设计进入多核、域。嵌入式系统的组成也将由单核、低频设计进入多核、高频设计。高频设计。u图图1.1完整地描述了完整地描述了典型嵌入式系统的硬典型嵌入式系统的硬件和软件的组成结构。件和软件的组成结构。用户级片外外设用户级片外外设/外接口层外接口层协处理器协处理器/逻辑控制逻辑控制芯片级片内外设芯片级片内外设/内接口层内接口层-soc/sopc存储器存储器内核层内核层cpu-arm coremmu/cachegpiortcctcintcdmactcp/ipusbcaniiciisuartadc/dacfpga/cpldlcd

25、sramflashsdrameeprommpudspio外设外设键盘键盘触摸屏触摸屏鼠标鼠标显示器显示器接口控制器接口控制器总线控制器总线控制器单元电路单元电路电源管理电源管理看门狗看门狗复位电路复位电路功率外设功率外设输入输出输入输出接口电路接口电路bootloader、设备驱动程序、设备驱动程序实时操作系统实时操作系统-rtos启动层启动层应用层应用层os层层软件软件硬件硬件图图1.典型微处理器的组成结构典型微处理器的组成结构机电接口机电接口应用程序应用程序应用程序接口应用程序接口apiu图图1.1完整地描述了典型嵌入式系统的硬件和软件各部分完整地描述了典型嵌入式系统的硬件和软件各部分的组

26、成结构。的组成结构。l从硬件上大致可分为：内核层、芯片级外设层、用户级外设从硬件上大致可分为：内核层、芯片级外设层、用户级外设层；层；l从软件上大致可分为：启动层、操作系统层、应用层。从软件上大致可分为：启动层、操作系统层、应用层。l对于一个具体的嵌入式系统，图对于一个具体的嵌入式系统，图1.1中的各种资源并不一定中的各种资源并不一定全部使用、是可裁剪的，但是这一切都需要嵌入式系统开发者全部使用、是可裁剪的，但是这一切都需要嵌入式系统开发者根据需求自己去取舍，这就要求嵌入式系统开发者必须同时具根据需求自己去取舍，这就要求嵌入式系统开发者必须同时具有较好的软硬件知识和专业知识。有较好的软硬件知识

27、和专业知识。u硬件层大致可分为三层：内核层、芯片级外设层（内接硬件层大致可分为三层：内核层、芯片级外设层（内接口层）、用户级外设层（外接口层）。口层）、用户级外设层（外接口层）。u(1)内核层内核层l内核层主要包括嵌入式处理器核、存储器管理、缓存、调试内核层主要包括嵌入式处理器核、存储器管理、缓存、调试单元等部件，内核层由处理器核开发商设计。目前，处理器体单元等部件，内核层由处理器核开发商设计。目前，处理器体系结构有系结构有50多个系列：多个系列：l基于基于cisc结构的嵌入式处理器核有结构的嵌入式处理器核有intel公司的公司的x86系列；系列；l基于基于risc结构的嵌入式处理器核有结构的

28、嵌入式处理器核有ibm公司的公司的power pc系系列、列、mips公司的公司的mips系列和系列和arm公司的公司的arm系列等。系列等。larm公司是公司是arm核的生产商，流行的核的生产商，流行的arm核有：核有：arm7tdmi、strong arm、arm9、arm10、xscale、arm11、cortex-a/r/m等。等。u(2)芯片级外设层芯片级外设层l芯片级外设位于嵌入式处理器芯片内部，也称为片内外设。芯片级外设位于嵌入式处理器芯片内部，也称为片内外设。芯片级外设层主要包括各种接口控制器、总线控制器、协处理芯片级外设层主要包括各种接口控制器、总线控制器、协处理器、逻辑控制

29、单元等，决定了嵌入式处理器本身的扩展能力。器、逻辑控制单元等，决定了嵌入式处理器本身的扩展能力。l在在arm嵌入式处理器中，嵌入式处理器中，arm公司仅仅提供了基于公司仅仅提供了基于arm核的系核的系统芯片解决方案和技术授权，而芯片级外设是由各个半导体厂统芯片解决方案和技术授权，而芯片级外设是由各个半导体厂商根据自己产品的市场定位和应用领域来设计开发的，其功能商根据自己产品的市场定位和应用领域来设计开发的，其功能是预设计的、可编程的。是预设计的、可编程的。l基于基于soc技术，将内核层和芯片级外设层集成在一个芯片之技术，将内核层和芯片级外设层集成在一个芯片之中，可以形成一个基于应用的解决方案。

30、以中，可以形成一个基于应用的解决方案。以soc为核心应用最为核心应用最少的外围部件和连线就能完成一个应用系统，极大地简化了系少的外围部件和连线就能完成一个应用系统，极大地简化了系统设计的复杂度。统设计的复杂度。u(3)用户级外设层用户级外设层l用户级外设是以嵌入式处理器为核心，依据系统功能设计外用户级外设是以嵌入式处理器为核心，依据系统功能设计外围接口电路，实现对外设的控制、匹配、驱动等，达到服务于围接口电路，实现对外设的控制、匹配、驱动等，达到服务于嵌入对象的目标。用户级外设层一般包括存储设备、通信接口嵌入对象的目标。用户级外设层一般包括存储设备、通信接口设备、扩展设备和机电设备等。这些接口

31、和设备是需要用户根设备、扩展设备和机电设备等。这些接口和设备是需要用户根据具体工程要求来具体设计、开发的。据具体工程要求来具体设计、开发的。l例如，用户选取例如，用户选取s3c44b0x嵌入式处理器开发一款数据终端嵌入式处理器开发一款数据终端设备，要求系统具有串行口、以太网口、设备，要求系统具有串行口、以太网口、usb口、口、lcd口等。口等。因为因为s3c44b0x具有串行口、具有串行口、lcd口等片内外设，因此用户只口等片内外设，因此用户只需要设计电平转换电路就可以简单的完成串行口、需要设计电平转换电路就可以简单的完成串行口、lcd口的开口的开发；但是发；但是s3c44b0x并不具有以太网

32、口、并不具有以太网口、usb口的片内外设，口的片内外设，用户必须选择适当的太网口、用户必须选择适当的太网口、usb口控制器，设计用户级外设口控制器，设计用户级外设以太网口、以太网口、usb口。口。u软件层大致可分为三层次：启动层、操作系统层、应用软件层大致可分为三层次：启动层、操作系统层、应用层。层。u(1)启动层启动层l嵌入式系统硬件需要进行初始化和管理，这部分工作是由设嵌入式系统硬件需要进行初始化和管理，这部分工作是由设备启动层来完成的，直接对硬件进行管理和控制，为上层软件备启动层来完成的，直接对硬件进行管理和控制，为上层软件提供所需的驱动支持，类似提供所需的驱动支持，类似pc系统中的系统

33、中的bios和驱动程序。和驱动程序。l参考参考wince中板级支持包中板级支持包bsp（board support package）的定义，启动层也称为的定义，启动层也称为bsp，一般包括，一般包括bootloader、硬件抽、硬件抽象层象层hal（hardware abstraction layer）、）、oem适配层适配层oal（oem adapter leayer）和设备驱动程序。）和设备驱动程序。l实际上，实际上，bootloader、hal、bsp等概念没有统一的定义，等概念没有统一的定义，但都定义了从系统上电启动到操作系统内核加载之前的功能和但都定义了从系统上电启动到操作系统内核加

34、载之前的功能和操作，其区别是实现的功能多少不同。操作，其区别是实现的功能多少不同。u(1)启动层启动层l bootloader：通过：通过bootloader初始化硬件设备、建立初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，以便为最终调用操作系统内核准备好正确内存空间的映射图，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。通常，的环境。通常，bootloader 是严重地依赖于硬件而实现的。是严重地依赖于硬件而实现的。因此，在嵌入式系统中建立一个通用的因此，在嵌入式系统中建立一个通用的bootloader几乎是不几乎是不可能的。其主要功能如下：可能的。其主要功能如下：片级初始化：纯硬件初始化，把微处理器

35、从上电的默认状态设置成系片级初始化：纯硬件初始化，把微处理器从上电的默认状态设置成系统要求的工作状态。统要求的工作状态。板级初始化：包括硬件和软件初始化，设置板内的各种控制器的寄存板级初始化：包括硬件和软件初始化，设置板内的各种控制器的寄存器、设置软件的数据结构和参数。器、设置软件的数据结构和参数。加载内核：将嵌入式操作系统和应用程序的映象从加载内核：将嵌入式操作系统和应用程序的映象从flash存储器复制到存储器复制到系统内存当中，然后跳转到操作系统内核的第一条指令处继续执行。系统内存当中，然后跳转到操作系统内核的第一条指令处继续执行。u(1)启动层启动层l 设备驱动程序：主要为上层软件提供设

36、备的操作接口。设备驱动程序：主要为上层软件提供设备的操作接口。在一个嵌入式系统中，嵌入式操作系统可能有也可能没有，但是设备在一个嵌入式系统中，嵌入式操作系统可能有也可能没有，但是设备驱动程序是必不可少的。设备驱动程序，就是一组库函数，用来对硬件驱动程序是必不可少的。设备驱动程序，就是一组库函数，用来对硬件进行初始化和管理，并向上层软件提供良好的访问接口。大多数设备驱进行初始化和管理，并向上层软件提供良好的访问接口。大多数设备驱动程序都具备下面的基本功能：启动、关闭、读操作、写操作。这些功动程序都具备下面的基本功能：启动、关闭、读操作、写操作。这些功能一般用函数的形式来实现，这些函数之间的组织结

37、构主要有两种：分能一般用函数的形式来实现，这些函数之间的组织结构主要有两种：分层结构和混合结构。层结构和混合结构。分层结构：包括硬件接口和调用接口。调用接口直接操作和控制硬件，分层结构：包括硬件接口和调用接口。调用接口直接操作和控制硬件，把所有与硬件相关的细节都封装在硬件接口函数中；调用接口对硬件接把所有与硬件相关的细节都封装在硬件接口函数中；调用接口对硬件接口进行封装，为上层软件提供服务和函数接口。口进行封装，为上层软件提供服务和函数接口。混合结构：在设备驱动程序当中，没有明确的层次关系，上层调用接混合结构：在设备驱动程序当中，没有明确的层次关系，上层调用接口和硬件接口混在一起，相互调用。口

38、和硬件接口混在一起，相互调用。u(2)操作系统层操作系统层l操作系统一般是以内核映像的方式下载到目标系统中。以操作系统一般是以内核映像的方式下载到目标系统中。以clinux为例，在系统开发完成后，会将使用到的为例，在系统开发完成后，会将使用到的clinux部分做成内核映像文件，与文件系统一起传送到目标系统中；部分做成内核映像文件，与文件系统一起传送到目标系统中；然后通过然后通过bootloader指定的地址运行指定的地址运行clinux内核，启动内核，启动已经下载的好的已经下载的好的clinux；再通过操作系统解开文件系统，；再通过操作系统解开文件系统，运行应用程序。运行应用程序。内核中的必须

39、部件包括：进程管理、进程间通信、内存管理等。内核中的必须部件包括：进程管理、进程间通信、内存管理等。常用的嵌入式操作系统有：常用的嵌入式操作系统有：wince、 clinux、 c/os-ii等。等。嵌入式中间件：它是在操作系统内核、设备驱动程序和应用软件之外嵌入式中间件：它是在操作系统内核、设备驱动程序和应用软件之外的所有系统软件，其基本思路是：把原本属于应用软件层的一些通用的的所有系统软件，其基本思路是：把原本属于应用软件层的一些通用的功能模块抽取出来，形成独立的一层软件，从而为运行在它上面的那些功能模块抽取出来，形成独立的一层软件，从而为运行在它上面的那些应用软件提供一个灵活、安全。移植

40、性好、相互通信、协同工作平台。应用软件提供一个灵活、安全。移植性好、相互通信、协同工作平台。u(3)应用层应用层l应用层又可以分为应用程序接口应用层又可以分为应用程序接口api（aplication programming interface）层和应用程序层。）层和应用程序层。lapi层是一系列复杂的函数、消息和结构的集合体；层是一系列复杂的函数、消息和结构的集合体；l应用程序是建立在系统主任务（应用程序是建立在系统主任务（main task）基础上的，应）基础上的，应用程序可以调用用程序可以调用api函数，用户的应用程序也可以创建自己的函数，用户的应用程序也可以创建自己的任务，任务间的协调主

41、要依赖于系统的消息队列等。任务，任务间的协调主要依赖于系统的消息队列等。upc机的核心是机的核心是pc机的中央处理器机的中央处理器cpu，pc机的机的cpu主要主要由由intel、amd等少数公司垄断生产；等少数公司垄断生产；u嵌入式系统的核心是嵌入式处理器（嵌入式系统的核心是嵌入式处理器（epu，embedded processor unit）。）。u嵌入式微处理器却是多种多样的。例如，嵌入式微处理嵌入式微处理器却是多种多样的。例如，嵌入式微处理器已超过器已超过1500余种，几乎每个半导体生产商都有自己的产余种，几乎每个半导体生产商都有自己的产品。品。u嵌入式系统应用广泛，嵌入式处理器种类繁

42、多。嵌入式嵌入式系统应用广泛，嵌入式处理器种类繁多。嵌入式处理器基本上可以分为：处理器基本上可以分为：嵌入式微控制嵌入式微控制（emcu）嵌入式嵌入式dsp处理器处理器 （edsp）嵌入式微处理器嵌入式微处理器empu嵌入式片上系统嵌入式片上系统（soc）嵌入式处理器嵌入式处理器uempu、emcu、edsp、soc还都可以如下分类：还都可以如下分类：l按数据位数分：可以分为按数据位数分：可以分为8位、位、16位、位、32位、位、64位等。位等。l按存储结构分：可以分为冯按存储结构分：可以分为冯诺依曼结构、哈佛结构等。诺依曼结构、哈佛结构等。l按指令系统结构分：可以分为复杂指令集（按指令系统结

43、构分：可以分为复杂指令集（cisc）结构、精）结构、精简指令集（简指令集（risc）结构。）结构。u按应用领域分：可以分为应用处理器、通信类、多媒体按应用领域分：可以分为应用处理器、通信类、多媒体类、控制类等。类、控制类等。u按处理器体系结构分：按处理器体系结构分：intel ia x86、powerpc、arm、mips、68k/coldfire等。等。u嵌入式微处理器嵌入式微处理器empu是从通用处理器演变而来的。典型是从通用处理器演变而来的。典型empu核有核有x86系列、系列、arm系列、系列、powerpc系列、系列、mips系列系列等。等。u在以在以empu为核心的嵌入式系统中，系

44、统板上除了为核心的嵌入式系统中，系统板上除了empu，还必须设计有还必须设计有rom、ram、总线接口、各种外设控制器等、总线接口、各种外设控制器等器件，通常称之为器件，通常称之为“单板机单板机”。“单板机单板机”不仅降低了系不仅降低了系统的可靠性、技术保密性等，而且存在其体积大、功耗大统的可靠性、技术保密性等，而且存在其体积大、功耗大等缺点。等缺点。u约定：通常把集成了处理器核、存储器管理器、高速缓约定：通常把集成了处理器核、存储器管理器、高速缓存的芯片称之为微处理器。存的芯片称之为微处理器。empuromram外设1外设2单板计算机u微电子学和集成电路技术的高速发展为解决微电子学和集成电路

45、技术的高速发展为解决“单板机单板机”的缺陷提供了有效的方法，即把的缺陷提供了有效的方法，即把“单板机单板机”集成到一块集集成到一块集成电路芯片上，实现成电路芯片上，实现“单板机单板机”单片化，通常称之为单片化，通常称之为“单单片机片机”。u单片机单片机的显著特点是集成了存储器以及丰富的片上外设，的显著特点是集成了存储器以及丰富的片上外设，适合于控制、高可靠性、无人值守等系统，因此与微处理适合于控制、高可靠性、无人值守等系统，因此与微处理器相对应亦称之为微控制器。在以后的研究中将不再区分器相对应亦称之为微控制器。在以后的研究中将不再区分单片机和微控制器。单片机和微控制器。u微控制器的特点是微控制

46、器的特点是“单板机单板机”的单片化的单片化。因此，微控制。因此，微控制器必须是以某一种微处理器内核为核心，再器必须是以某一种微处理器内核为核心，再在芯片内部集在芯片内部集成成存储器、总线、各种必要外设控制器等。存储器、总线、各种必要外设控制器等。u微控制器分类微控制器分类l在在传统的嵌入式微控制器传统的嵌入式微控制器中，通常是以中，通常是以8位或位或16位微处理器位微处理器为 主 ， 内 部 一 般 都 集 成 了 ： 程 序 存 储 器为 主 ， 内 部 一 般 都 集 成 了 ： 程 序 存 储 器（rom/eprom/flash）、数据存储器（）、数据存储器（ram）、总线、总线）、总线

47、、总线逻辑、定时逻辑、定时/计数器、看门狗、通用计数器、看门狗、通用i/o、串行口、脉宽调制、串行口、脉宽调制输出（输出（pwm）、数模）、数模/模数转换（模数转换（a/d、d/a）等外设。例如，）等外设。例如，msc-51系列系列是典型的是典型的8位微控制器。传统的嵌入式微控制器位微控制器。传统的嵌入式微控制器更多的时候被称之为单片机。更多的时候被称之为单片机。l在在现代嵌入式微控制器现代嵌入式微控制器中，通常是以中，通常是以32位位empu为核心，将众为核心，将众多的外围设备控制器（如，存储器控制器多的外围设备控制器（如，存储器控制器mmu、通用串行口总、通用串行口总线控制器线控制器usb

48、、以太网控制器、数模、以太网控制器、数模/模数转换器、模数转换器、lcd控制控制器、通用器、通用io口等）集成到一块芯片中，实现一个定制的口等）集成到一块芯片中，实现一个定制的“计计算算”系统。系统。u微控制器分类微控制器分类lmsc-51系列系列是典型的是典型的8位微控制器。传统的嵌入式微控制器位微控制器。传统的嵌入式微控制器更多的时候被称之为单片机。更多的时候被称之为单片机。l常见的常见的32位微控制器有位微控制器有samsung的的s3cxxxx、atmel的的at91samxxx系列、系列、nxp的的lpc2xxx系列、系列、freescale的的mac7100系列、系列、ti的的om

49、ap系列、系列、luminary的的lm3sxxx系列系列等。现代嵌入式微控制器更多的时候被称之为应用微处理器、等。现代嵌入式微控制器更多的时候被称之为应用微处理器、通信微处理器等，也有越来越多的生产商更喜欢称之为通信微处理器等，也有越来越多的生产商更喜欢称之为32位位单片机。单片机。u约定：通常把集成了微处理器、存储器和片内外设的芯约定：通常把集成了微处理器、存储器和片内外设的芯片称之为微控制器。片称之为微控制器。复位部件看门狗部件晶振部件i/o部件中断部件rom部件sram部件定时器部件cpu核 dsp处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，

50、使其适合于执行行dsp算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、fft、谱分析等方面、谱分析等方面dsp算法正在大量进入嵌入式领域，算法正在大量进入嵌入式领域，dsp应用应用正从在通用单片机中以普通指令实现正从在通用单片机中以普通指令实现dsp功能，过渡到采用嵌入式功能，过渡到采用嵌入式dsp处理器。处理器。 嵌入式嵌入式dsp处理器比较有代表性的产品是处理器比较有代表性的产品是texas instruments的的tms320系列和系列和motorola的的dsp56000 系列。系列。tms320系列处理器包系列处理器包括用于控

51、制的括用于控制的 c2000系列，移动通信的系列，移动通信的c5000系列，以及性能更高系列，以及性能更高的的c6000和和c8000系列。系列。dsp56000目前已经发展成为目前已经发展成为dsp56000，dsp56100，dsp56200和和dsp56300等几个不同系列的处理器。另外等几个不同系列的处理器。另外philips公司近年也推出了基于可重置嵌入式公司近年也推出了基于可重置嵌入式dsp结构低成本、低结构低成本、低功耗技术上制造的功耗技术上制造的r. e. a. l dsp处理器，特点是具备双处理器，特点是具备双harvard结结构和双乘构和双乘/累加单元，应用目标是大批量消费

52、类产品。累加单元，应用目标是大批量消费类产品。 u电子系统的设计经历了从电子系统的设计经历了从“板级板级”到到“片级片级”。l对于板级设计，通常需要根据设计要求选一个微处理器或微对于板级设计，通常需要根据设计要求选一个微处理器或微控制器和多个外设控制器（如控制器和多个外设控制器（如usb端口、端口、tcp/ip通信单元、通信单元、gprs通信接口、通信接口、gsm通信接口、通信接口、ieee1394、蓝牙模块接口等、蓝牙模块接口等控制器等），然后把所有的集成电路都设计到一块印刷线路板控制器等），然后把所有的集成电路都设计到一块印刷线路板上。上。l对于片级设计，就是把微处理器或微控制器和外设控制

53、器都对于片级设计，就是把微处理器或微控制器和外设控制器都集成到一个集成电路芯片中，在一个芯片中实现板级的功能。集成到一个集成电路芯片中，在一个芯片中实现板级的功能。例如，单片机实际上就是一个由厂家设计完成的、固定功能的例如，单片机实际上就是一个由厂家设计完成的、固定功能的片上系统。片上系统。l借助于借助于eda软件和软件和fpga，电子工程师可以容易地实现自己设，电子工程师可以容易地实现自己设计的片上系统，把自己设计的片上系统编程下载到计的片上系统，把自己设计的片上系统编程下载到fpga中，中，实现预定的功能，也是一个单片机。实现预定的功能，也是一个单片机。u嵌入式片上系统嵌入式片上系统eso

54、c最大的特点就在于软件硬件协同设最大的特点就在于软件硬件协同设计、实现了软件硬件的无缝集合，可直接在处理器片内嵌计、实现了软件硬件的无缝集合，可直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块；入操作系统的代码模块；在单一块硅片上集成了处理器、在单一块硅片上集成了处理器、高密度逻辑电路、模拟和混合信号电路、存储器和通信电高密度逻辑电路、模拟和混合信号电路、存储器和通信电路等。路等。u在一个硅片内部运用硬件描述语言，直接在器件库中调在一个硅片内部运用硬件描述语言，直接在器件库中调用各种通用处理器的标准核，实现一个复杂的系统。由于用各种通用处理器的标准核，实现一个复杂的系统。由于绝大部分系统构件都是在系统内

55、部，整个系统就特别简洁，绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。提高了设计生产效率。u约定：把基于微处理器或微控制器、外设控制器的应用约定：把基于微处理器或微控制器、外设控制器的应用解决方案称之为片上系统。解决方案称之为片上系统。u嵌入式操作系统是嵌入式系统的核心软件部件。嵌入式操作系统是嵌入式系统的核心软件部件。u嵌入式操作系统（嵌入式操作系统（eos，embedded operation system），通常包括底层驱动程序、系统内核、设备驱），通常包括底

56、层驱动程序、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。u嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与通用够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统

57、实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。有较为突出的特点。u嵌入式操作系统经历了四个比较明显的发展阶段。嵌入式操作系统经历了四个比较明显的发展阶段。u1.无操作系统的嵌入算法阶段。无操作系统的嵌入算法阶段。l以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。应用于一些专业性极强的工业控制系统中，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。u2.以嵌入式处理器为基础、简单操作系统为核心的嵌入以

58、嵌入式处理器为基础、简单操作系统为核心的嵌入式系统。式系统。l嵌入式处理器种类繁多，通用性比较差；系统开销小，效率高；一般配备系统仿真器，操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。u3.通用的嵌人式实时操作系统阶段。通用的嵌人式实时操作系统阶段。l以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统。能运行于各种类型的嵌入式处理器上，兼容性好；内核精小、效率高，具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口（apl）；嵌入式应用软件丰富。l4.以基于以基于inte

59、rnet为标志的嵌入式系统。为标志的嵌入式系统。l这是一个正在迅速发展的阶段。目前，大多数嵌入式系统还孤立于internet之外，但随着internet的发展以及internet技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与internet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。u国际上的嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，有代表国际上的嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，有代表性的产品主要有性的产品主要有vxworks、windows ce、linux、c/os-、qnx、palm os等，占据了嵌入式系统的绝等，占据了嵌入式系统的绝大部分市场。国内的嵌入式操作系统主要有大部分市场。国内的

60、嵌入式操作系统主要有delta os (道系统道系统)、hopen os (女娲计划女娲计划)、casspda以及以及hbos等。等。uvxworkslvxworks操作系统是美国操作系统是美国windriver公司于公司于1983年设计开年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（发的一种嵌入式实时操作系统（rtos），是），是tornado嵌入式嵌入式开发环境的关键组成部分。开发环境的关键组成部分。lvxworks具有可裁剪微内核结构具有可裁剪微内核结构；高效的任务管理；灵活的；高效的任务管理；灵活的任务间通讯；微秒级的中断处理；支持任务间通讯；微秒级的中断处理；支持posix 10031b实实时