嵌入式系统lecture1-introduction

1、1实时嵌入式系统设计实时嵌入式系统设计第一讲第一讲 引言引言2课程目的课程目的l随着计算机与控制技术的进步，先进机电系统正向嵌入式、小型化、智能化随着计算机与控制技术的进步，先进机电系统正向嵌入式、小型化、智能化方向发展，嵌入式系统设计已成为机电领域工程技术与研究人员必须掌握的方向发展，嵌入式系统设计已成为机电领域工程技术与研究人员必须掌握的基本技能之一。基本技能之一。l本课程拟面向机电系统，系统地介绍嵌入式系统与实时系统的基本原理、设本课程拟面向机电系统，系统地介绍嵌入式系统与实时系统的基本原理、设计方法与应用技术，并辅以实验环节，是机械电子工程、机械工程及自动化计方法与应用技术，并辅以实验

2、环节，是机械电子工程、机械工程及自动化专业研究生的专业基础课程。专业研究生的专业基础课程。l通过本课程的学习，可以全面培养机电专业研究生的嵌入式软硬件设计与应通过本课程的学习，可以全面培养机电专业研究生的嵌入式软硬件设计与应用能力，为研究生进入研究生课程，完成科研任务奠定基础。用能力，为研究生进入研究生课程，完成科研任务奠定基础。l本课程围绕基于本课程围绕基于3232位微处理器和实时操作系统，介绍了实时系统与嵌入式系位微处理器和实时操作系统，介绍了实时系统与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。统前沿发展趋势，理解其设计方法，学会嵌入式编程技术。l课程采用讲课与课程采用讲

3、课与实验实验相结合的方式。相结合的方式。l学生基础：是否学过学生基础：是否学过C C语言、微机原理或是单片机等语言、微机原理或是单片机等3课程要求课程要求l要求同时选修要求同时选修实时嵌入式系统设计实时嵌入式系统设计（1-17周）与周）与实时嵌入式系实时嵌入式系统实验统实验（10-18周）两门课程周）两门课程4课程大纲（课程大纲（32学时）学时）地点：主南地点：主南401 401 （ 1-17 1-17周周, ,周三周三,3-4,3-4节节) )课次课次学时学时形式形式内容内容第第 1 1 次次2 2讲课讲课引言：实时嵌入式系统的定义及典型应用引言：实时嵌入式系统的定义及典型应用第第 2 2

4、次次2 2讲课讲课嵌入式系统硬件基础嵌入式系统硬件基础第第 3 3 次次2 2讲课讲课嵌入式系统软件基础嵌入式系统软件基础第第 4 4 次次2 2讲课讲课嵌入式系统操作系统嵌入式系统操作系统第第 5 5 次次2 2讲课讲课3232位微处理器体系结构位微处理器体系结构第第 6 6 次次2 2讲课讲课3232位微处理器指令集位微处理器指令集第第 7 7 次次2 2讲课讲课3232位微处理器汇编语言设计位微处理器汇编语言设计第第 8 8 次次2 2讲课讲课嵌入式系统硬件初始化设计嵌入式系统硬件初始化设计第第 9 9 次次2 2讲课讲课实时操作系统内核原理实时操作系统内核原理第第 10 10 次次2

5、2讲课讲课实时操作系统的通信机制实时操作系统的通信机制第第 11 11 次次2 2讲课讲课嵌入式系统硬件接口设计嵌入式系统硬件接口设计第第 12 12 次次2 2讲课讲课嵌入式系统驱动程序设计嵌入式系统驱动程序设计5课程大纲（课程大纲（32学时）学时）地点：主南地点：主南401401（1-171-17周周, ,周三周三,3-4,3-4节节) )课次课次学时学时形式形式内容内容第第 13 13 次次2 2讲课讲课嵌入式系统软件架构设计嵌入式系统软件架构设计第第 14 14 次次2 2讲课讲课嵌入式应用软件编程嵌入式应用软件编程第第 15 15 次次2 2讲课讲课实时系统容错设计实时系统容错设计第

6、第 16 16 次次2 2讲课讲课嵌入式系统设计实例分析嵌入式系统设计实例分析第第 17 17 次次考试考试l主讲主讲: : 魏洪兴魏洪兴 （北航机械学院（北航机械学院 教授教授/ /博士）博士）lE-mail: E-mail: 61.1.王田苗王田苗 魏洪兴主编魏洪兴主编. . 嵌入式系统设计及实例开发嵌入式系统设计及实例开发基基于于ARMARM微处理器与微处理器与C/OS-C/OS-实时操作系统（第三版）实时操作系统（第三版）. . 北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，2008.12008.12 2（美）（美）Jean J.Labrosse, Jean J.Labrosse, 邵贝

7、贝译邵贝贝译. C/OS-. C/OS-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. . 北京：中国电力出版社北京：中国电力出版社，2001.82001.83. 3. 魏洪兴魏洪兴 主编主编. . 嵌入式系统设计与实例开发实验教程嵌入式系统设计与实例开发实验教程ARMARM与与C/OS-. C/OS-. 北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，2005.92005.9参考资料参考资料7一、考核方式：两次大作业一、考核方式：两次大作业( (占占20%20%）+ + 笔试（笔试（80%80%）考核方式和评分标准考核方式和评分标准8课件下载课件下载l邮箱：邮箱：les_l密码：密码

8、：system9您预期的收获您预期的收获通过本门课程的学习，你将获得以下知识：通过本门课程的学习，你将获得以下知识：l提高提高C C语言编程能力（期望值：）语言编程能力（期望值：）l学会使用实时操作系统，了解多任务（期望值：）学会使用实时操作系统，了解多任务（期望值：）l了解嵌入式软件开发流程（期望值：）了解嵌入式软件开发流程（期望值：）l掌握基本嵌入式硬件知识（期望值：）掌握基本嵌入式硬件知识（期望值：）l独立或合作开发出嵌入式应用软件（期望值：）独立或合作开发出嵌入式应用软件（期望值：）l掌握嵌入式软件编程（期望值：）掌握嵌入式软件编程（期望值：）l掌握硬件设计知识（期望值：）掌握硬件设计

9、知识（期望值：）l学会操作系统移植（期望值：）学会操作系统移植（期望值：）l成为嵌入式系统设计高手（期望值：）成为嵌入式系统设计高手（期望值：）10提提 要要嵌入式系统的发展及应用领域嵌入式系统的发展及应用领域嵌入式系统与实时系统的定义及体系嵌入式系统与实时系统的定义及体系11嵌入式系统的应用领域嵌入式应用嵌入式应用信息家电信息家电智能玩具智能玩具军事电子军事电子通信设备通信设备移动存贮移动存贮工控设备工控设备智能仪表智能仪表汽车电子汽车电子网络设备网络设备消费电子消费电子军事国防军事国防电子商务电子商务网络网络工业控制工业控制12goReaderInterneteBookSamsungAny

10、WebInternetScreenPhoneeRemoteIntelligentHomeControllerTektronixTDS7000DigitalOscilloscopesNixvueDigitalAlbumDigitalPhotoAlbum一些典型的嵌入式系统应用实例一些典型的嵌入式系统应用实例13嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用l家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。备的核心。14家庭智能管理系统家庭智能管理系统l社区建筑的水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，远程社区建筑的水、电、煤气

11、表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，远程点菜器点菜器等。等。15现代化家庭现代化家庭16社会发展方面：嵌入式社会发展方面：嵌入式InternetInternet应用应用17汽车电子产品（几十个嵌入式控制模块）汽车电子产品（几十个嵌入式控制模块）CAN总线网络总线网络VOLVOS80汽车的汽车的CAN总线网络总线网络嵌入式应用嵌入式应用汽车电子汽车电子18智能玩具与机器人智能玩具与机器人19嵌入式技术应用嵌入式技术应用工业控制工业控制l工业方面：机床、冶金、电子、交通、航空航工业方面：机床、冶金、电子、交通、航空航天等行业技术升级的重要基础；天等行业技术升级的重要基础；20阿富汗参加反恐作战的

12、阿富汗参加反恐作战的“赫耳墨斯赫耳墨斯”价值价值4 4万美元，万美元，可携带可携带2 2架摄像机，发挥了架摄像机，发挥了很好作用。很好作用。军事侦察军事侦察21l20022002年年1111月月2828日日，以色列一选举，以色列一选举投票点，发生枪投票点，发生枪击事件，造成至击事件，造成至少少7 7人死亡，数人死亡，数十人受伤。以警十人受伤。以警方用机器人在检方用机器人在检查一具巴勒斯坦查一具巴勒斯坦枪手的尸体。枪手的尸体。反恐防暴反恐防暴22微型飞行器-“黑寡妇”空中飞行器空中飞行器23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Window

13、s CE） 2425高高 48 cm48 cm重重: 6 kg: 6 kg灵活性：灵活性：20 DOF20 DOF操作系统操作系统: RT-Linux: RT-Linux接口形式接口形式: USB 1.0 (12Mbps): USB 1.0 (12Mbps)响应周期响应周期: 1ms: 1ms能源：能源： DC24V x 6.2A (150W)DC24V x 6.2A (150W)制造：富士通制造：富士通 262728为什么要学习嵌入式技术？为什么要学习嵌入式技术？l从计算发展的趋势看从计算发展的趋势看29发展趋势：计算机教育的两条发展道路发展趋势：计算机教育的两条发展道路Software=e

14、mbedded software(90%)30嵌入式系统的热点领域l移动计算移动计算l普适计算普适计算l无线传感器网络无线传感器网络l可重构计算可重构计算l物联网物联网l云计算云计算l基于平台的设计方法基于平台的设计方法l模型驱动的设计方法模型驱动的设计方法31无线传感器网络32无线传感器网络的应用军事应用 l在军事领域，传感器网络将会成为在军事领域，传感器网络将会成为C4ISRTC4ISRT系统不可或缺的一部分。系统不可或缺的一部分。l由于传感器网络是由密集型、低成由于传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力，使其不会因为某织性和容

15、错能力，使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，使其非常适合应整个系统的崩溃，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中。用于恶劣的战场环境中。l包括监控我军兵力、装备和物资，包括监控我军兵力、装备和物资，监视冲突区，侦察敌方地形和布防监视冲突区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标，评估损失，侦察，定位攻击目标，评估损失，侦察和探测核、生物和化学攻击等多方和探测核、生物和化学攻击等多方面用途。面用途。33可重构计算(reconfigurable computing)通用嵌入式微处理器应用软件数据可重构计算部件配置存储器数据ASIC数据通用微处理器可重构计

16、算机ASIC34Theinternetofthings-orIoTforshort-isallaboutbringingtheanalogue(physical)worldintothedigital(virtual)spheresothatphysicalobjectscanbeidentified,tracked,locatedandevencontrolledonline,inreal-time.35l云计算是网格计算（云计算是网格计算（Grid ComputingGrid Computing）、分布式计算（）、分布式计算（Distributed Distributed Computin

17、gComputing）、并行计算（）、并行计算（Parallel ComputingParallel Computing）、效用计算（）、效用计算（Utility Computing)Utility Computing)、网络存储（、网络存储（Network Storage TechnologiesNetwork Storage Technologies）、虚拟化（、虚拟化（VirtualizationVirtualization）、负载均衡（）、负载均衡（Load BalanceLoad Balance）等传统计）等传统计算机技术和网络技术发展融合的产物。它旨在通过网络把多个成本相算机技术和

18、网络技术发展融合的产物。它旨在通过网络把多个成本相对较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的完美系统对较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的完美系统3637Open Sourcel自由软件自由软件-Stallman-Stallman和他的和他的GNUGNU计划计划l Stallman-Stallman-这个黑客历史上最伟大的这个黑客历史上最伟大的hackerhacker之一，之一，无法忍受这荒谬的现实，提出用无法忍受这荒谬的现实，提出用GPL(GPL(通用公共许可证通用公共许可证) )和和CopyleftCopyleft把用户原本应该享有的、却被把用户原本应该享有的、却被Copyrigh

19、tCopyright无无情夺去的自由再还给用户。情夺去的自由再还给用户。 开发了开发了GNU ToolsGNU Tools一系列一系列软件软件 GCC, EMACS, GCC, EMACS, 38Open Sourcel 芬兰小伙芬兰小伙LinusLinus的的LinuxLinux操作系统传奇操作系统传奇l Linus Linus 的家乡：赫尔辛基的家乡：赫尔辛基l GNU/LinuxGNU/Linux：威力强大的组合：威力强大的组合39嵌入式软件的开源趋势lLinuxLinux的深远影响的深远影响lWinCEWinCE的开源计划的开源计划lWindRiverWindRiver的双的双OSOS

20、战略战略lAndroidAndroid的流行的流行l开发工具、开发工具、GUIGUI、FSFS、协议栈等的开源、协议栈等的开源l开源开源 免费免费40嵌入式软件开发的趋势AssemblyAssemblerMachineCodeCompilerHighLevelLanguageAssemblySystem ComplexityComputing CostsIncreasedProductivityUMLModelsModelCompilerHighLevelLanguage41Model- vs Code-Based Design42从设计架构中分离应用Designcanbesplitbetwe

21、en:lSubjectmatterexpertswhounderstandtheapplicationandlEmbeddedexpertswhounderstandthearchitectureEachevolvesatitsownpace.ArchitectureCheckingCheckingCheckingSettingsEntry/OpenShutter( 0.5 );MeasureLight();CheckingSettingsEntry/OpenShutter( 0.5 );MeasureLight();DetermineExposureTime( CheckingCheckin

22、gCheckingCheckingCheCkinCheckinggApplication43嵌入式系统的发展Moor定律的影响Figure1:IntelCPUIntroductions(sources:Intel,Wikipedia)lMoorMoor定律的影响：定律的影响：ICIC每两年每两年晶体管数量增加一倍（微处晶体管数量增加一倍（微处理器性能增加一倍），而价理器性能增加一倍），而价格下降一半；格下降一半；l由制造工艺与散热的限制，由制造工艺与散热的限制，多核处理器是未来的发展趋多核处理器是未来的发展趋势；势；l多核处理器带来的设计挑战多核处理器带来的设计挑战：操作系统技术、设计工具：操

23、作系统技术、设计工具、软件开发方法、软件开发方法44智能机器人的发展趋势智能机器人的发展趋势45新型双臂工业机器人新型双臂工业机器人-Baxter7自由度手臂自由度手臂柔顺关节：力柔顺关节：力感和力控感和力控UI操作操作360度声纳和度声纳和前视摄像头前视摄像头基于视觉引导基于视觉引导的运行和物体的运行和物体检测检测一体化集成设计一体化集成设计基于行为智能基于行为智能可更换的末可更换的末端操作器端操作器46世界上最先进的工业机器人世界上最先进的工业机器人-BaxterRethink Robotics demo (Xconomy).mp447新型工业机器人新型工业机器人-Universal Ro

24、botsUniversal Robots 双臂机器人 高清.mp4Vision Guided Robot - Universal Robots UR5 (SD).flv48传统工业机器人的限制传统工业机器人的限制 会伤害人，需要设会伤害人，需要设置安全区；置安全区； 侧重操作精度和重侧重操作精度和重复性工作，但缺乏复性工作，但缺乏自适应性和灵活性，自适应性和灵活性，不易操作；不易操作； 仅能在结构化环境仅能在结构化环境工作；工作； 应用受限；应用受限； 集成成本高，是机集成成本高，是机器人成本的器人成本的3-53-5倍倍49新一代工业机器人新一代工业机器人Baxter的特点的特点1.1. 不需

25、要集成不需要集成是一个完整系统，在是一个完整系统，在1 1小时内可以完成安装并工作小时内可以完成安装并工作2.2. 不需要编程不需要编程可以象人教人一样教机器人工作，不需要专家经验，可以象人教人一样教机器人工作，不需要专家经验，当任务变化时可以快速设置当任务变化时可以快速设置3.3. 通用性通用性通用性强，可执行各种简单的操作任务通用性强，可执行各种简单的操作任务4.4. 智能操作智能操作结合传感器系统，能够自动适应任务和环境变化；结合传感器系统，能够自动适应任务和环境变化；5.5. 无需设置安全区域无需设置安全区域采用柔顺关节，感知外力变化，能够与人合作采用柔顺关节，感知外力变化，能够与人合

26、作50Baxter如何实现低成本如何实现低成本Baxter是新一代工业机器人，将工业机器人的应用领是新一代工业机器人，将工业机器人的应用领域从工业扩展到服务业，域从工业扩展到服务业， Baxter如何实现低成本？如何实现低成本？要素一：要素一：与传统工业机器人采用高精与传统工业机器人采用高精度电机与减速器等功能部件不同，度电机与减速器等功能部件不同， BaxterBaxter基于视觉增强机器人的操作精基于视觉增强机器人的操作精度，降低了对电机和机构部件的精度度，降低了对电机和机构部件的精度要求；要求；要素二：要素二：集成了当前先进的计算机与集成了当前先进的计算机与传感器、软件技术，内部采用机电

27、一传感器、软件技术，内部采用机电一体化集成设计，由专业供应商生产制体化集成设计，由专业供应商生产制造。造。51新型工业机器人的关键技术（新型工业机器人的关键技术（1）SEASEA（SeriesSeries Elastic Actuators) Elastic Actuators)串联弹性驱动串联弹性驱动力检测功能（无需在操作臂末端力检测功能（无需在操作臂末端安装传统的安装传统的6 6维力传感器），便维力传感器），便于实现安全柔顺控制；于实现安全柔顺控制；采用力控制采用力控制/ /刚度控制方法；刚度控制方法；避免齿轮箱等关键部件受到外力避免齿轮箱等关键部件受到外力的震动冲击；的震动冲击；Baxt

28、erBaxter的两个臂的两个臂1414个关节均采用个关节均采用SEASEA驱动方式。驱动方式。注：注：SEA技术技术1995年由年由MIT的的Gill A. Pratt and Matthew M. Williamson发明发明52变刚度驱动（变刚度驱动（Variable Stiffness Actuator)VSAVSA是在是在SEASEA基础上发展起来的，是当前机器人领域基础上发展起来的，是当前机器人领域研究的热点，欧盟支持了研究的热点，欧盟支持了ViactorViactor项目，重点研发各项目，重点研发各种变刚度单元。种变刚度单元。与与SEASEA不同的是，不同的是，VSAVSA在在S

29、EASEA中增加了调节弹簧刚度的中增加了调节弹簧刚度的功能，调节范围可以从全刚性到全柔性，极大地扩功能，调节范围可以从全刚性到全柔性，极大地扩展了机器人的应用领域。展了机器人的应用领域。AwAS(Actuator with Adjustable Stiffness)53FSJ：Floating Spring Joint (By DLR)54新型工业机器人的关键技术（新型工业机器人的关键技术（2）集成计算机视觉等多种传感器集成计算机视觉等多种传感器采用双目视觉伺服，提高操采用双目视觉伺服，提高操作精度；作精度；检测作业对象，实现智能操检测作业对象，实现智能操作；作；BaxterBaxter机器人

30、集成了机器人集成了5 5个个CameraCamera55新型工业机器人的关键技术（新型工业机器人的关键技术（3）机电一体化集成设计机电一体化集成设计一体化驱动单元一体化驱动单元采用总线分布式驱动采用总线分布式驱动专门设计的电机、驱动、专门设计的电机、驱动、减速一体化驱动单元；减速一体化驱动单元；内部集成控制系统，无外内部集成控制系统，无外置控制柜置控制柜56新型工业机器人的关键技术（新型工业机器人的关键技术（4）极为便捷的操作方法极为便捷的操作方法无需编程，拖拽式示教；无需编程，拖拽式示教；直观友好的操作界面，几直观友好的操作界面，几分种学会操作；分种学会操作；便于改变作业任务。便于改变作业任

31、务。57新型工业机器人的关键技术（新型工业机器人的关键技术（5）采用采用ROSROS（机器人操作系统）机器人操作系统）作为软件平台作为软件平台基于机器人操作系统，实基于机器人操作系统，实现软硬件分离；现软硬件分离；开源软件平台，便于扩展开源软件平台，便于扩展新功能；新功能；软件模块丰富，运动控制软件模块丰富，运动控制、视觉、环境建模等；、视觉、环境建模等；开发周期短。开发周期短。58提提 要要嵌入式系统的发展及应用领域嵌入式系统的发展及应用领域嵌入式系统与实时系统的定义及体系嵌入式系统与实时系统的定义及体系59嵌入式系统的发展历史嵌入式系统的发展历史硬件硬件嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。

32、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和和一个一个PC104PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。嵌入式系统已经有了近嵌入式系统已经有了近3030年的发展历史，它是硬件和软件年的发展历史，它是硬件和软件交替发展的双螺旋式发展。交替发展的双螺旋式发展。最早的单片机是最早的单片机是IntelIntel公司的公司的80488048，它出现在，它出现在19761976年年MotorolaMotorola同时推出了同时推出了68HC0568HC05，ZilogZilog公司推出了公司推出了Z80Z80系列，系列，这

33、些早期的单片机均含有这些早期的单片机均含有256256字节的字节的RAMRAM、4K4K的的ROMROM、4 4个个8 8位并口位并口、1 1个全双工串行口、两个个全双工串行口、两个1616位定位定时时器。器。之后在之后在8080年代初，年代初，IntelIntel又进一步完善了又进一步完善了80488048，在它的基础，在它的基础上研制成功了上研制成功了80518051。 6019811981年年Ready SystemReady System发展了世界上第发展了世界上第1 1个商业嵌入式实时内个商业嵌入式实时内核（核（VTRX32VTRX32）包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任

34、）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、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。随后，出现了如随后，出现了如Integrated System Incorporation (ISI)Integrated System Incorporation (ISI)的的PSOSPSOS、IMGIMG的的VxWorksVxWorks、QNXQNX公司的公司的QNXQNX等，等，Palm OSPalm OS，WinCEWinCE，嵌，嵌入式入式LinuxLinux，LynxLynx，uCOSuCOS、NucleuxNucleux，以及国

35、内的，以及国内的HopenHopen、Delta OSDelta OS等嵌入式操作系统。等嵌入式操作系统。今天今天RTOSRTOS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EMFEMF（电子市（电子市场分析）报告，场分析）报告，19991999年全球年全球RTOSRTOS市场产值达市场产值达3.63.6亿美元，而相关的亿美元，而相关的整个嵌入式开发工具（包括仿真器、逻辑分析仪、软件编译器和调整个嵌入式开发工具（包括仿真器、逻辑分析仪、软件编译器和调试器）则高达试器）则高达9 9亿美元。亿美元。 嵌入式系统的发展历史嵌入式系统的发展历史软件软件61IEEEIEEE定义

36、定义 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：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器和设备的装置器和设备的装置”（原文为（原文为devices used to devices used to control, monitor, or assist the operation of control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plantsequipment, machinery or plants）。）

37、。可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统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是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。 62一般定义一般定义 “以以应用应用为中心、以计算机技术为基础、为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求、功耗严格要求的的专用专用计算机系统。计算机系统。”63l嵌入式系统是以嵌入式系统是以嵌入式应用嵌入式应用为目的的计算机系统。可为目的的计算机系统。可分为系统级、板级、片级分为系统级、板级、片级l系统级：各种类型的工控器、系统级：各种

38、类型的工控器、PC104PC104模块模块l板级：各种类型的带板级：各种类型的带CPUCPU的主板及的主板及OEMOEM产品产品l片级：各种以单片机、片级：各种以单片机、DSPDSP、微处理器为核心的产品、微处理器为核心的产品微机学会的定义微机学会的定义64单片机与嵌入式系统应用单片机与嵌入式系统应用定义定义l嵌入式系统是嵌入式系统是嵌入嵌入到到对象体系对象体系内部的内部的专用计算专用计算机系统机系统65嵌入式系统l广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。如各类单片机和称为嵌入式系统。如各类单片机和DSPDSP系统。这些系统系

39、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。在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点。但由于他们没有操作系统，管理系统硬件核软件的能但由于他们没有操作系统，管理系统硬件核软件的能力有限，在实现复杂多任务功能时，往往困难重重，力有限，在实现复杂多任务功能时，往往困难重重，甚至无法实现甚至无法实现l从狭义上讲，我们更加强调那些使用嵌入式微处理器从狭义上讲，我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有构成独立系统，具有自己操作系统，具有特定功能，自己操作系统，具有特定功能，用于特定场合的嵌入式系统。这里所谓的嵌入式系统用于特定场合的嵌入式系统。这里所谓的嵌入式系统是指狭义上

40、的嵌入式系统。是指狭义上的嵌入式系统。66嵌入式系统的几个重要特征嵌入式系统的几个重要特征（1 1）系统内核小）系统内核小l由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资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。源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。l比如比如ENEAENEA公司的公司的OSEOSE分布式系统，内核只有分布式系统，内核只有5K5K，而，而WindowsWindows的内核则要大得多。的内核则要大得多。67（）专用性强（）专用性强l嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合嵌入式系统的个性化很强，其中的软件

41、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。非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。l即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件即使在同一品牌、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。的变化和增减不断进行修改。l同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程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，这种修改和通用软件的序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级升级”是完全不同的概念。是完全不同的概念。 68（）系统精简（）系统精简l嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分嵌入式系统一般没有系统软件

42、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，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。利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。69（）高实时性（）高实时性OSOSl这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存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储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。、实时性。 70（5 5）嵌入式软件开发走向标准化）嵌入式软件开发走向标准化l嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。上

43、运行。l为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以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，用户必须自行选配及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOSRTOS（RealRealTime Operating SystemTime Operating System）开发平台，这样才能保）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。障软件质量。71（6 6）嵌入式系统需要开发工具和环境）嵌入式系统需要开发工具和环境l由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以由于其本身不具备自主开发能力，即

44、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。，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。l这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件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。设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。l开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序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。替结合进行。 72实时系统l实时系统实时系统l实时系统的

45、正确性依赖于运行结果的逻辑正确性和实时系统的正确性依赖于运行结果的逻辑正确性和运行结果产生的时间正确性，即实时系统必须在规运行结果产生的时间正确性，即实时系统必须在规定的时间范围内正确地响应外部物理过程的变化。定的时间范围内正确地响应外部物理过程的变化。73实时系统的特征（1）l时间约束性时间约束性l实时系统的任务具有一定的时间约束（截止时间）实时系统的任务具有一定的时间约束（截止时间）。根据截止时间，实时系统的实时性分为。根据截止时间，实时系统的实时性分为“硬实时硬实时”和和“软实时软实时”。l硬实时是指应用的时间需求能够得到完全满足，否硬实时是指应用的时间需求能够得到完全满足，否则就造成重

46、大安全事故，甚至造成重大的生命财产则就造成重大安全事故，甚至造成重大的生命财产损失和生态破坏，如在航空航天、军事、核工业等损失和生态破坏，如在航空航天、军事、核工业等一些关键领域中的应用。一些关键领域中的应用。l软实时是指某些应用虽然提出时间需求，但实时任软实时是指某些应用虽然提出时间需求，但实时任务偶尔违反这种需求对系统运行及环境不会造成严务偶尔违反这种需求对系统运行及环境不会造成严重影响，如监控系统等和信息采集系统等。重影响，如监控系统等和信息采集系统等。 74实时系统l硬实时软实时硬实时软实时75实时系统的特征（2）l可预测性可预测性l可预测性是指系统能够对实时任务的执行时间进行可预测性

47、是指系统能够对实时任务的执行时间进行判断，确定是否能够满足任务的时限要求。判断，确定是否能够满足任务的时限要求。l由于实时系统对时间约束要求的严格性，使可预测由于实时系统对时间约束要求的严格性，使可预测性称为实时系统的一项重要性能要求。性称为实时系统的一项重要性能要求。l除了要求硬件延迟的可预测性以外，还要求软件系除了要求硬件延迟的可预测性以外，还要求软件系统的可预测性，包括应用程序的统的可预测性，包括应用程序的响应时间响应时间是可预测是可预测的，即在有限的时间内完成必须的工作；以及操作的，即在有限的时间内完成必须的工作；以及操作系统的可预测性，即实时原语、调度函数等运行开系统的可预测性，即实

48、时原语、调度函数等运行开销应是有界的，以保证应用程序执行时间的有界性销应是有界的，以保证应用程序执行时间的有界性。 76实时系统的特征（3）l可靠性可靠性l大多数实时系统要求有较高的大多数实时系统要求有较高的可靠性可靠性。在一些重要。在一些重要的实时应用中，任何不可靠因素和计算机的一个微的实时应用中，任何不可靠因素和计算机的一个微小故障，或某些特定强实时任务（又叫关键任务）小故障，或某些特定强实时任务（又叫关键任务）超过时限，都可能引起难以预测的严重后果。超过时限，都可能引起难以预测的严重后果。l为此，系统需要采用为此，系统需要采用静态分析静态分析和和保留资源保留资源的方法及的方法及冗余配置，

49、使系统在最坏情况下都能正常工作或避冗余配置，使系统在最坏情况下都能正常工作或避免损失。可靠性已成为衡量实时系统性能不可缺少免损失。可靠性已成为衡量实时系统性能不可缺少的重要指标。的重要指标。77实时系统的特征（4）l与外部环境的交互作用性与外部环境的交互作用性l实时系统通常运行在一定的环境下，外部环境是实实时系统通常运行在一定的环境下，外部环境是实时系统不可缺少的一个组成部分。时系统不可缺少的一个组成部分。l计算机子系统一般是控制系统，它必须在规定的时计算机子系统一般是控制系统，它必须在规定的时间内对外部请求做出反应。外部物理环境往往是被间内对外部请求做出反应。外部物理环境往往是被控子系统，两

50、者互相作用构成完整的实时系统。控子系统，两者互相作用构成完整的实时系统。l大多数控制子系统必须连续运转以保证子系统的正大多数控制子系统必须连续运转以保证子系统的正常工作或准备对任何异常行为采取行动。常工作或准备对任何异常行为采取行动。78实时嵌入式系统实时嵌入式系统79嵌入式系统简介嵌入式系统简介处理器处理器存储器存储器输入接口输入接口操作系统操作系统(驱动程序驱动程序)应用程序应用程序软件子系统软件子系统硬件子系统硬件子系统嵌入式系统组成输出接口输出接口外围设备外围设备80 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式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微处理器一般就具

51、备以下4 4个特点个特点l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核的执行时间减少到最断响应时间，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。低限度。l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出现错误的交叉作用，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，同时也有利于软件诊断。需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。l可

52、扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。的嵌入式微处理器。l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系统更是如此，如需要的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有功耗只有mWmW甚至甚至WW级。级。 嵌入式处理器嵌入式处理器81嵌入式微处理器嵌入式微处理器全世界只有4%的计算机处理芯片用于计算机中Source: Embedded Systems Programming, May

53、1999Average car has about 15 microprocessors. Mercedes S-class: 63 microprocessors !32-bit嵌入式微处理器16-bit8-bit4-bit250 million1 billion1 billion1 billion125 million PCsIntel, AMDMotorola,ARM,MIPS,i960,x86,其中只有其中只有4%4%的的微处理器微处理器82嵌入式微处理器分类嵌入式微处理器分类83（1）嵌入式微控制器）嵌入式微控制器l嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种位的电子嵌入式微控制器的典型代

54、表是单片机，这种位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。l单片机芯片内部集成单片机芯片内部集成ROM/EPROMROM/EPROM、RAMRAM、总线、总线逻辑、总线、总线逻辑、定时、定时/ /计数器、看门狗、计数器、看门狗、I/OI/O、串行口、脉宽调制输出、串行口、脉宽调制输出、A/DA/D、D/AD/A、Flash RAMFlash RAM、EEPROMEEPROM等各种必要功能和外设等各种必要功能和外设。84l微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高

55、。而使功耗和成本下降、可靠性提高。l微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。称为微控制器。85（2）嵌入式）嵌入式DSP处理器处理器lDSPDSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、FFTFFT、谱、谱分析等各种仪器上分析等各种仪器上DSPDSP获得了大规模的应用。获得了大规模的应用。lDSPDSP的

56、理论算法在的理论算法在7070年代就已经出现，但是由于专门的年代就已经出现，但是由于专门的DSPDSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPUMPU等由分立等由分立元件实现。元件实现。19821982年世界上诞生了首枚年世界上诞生了首枚DSPDSP芯片。在语音合成芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。和编码解码器中得到了广泛应用。DSPDSP的运算速度进一步提的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。l目前最为广泛应用的嵌入式目前最为广泛应用的嵌入式DSPDSP处理

57、器是处理器是TITI的的TMS320C2000/ TMS320C2000/ C5000C5000系列，另外如系列，另外如IntelIntel的的MCS-296MCS-296和和SiemensSiemens的的TriCoreTriCore也也有各自的应用范围。有各自的应用范围。86lMPUMPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPUCPU演变而来的。演变而来的。l与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分

58、，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。要求。（3 3）、嵌入式微处理器（）、嵌入式微处理器（Micro Processor Unit)Micro Processor Unit)87l和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有处理器类型有Am186/88Am186/88、386EX386EX、SC-400SC-400、Power PCPower PC、6800068000、

59、MIPSMIPS、ARM/StrongARMARM/StrongARM系列等系列等88lSoC SoC 就是就是System on Chip System on Chip ，SoCSoC嵌入式系统微处理嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。器就是一种电路系统。l它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，像是像是ARM RISCARM RISC、MIPS RISCMIPS RISC、DSPDSP或是其他的微处理或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，像是通用串行端口器核心，加上通信的接口单元，像是通用串行端口（USBUSB）、）、TCP/IPTCP

60、/IP通信单元、通信单元、GPRSGPRS通信接口、通信接口、GSMGSM通通信接口、信接口、IEEE1394IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这些单元、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。芯片。（4）嵌入式片上系统）嵌入式片上系统(SystemOnChip)89新的发展方向：新的发展方向：SOCSOCASIC CoreMemoryEmbedded ProcessorCoreAnalogFunctionsCommunicationSensorInterface90RTOS是是32位嵌入式位嵌入式CPU的软件基