嵌入式微控制器基础

1、1嵌入式系统及应用2第第1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础1.1嵌入式系统概述嵌入式系统概述1.2嵌入式处理器嵌入式处理器1.3嵌入式操作系统嵌入式操作系统1.4实时操作系统的内核实时操作系统的内核1.5嵌入式技术发展现状及趋势嵌入式技术发展现状及趋势 31.1 嵌入式系统概述嵌入式系统概述1.1.1嵌入式系统的定义p 电气工程师协会(IEE)的定义:嵌入式系统是用来控制或监视机器、装置或工厂等的大规模系统的设备。p 国内一般定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。 4p 嵌入式系统无处不在 内

2、部含有中央处理器CPU的设备都含有嵌入式系统。 消费类电子产品：从家庭的洗衣机、电冰箱、 个人数字助理(PDA)、 MP3 、数码相机、数码摄像机、电子表、烹调用的微波炉、天天必用的移动电话等等。 办公室设备：办公室里的电话机、打印机、传真机、远程会议系统等。 工业控制中的嵌入式系统。 汽车里的控制系统：供油喷射控制系统、防锁死刹车系统(ABS) 。5p 嵌入式系统应用实例嵌入式系统应用实例6p嵌入式系统在应用数量上远远超过了各种通用计算机。一台通用计算机的外部设备中就包含了510个嵌入式微处理器：键盘、硬盘、显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数码相机、集线器等，均是由嵌入式处理

3、器进行控制的。在制造工业、过程控制、通信、仪器、仪表、汽车、船舶、航空航天、军事装备、消费类产品等方面，嵌入式系统都有用武之地。美国汽车大王福特公司的高级经理曾宣称：“福特出售的计算能力已超过了IBM。”由此可以想像嵌入式计算机工业的规模和广度。资料显示，年世界的产量达83亿片，用于通用计算机的只有3亿片，其余80亿片均用于嵌入式系统7112 嵌入式系统组成嵌入式系统嵌入式系统嵌入式处理器嵌入式处理器外围设备外围设备嵌人式操作系统嵌人式操作系统嵌入式系统应用软件嵌入式系统应用软件81嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器的最大不同点在于其工作在为特定用户群设计

4、的系统中。嵌入式处理器通常把通用计算机中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计的小型化，并具有高效率、高可靠性等特征。现今市面上有1 000多种嵌入式处理器芯片，其中使用最为广泛的有ARM、MIPS、PowerPC、MC68000等。92外围设备外围设备是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器以外用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可分为以下3类： 存储器： SRAM、 DRAM、Flash。其中，Flash以可擦写次数多、存储速度快、容量大及价格低等优点在嵌入式领域得到了广泛的应用。 接口：应用最为广泛的包括并口、串口、红外接口、SPI

5、串行外围设备接口、I2C(Inter IC)总线接口、USB通用串行总线接口、Ethernet网口等。 人机交互：LCD、键盘和触摸屏等人机交互设备。 10 3嵌入式操作系统p 嵌入式操作系统可以使嵌入式开发更方便、快捷。其软件模块的集合，用以管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定时器响应，以及提供多任务处理等。p 嵌入式操作系统的引人大大提高了嵌入式系统的功能，方便了应用软件的设计，但同时也占用了宝贵的嵌入式系统资源。p 一般在比较大型或需要多任务的应用场合才考虑使用嵌入式操作系统。p 嵌入式操作系统常常有实时要求。 114应用软件（1）基本了解p 嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业

6、领域，基于相应的嵌入式硬件平台，并能完成用户预期任务的计算机软件。p 用户的任务可能有时间和精度的要求。p 有些应用软件需要嵌人式操作系统的支持，但在简单的应用场合下不需要专门的操作系统。p 由于对成本十分敏感，为减少系统成本，除了精简每个硬件单元的成本外，应尽可能地减少应用软件的资源消耗，尽可能地优化。 12（2）嵌入式软件的特点：p 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器中。p 软件代码要求高质量、高可靠性。因此，程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码的长度，提高执行速度。p 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每

7、个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是低效和无法完成的。这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成。系统软件的高实时性是基本要求。p 随着嵌入式应用的深入和普及，涉及到的实际应用环境越来越复杂，嵌入式软件也越来越复杂。支持多任务的实时操作系统成为嵌入式软件必需的系统软件 13p典型嵌入式系统基本组成典型嵌入式系统基本组成硬件硬件 电源电源模块模块外围电路外围电路RAMFlash复位复位时钟时钟ROM微处理器微处理器MPUUSBLCD键盘键盘其他其他外设外设14p典型嵌入式系统基本组成典型嵌入式系统基本组成软件软件 软件软件结构结构操作系统操作系统存储器存储器处理器处理器应用程序应用程序

8、硬件硬件结构结构输出输出输入输入15113 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 p 嵌入式系统与通用计算机系统相比具有以下特点： 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体工艺、电子技术和通信网络技术与各领域的具体应用相结合的产物。这一特点决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 嵌入式系统通常面向特定应用，集成度高、低功耗、小体积、低成本等，便于嵌入式系统设计的小型化、专业化，使移动能力大大增强，与网络的耦合也越来越紧密。 嵌入式系统与具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也与具体产品同步进行。因此，嵌入式系统产品一旦进入市场，一般具有较长的生命周期。 嵌入式系统的

9、硬件和软件都必须高效率地设计，在保证稳定、安全、可靠的基础上量体裁衣，去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。这样，才能最大限度地降低应用成本。在具体应用中，对处理器的选择决定了其市场竞争力。16 嵌入式系统常常还有减小功耗的要求。这一方面是为了省电，另一方面是要减少发热量。 可靠性与稳定性对于嵌入式系统有着特别重要的意义。 嵌入式系统提供的功能以及面对的应用和过程都是预知的、相对固定的专用系统，一般而言，嵌入式系统对CPU计算能力的要求并不像通用计算机那么高。 许多嵌入式系统都有实时要求，需要有对外部事件迅速作出反应的能力。特别是在操作系统中有所反映，从而使嵌入式软件的开发与常规软件

10、的开发出现显著的区别。典型的嵌人式实时操作系统与常规的操作系统也有着显著的区别，并因而成为操作系统的一个重要分支和一个独特的研究方向。 嵌入式系统本身不具备自举开发能力。必须有一套交叉开发工具和环境才能进行开发。 通用计算机的开发人员通常是计算机科学或者计算机工程方面的专业人士，而嵌入式系统 开发人员却往往是各个应用领域中的专家，这就要求嵌入式系统所支持的开发工具易学、易用、可靠、高效。 17p 现在人们谈及嵌入式系统时，某种程度上指近些年比较热门、具有操作系统的嵌入式系统。归纳嵌入式系统的几个特点如下： 软硬件一体化，集计算机技术、微电子技术和行业技术为一体； 需要操作系统支持，代码小，执行

11、速度快； 专用紧凑，用途固定，成本敏感； 可靠性要求高； 多样性，应用广泛，种类繁多。 181 11 14 4 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用 嵌入式系统主要用于各种信号处理与控制，嵌入式系统主要用于各种信号处理与控制，目前已在国防、国民经济及社会生活各领域普及目前已在国防、国民经济及社会生活各领域普及应用，用于企业、军队、办公室、实验室以及个应用，用于企业、军队、办公室、实验室以及个人家庭等各种场所。人家庭等各种场所。 19p军用：军用：各种武器控制：坦克、舰艇、轰炸机等陆海各种武器控制：坦克、舰艇、轰炸机等陆海空各种军用电子装备；雷达、电子对抗军事通空各种军用电子装备；雷达、电子对抗军事

12、通信装备，野战指挥作战用各种专用设备等。我信装备，野战指挥作战用各种专用设备等。我国嵌入式计算机最早用于导弹控制。国嵌入式计算机最早用于导弹控制。 20212223p家用：家用：我国各种信息家电产品我国各种信息家电产品( (如数字电视机、机如数字电视机、机顶盒、数码相机、顶盒、数码相机、VCDVCDDVDDVD音响设备、可视电音响设备、可视电话、家庭网络设备、洗衣机、电冰箱、智能玩话、家庭网络设备、洗衣机、电冰箱、智能玩具等具等) )广泛采用微处理器、微控制器及嵌入式软广泛采用微处理器、微控制器及嵌入式软件，件，EMIT(EMIT(嵌入式嵌入式InternetInternet技术技术) )已用

13、于社区对已用于社区对家用电、水、煤气表远程抄表以及洗衣机遥控。家用电、水、煤气表远程抄表以及洗衣机遥控。 2425p 工业用：工业用：各种智能测量仪表、数控装置、可编程控各种智能测量仪表、数控装置、可编程控制器、控制机、分布式控制系统、现场总线仪制器、控制机、分布式控制系统、现场总线仪表及控制系统、工业机器人、机电一体化机械表及控制系统、工业机器人、机电一体化机械设备、汽车电子设备等。广泛采用微处理器和设备、汽车电子设备等。广泛采用微处理器和控制器芯片级、标准总线的模板级、嵌入式计控制器芯片级、标准总线的模板级、嵌入式计算机系统级的嵌入式系统。算机系统级的嵌入式系统。26 工 业 控 制27p

14、 商用：各类收款机、POS系统、电子秤、条形码阅读机、商用终端、银行点钞机、IC卡输入设备、取款机、自动柜员机、自动服务终端、防盗系统、各种银行专业外围设备等。28p办公用：复印机、打印机、传真机、扫描仪、激光照排系统、安全监控设备、手机、寻呼机、个人数字助理(PDA)、变频空调设备、通信终端、程控交换机、网络设备、录音录像及电视会议设备、数字音频广播系统等。29p 医用电子设备：医用电子设备：各种医疗电子仪器，如各种医疗电子仪器，如X X光机、超声诊断仪、光机、超声诊断仪、计算机断层成像系统、心脏起搏器、监护仪、计算机断层成像系统、心脏起搏器、监护仪、辅助诊断系统、专家系统等。辅助诊断系统、

15、专家系统等。 30医用机器人技术平台3132p 嵌入式系统应用最热门的有以下几种：嵌入式系统应用最热门的有以下几种： 个人数字助理个人数字助理PDAPDA。它具有网络、多媒体等强大的功能，。它具有网络、多媒体等强大的功能，一般都预装操作系统。例如一般都预装操作系统。例如Microsoft Microsoft 公司的公司的PocketPCPocketPC操作系统。现在，操作系统。现在，PDAPDA手机已成为新的热点。手机已成为新的热点。 机顶盒机顶盒STBSTB。所谓的机顶盒。所谓的机顶盒STB(SetTopBox)STB(SetTopBox)，表面上理解，表面上理解只是放在电视机上的盒子，能提

16、供通过电视机直接上网只是放在电视机上的盒子，能提供通过电视机直接上网的功能。但它更吸引入的地方在于简单易用，是专为那的功能。但它更吸引入的地方在于简单易用，是专为那些不很了解电脑的人设计的。现今用户端机顶盒的趋势些不很了解电脑的人设计的。现今用户端机顶盒的趋势是朝微型电脑发展，即逐渐集成电视和电脑的功能，成是朝微型电脑发展，即逐渐集成电视和电脑的功能，成为一个多功能服务的工作平台。为一个多功能服务的工作平台。 IPIP电话。电话。IPIP电话电话(IP Phone)(IP Phone)把电话网和把电话网和InternetInternet结合成结合成一个功能强大的通信网络，在一个功能强大的通信网

17、络，在IPIP网络上实时传输被压缩网络上实时传输被压缩的语音信息。的语音信息。IPIP电话以数字形式作为传输媒体，占用资电话以数字形式作为传输媒体，占用资源小，所以成本很低，价格便宜。源小，所以成本很低，价格便宜。33社会对嵌入式系统的需求正在慢慢扩大，特别是最近几年随着国际互联网的发展，从PC时代步入到后PC时代，对信息家电的需求越来越明显。嵌入式系统在信息家电的应用，是对嵌入式系统概念和应用范围的一个变革，从而打破了过去PC时代被单一微处理器厂家和单一操作系统厂家垄断的旧局面，出现了一个由多芯片、多处理器占领市场的新局面。 34115 实时系统的概念实时系统的概念p实时系统实时系统(Rea

18、l Time System)(Real Time System)是指产生系统输是指产生系统输出的时间对系统至关重要的系统。出的时间对系统至关重要的系统。p实时系统是在逻辑和时序控制中，如果出现超实时系统是在逻辑和时序控制中，如果出现超时偏差，将会引起严重后果的系统。时偏差，将会引起严重后果的系统。 p实时逻辑的正确性不仅依赖于计算结果的正确实时逻辑的正确性不仅依赖于计算结果的正确性，还取决于输出结果的响应时间。实时系统性，还取决于输出结果的响应时间。实时系统要求从输入到输出的滞后时间必须小到一个可要求从输入到输出的滞后时间必须小到一个可以接受的时限内。以接受的时限内。p实时系统是一个能够在指定

19、的时间内完成系统实时系统是一个能够在指定的时间内完成系统功能以及对外部或内部事件在同步或异步时间功能以及对外部或内部事件在同步或异步时间内做出响应的系统。内做出响应的系统。35p 实时系统应具备的几个重要特性：实时系统应具备的几个重要特性： 实时性。实时性。在实时系统中，每个任务都有一个截止在实时系统中，每个任务都有一个截止期限，任务必须在这个截止期限之前完成，以保期限，任务必须在这个截止期限之前完成，以保证系统所产生的结果在时间上的正确性。证系统所产生的结果在时间上的正确性。 并行性。并行性。要求系统具有并行处理的能力，以便能要求系统具有并行处理的能力，以便能同时响应来自不同端口的输入信号。

20、同时响应来自不同端口的输入信号。 多路性。多路性。实时系统的多路性表现在对多个不同的实时系统的多路性表现在对多个不同的现场信息进行采集，以及对多个对象和多个执行现场信息进行采集，以及对多个对象和多个执行机构实行控制。机构实行控制。 36 独立性。独立性。每个用户向实时系统提出服务请求，相每个用户向实时系统提出服务请求，相互间是独立的。在实时控制系统中对信息的采集互间是独立的。在实时控制系统中对信息的采集和对象控制也是相互独立的。和对象控制也是相互独立的。 可预测性。可预测性。实时系统的实际行为必须处在一定的实时系统的实际行为必须处在一定的限度内，而这个限度可以由系统的定义而获得。限度内，而这个

21、限度可以由系统的定义而获得。这意味着系统对来自外部输入的反应必须是全部这意味着系统对来自外部输入的反应必须是全部可预测的，即使在最坏的条件下，系统也要严格可预测的，即使在最坏的条件下，系统也要严格遵守时间的约束。因此，在出现过载时，系统必遵守时间的约束。因此，在出现过载时，系统必须能以一种可预测的方式来降级它的性能。须能以一种可预测的方式来降级它的性能。 可靠性。可靠性。可靠性一方面指系统的正确性，即系统可靠性一方面指系统的正确性，即系统所产生的结果在返回值和运行费时上都是正确的；所产生的结果在返回值和运行费时上都是正确的；另一方面指系统的健壮性，也就是说，虽然系统另一方面指系统的健壮性，也就

22、是说，虽然系统出现了错误，或外部环境与预先假定的外部环境出现了错误，或外部环境与预先假定的外部环境不符合，但系统仍然可以处于可预测状态，仍可不符合，但系统仍然可以处于可预测状态，仍可以安全地带错运行和平缓地降级。以安全地带错运行和平缓地降级。37p 衡量系统实时性的衡量系统实时性的3个指标：个指标： 响应时间响应时间(Response Time)(Response Time)：指计算机从识别一：指计算机从识别一个外部事件到做出响应的时间。个外部事件到做出响应的时间。 生存时间生存时间(Survival Time)(Survival Time)：指数据的有效等待：指数据的有效等待时间，在这段时间

23、里数据是有效的。时间，在这段时间里数据是有效的。 吞吐量吞吐量(Throughput)(Throughput)：指在一段给定时间内，：指在一段给定时间内，系统可以处理事件的总数。吞吐量通常比平均系统可以处理事件的总数。吞吐量通常比平均响应时间的倒数小一点。响应时间的倒数小一点。38p实时系统根据响应时间可分为实时系统根据响应时间可分为3种类型：种类型： 强实时系统：强实时系统：在强实时系统中，各任务不仅要保证执行过在强实时系统中，各任务不仅要保证执行过程和结果的正确，同时还要保证在系统能够允许的时间内程和结果的正确，同时还要保证在系统能够允许的时间内完成任务，否则将造成灾难性的后果。这对于实时

24、控制领完成任务，否则将造成灾难性的后果。这对于实时控制领域的软硬件系统来说是至关重要的。它的响应时间在域的软硬件系统来说是至关重要的。它的响应时间在毫秒毫秒或微秒数量级或微秒数量级上。上。 弱实时系统：弱实时系统：弱实时系统中，各个任务运行得越快越好，弱实时系统中，各个任务运行得越快越好，但并没有严格限定某一任务必须在多长时间内完成。弱实但并没有严格限定某一任务必须在多长时间内完成。弱实时系统更多地关注软件运行的结果正确与否，而时间问题时系统更多地关注软件运行的结果正确与否，而时间问题不会造成灾难性的后果。一般它的响应时间可以是不会造成灾难性的后果。一般它的响应时间可以是数十秒数十秒或更长或更

25、长，可能随着系统的负载轻重而有所变化。，可能随着系统的负载轻重而有所变化。 一般实时系统：一般实时系统：一般实时系统是弱实时系统和强实时系统一般实时系统是弱实时系统和强实时系统的一种折衷。它的响应时间可以的一种折衷。它的响应时间可以在秒的数量级上在秒的数量级上，可广泛，可广泛应用于许多消费电子设备中。如应用于许多消费电子设备中。如PDAPDA、手机等都属于一般实、手机等都属于一般实时系统。时系统。39p 根据确定性实时系统可以分为以下两类：根据确定性实时系统可以分为以下两类： 硬实时。硬实时指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，就会引起系统崩溃或出现致命的错误。 软实时。

26、软实时指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，它并不会导致系统出现致命的错误或崩溃。401.2嵌入式处理器嵌入式处理器1 12 21 1 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器运行的硬件单元。目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过已经超过10001000种，流行的体系结构包括种，流行的体系结构包括MCUMCU、MPUMPU等等3030多个系多个系列，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。列，速度越来越快，性能越来越强，

27、价格也越来越低。嵌入式处理器可分为：嵌入式处理器可分为： 低端的微控制器低端的微控制器(Micro Controller Unit(Micro Controller Unit，MCU)MCU)； 中高端的嵌入式微处理器中高端的嵌入式微处理器(Embedded Micro (Embedded Micro Processor UnitProcessor Unit，EMPU)EMPU)； 通信领域的通信领域的DSPDSP处理器处理器(Digital Signal Processor)(Digital Signal Processor)； 高度集成的片上系统高度集成的片上系统(System on Ch

28、ip(System on Chip，SoC)SoC)。 41122 嵌入式微处理器嵌入式微处理器q 嵌入式微处理器嵌入式微处理器(Embedded Micro Processor Unit(Embedded Micro Processor Unit，EMPU)EMPU)是由通用计算机中的是由通用计算机中的CPUCPU演变而来的。演变而来的。q 在实际嵌入式应用中，嵌入式微处理器只保留与嵌入式应在实际嵌入式应用中，嵌入式微处理器只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他冗余功能部分，配上必用紧密相关的功能硬件，去除其他冗余功能部分，配上必要的扩展外围电路，如存储器的扩展电路、要的扩展外围电路

29、，如存储器的扩展电路、I IO O的扩展电的扩展电路和一些专用的接口电路等，这样就可以最低功耗和资源路和一些专用的接口电路等，这样就可以最低功耗和资源满足嵌入式应用的特殊要求。满足嵌入式应用的特殊要求。q 嵌入式微处理器虽然在功能上与标准微处理器基本相同，嵌入式微处理器虽然在功能上与标准微处理器基本相同，但一般在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面都做了各但一般在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面都做了各种增强。与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体种增强。与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、可靠性高等优点。积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。q 目前主要的嵌入

30、式处理器类型有目前主要的嵌入式处理器类型有ARMARM、MIPSMIPS、Aml86Aml868888、386EX386EX、PowerPCPowerPC、6800068000系列等。系列等。 42q 嵌入式微处理器一般具有以下特点：嵌入式微处理器一般具有以下特点： 嵌入式微处理器在设计中需要考虑低功耗，以满足靠电嵌入式微处理器在设计中需要考虑低功耗，以满足靠电池工作的便携式和无线应用中的低功耗要求。池工作的便携式和无线应用中的低功耗要求。 采用可扩展的处理器结构，以方便对应用的扩展。采用可扩展的处理器结构，以方便对应用的扩展。 具有功能很强的存储区保护功能。具有功能很强的存储区保护功能。 提

31、供丰富的调试功能。嵌入式系统的开发很多都是在交提供丰富的调试功能。嵌入式系统的开发很多都是在交叉调试中进行，丰富的调试接口会更便于对嵌入式系统叉调试中进行，丰富的调试接口会更便于对嵌入式系统的开发。的开发。 对实时多任务具有很强的支持能力。对实时多任务具有很强的支持能力。 处理器内部具有精确的振荡电路、丰富的定时器资源，处理器内部具有精确的振荡电路、丰富的定时器资源，从而有较强的实时处理能力。从而有较强的实时处理能力。 43123 微控制器微控制器v 微控制器微控制器(Micro Controller Unit(Micro Controller Unit，MCU)MCU)俗称单片机，俗称单片机

32、，它将整个计算机系统集成到一块芯片中。它将整个计算机系统集成到一块芯片中。v 微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成集成FlashFlash、RAMRAM、总线逻辑、定时器计数器、总线逻辑、定时器计数器、WatchDogWatchDog、I IO O、串行口、脉宽调制输出、串行口、脉宽调制输出、A AD D、D DA A等各种必要功能模块和外围部件。等各种必要功能模块和外围部件。v 80518051系列单片机是单片机教学的首选机型。系列单片机是单片机教学的首选机型。44v 为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种为适应不同

33、的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品。每种衍生产品的处理器内核都是相同的，不同衍生产品。每种衍生产品的处理器内核都是相同的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使不同的单片的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使不同的单片机适合不同的应用。机适合不同的应用。v 与微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积小，与微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积小，从而使功耗和成本下降，可靠性提高。从而使功耗和成本下降，可靠性提高。v 微控制器是目前嵌入式系统工业中的主流产品。微控制器微控制器是目前嵌入式系统工业中的主流产品。微控制器的片内资源一般比较丰富，适合于控制。的片内资

34、源一般比较丰富，适合于控制。45v 采用微控制器可以在相当程度上缩短产品的设计、开发、采用微控制器可以在相当程度上缩短产品的设计、开发、调试的时间，从而节约用于这些方面的开支。调试的时间，从而节约用于这些方面的开支。v 系统中芯片数量的减少，使整个系统的故障率就会降低。系统中芯片数量的减少，使整个系统的故障率就会降低。而且系统的体积也可以缩小。而且系统的体积也可以缩小。v 由于一些接口电路和功能模块与由于一些接口电路和功能模块与CPUCPU集成在同一块芯片上，集成在同一块芯片上，这些电路之间的连线长度就降到很小。对于一些高速系统，这些电路之间的连线长度就降到很小。对于一些高速系统，这是个很重要

35、的优点。这是个很重要的优点。 v 微控制器在品种数量上远远超过微处理器微控制器在品种数量上远远超过微处理器 46124 DSP处理器处理器v DSP(Digital Signal Processor)DSP(Digital Signal Processor)是数字信号处理器的缩写。是数字信号处理器的缩写。v DSPDSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合执行处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合执行DSPDSP算法，算法，编译效率和指令执行速度都较高。编译效率和指令执行速度都较高。v 在数字滤波、在数字滤波、FFTFFT、谱分析等方面，、谱分析等方面，DSPDSP算法正在大

36、量引入嵌入式领域。算法正在大量引入嵌入式领域。DSPDSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSPDSP功能，过渡到采用功能，过渡到采用DSPDSP处理器。处理器。v DSPDSP处理器有两个发展来源：处理器有两个发展来源： DSPDSP处理系统经过单片化、电磁兼容处理系统经过单片化、电磁兼容(EMC)(EMC)改造以及增加片上外设，改造以及增加片上外设，成为成为DSPDSP处理器，如处理器，如TITI公司的公司的TMS320C2000TMS320C2000C5000C5000等属于此范畴；等属于此范畴； 在通用单片机或在通用单片机或SoCSoC中增加中增

37、加DSPDSP协处理器，例如协处理器，例如IntelIntel公司的公司的MCSMCS296296和和Infineon(Siemens)Infineon(Siemens)的的TriCoreTriCore。v DSPDSP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TITI公司的公司的TMS320TMS320系列、系列、ADIADI公司的公司的ADSPglXXADSPglXX系列和系列和MotorolaMotorola公司的公司的DSP56000DSP56000系列。系列。471.2.5 1.2.5 片上系统片上系统p基本概念基本概念 结合许多功能模块，将整个系统做在一个芯片上，这结合许

38、多功能模块，将整个系统做在一个芯片上，这就是片上系统就是片上系统SoC(System on Chip)SoC(System on Chip)。 片上系统是基于片上系统是基于EDAEDA（电子设计自动化）技术和（电子设计自动化）技术和VLSIVLSI（超大规模集成电路）技术，以及半导体工艺技术的（超大规模集成电路）技术，以及半导体工艺技术的迅速发展。迅速发展。 将整个嵌入式系统集成到一块芯片中，应用系统电路将整个嵌入式系统集成到一块芯片中，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗，提高可靠性板将变得很简洁，对于减小体积和功耗，提高可靠性非常有利。非常有利。 嵌入式系统实现的最高形式是嵌入式

39、系统实现的最高形式是SoCSoC，而，而SoCSoC的核心技术的核心技术是是IPIP核核(Intellectual Property Core(Intellectual Property Core，知识产权核，知识产权核) )构件。构件。 48pSoCSoC设计要点设计要点 SoCSoC设计公司的标准库：各种通用处理器内核设计公司的标准库：各种通用处理器内核与许多其他嵌入式系统外设一样，构成与许多其他嵌入式系统外设一样，构成VLSIVLSI设设计中的标准器件库。计中的标准器件库。 标准器件库中的库元件用标准器件库中的库元件用VHDLVHDL等语言描述。等语言描述。 用户在用户在EDAEDA设计

40、平台下，只需定义出其整个应设计平台下，只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以用用系统，仿真通过后就可以用FPGAFPGA制作样品。制作样品。 一种全新的硬件设计模式：一种全新的硬件设计模式：EDAEDA软件加硬件调软件加硬件调试平台。试平台。 49 在在EDAEDA技术中把不同功能的电路模块称为技术中把不同功能的电路模块称为IPIP，这些，这些IPIP都都是经过实际制作并证明是正确的。在是经过实际制作并证明是正确的。在EDAEDA设计工具中把设计工具中把这些这些IPIP组织在一个组织在一个IPIP元件库中，供用户使用。元件库中，供用户使用。 IPIP核分为硬核、软核和固核，核分为硬核、软核

41、和固核， IPIP核是嵌入式技术的重核是嵌入式技术的重要支持技术。要支持技术。 嵌入式片上系统设计的关键是嵌入式片上系统设计的关键是IPIP核资源的利用。核资源的利用。 在设计嵌入式系统时，可以通过使用在设计嵌入式系统时，可以通过使用IPIP核技术完成系核技术完成系统硬件的设计。用户需要知道统硬件的设计。用户需要知道IPIP模块的功能和技术性模块的功能和技术性能。通过把不同的能。通过把不同的IPIP模块嵌在一个硅片上，就形成完模块嵌在一个硅片上，就形成完整的应用系统。整的应用系统。 IPIP技术极大地简化了技术极大地简化了SoCSoC的设计过程，缩短了设计时间，的设计过程，缩短了设计时间，因此

42、，已经成为目前电子系统设计重要的基本技术。因此，已经成为目前电子系统设计重要的基本技术。 50p SoC SoC的优点：的优点： 通过改变内部工作电压，降低芯片功耗。通过改变内部工作电压，降低芯片功耗。 减少芯片对外的引脚数，简化制造过程。减少芯片对外的引脚数，简化制造过程。 减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，加快微处理器数据处理的速度。传递，加快微处理器数据处理的速度。 内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成的系统杂讯时所造成的系统杂讯 511 12 26 6 典型的嵌入式处理器典型的嵌入式处理器1

43、 1ARMARM处理器处理器2 2MIPSMIPS处理器处理器 3 3PowerPCPowerPC处理器处理器 4 4MC68KMC68KC01dfireC01dfire处理器处理器5 5x86x86处理器处理器52pARMARM处理器有处理器有3 3大特点：大特点：小体积、低功耗、低成本而高性能；小体积、低功耗、低成本而高性能；16163232位双指令集；位双指令集；全球众多的合作伙伴。全球众多的合作伙伴。531.3 1.3 嵌入式操作系统嵌入式操作系统1 13 31 1 操作系统的概念和分类操作系统的概念和分类p 操作系统操作系统OS(OperationSystem)OS(Operatio

44、nSystem)是一组计算机程是一组计算机程序的集合；序的集合；p OSOS用来有效地控制和管理计算机的硬件和软件用来有效地控制和管理计算机的硬件和软件资源，并为用户提供方便的应用接口。资源，并为用户提供方便的应用接口。p 为应用软件提供运行环境，为程序开发者提供功为应用软件提供运行环境，为程序开发者提供功能强、使用方便的开发环境。能强、使用方便的开发环境。54从资源管理的角度，操作系统主要包含如下功能：从资源管理的角度，操作系统主要包含如下功能：处理器管理处理器管理对处理器进行分配，并对其运行进行有效的控对处理器进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。制和管理。在多任务环境下，合理分配由任

45、务共享的处理在多任务环境下，合理分配由任务共享的处理器，使器，使CPUCPU能满足各程序运行的需要，提高处能满足各程序运行的需要，提高处理器的利用率，并能在恰当的时候收回分配给理器的利用率，并能在恰当的时候收回分配给某任务的处理器。某任务的处理器。处理器的分配和运行都是以进程为基本单位进处理器的分配和运行都是以进程为基本单位进行的，因此，对处理器的管理可以归结为对进行的，因此，对处理器的管理可以归结为对进程的管理。程的管理。55存储器管理。存储器管理。存储器管理的主要任务是为多道程序的运行提供良好存储器管理的主要任务是为多道程序的运行提供良好的环境；的环境；存储器管理包括内存分配、内存保护、地

46、址映射、内存储器管理包括内存分配、内存保护、地址映射、内存扩充。例如：存扩充。例如： 为每道程序分配必要的内存空间，使它们各得其所，为每道程序分配必要的内存空间，使它们各得其所，且不致因互相重叠而丢失信息；且不致因互相重叠而丢失信息； 不因某个程序出现异常而破坏其他程序的运行；不因某个程序出现异常而破坏其他程序的运行； 方便用户使用存储器，并能从逻辑上扩充内存方便用户使用存储器，并能从逻辑上扩充内存等。等。56设备管理。设备管理。完成用户提出的设备请求，为用户分配完成用户提出的设备请求，为用户分配I IO O设备；提设备；提高高CPUCPU和和I IO O的利用率；提高的利用率；提高I IO

47、O速度，方便用户使用速度，方便用户使用I IO O设备。设备。设备管理包括缓冲管理、设备分配、设备处理、形成设备管理包括缓冲管理、设备分配、设备处理、形成虚拟逻辑设备等。虚拟逻辑设备等。57文件管理。文件管理。文件管理的主要任务就是对系统文件和用户文件进行文件管理的主要任务就是对系统文件和用户文件进行管理，方便用户的使用，保证文件的安全性。管理，方便用户的使用，保证文件的安全性。文件管理包括对文件存储空间的管理、目录管理、文文件管理包括对文件存储空间的管理、目录管理、文件的读写管理以及文件的共享与保护等。件的读写管理以及文件的共享与保护等。 58用户接口。用户接口。用户与操作系统的接口是用户能

48、方便地使用操作系统用户与操作系统的接口是用户能方便地使用操作系统的关键。的关键。用户可以用命令形式（例如用户可以用命令形式（例如DOSDOS命令）、系统调用命令）、系统调用( (例例如如DOSDOS功能调用功能调用) )形式与系统打交道。形式与系统打交道。图形用户接口图形用户接口(GUl)(GUl)，用非常容易识别的图标将系统的，用非常容易识别的图标将系统的各种功能、各种应用程序和文件直观地表示出来，用各种功能、各种应用程序和文件直观地表示出来，用户可以通过鼠标来取得操作系统的服务。户可以通过鼠标来取得操作系统的服务。 59p 按程序运行调度的方法，可以将计算机操按程序运行调度的方法，可以将计

49、算机操作系统分为以下几种类型：作系统分为以下几种类型： 顺序执行系统。顺序执行系统。 分时操作系统。分时操作系统。 实时操作系统。实时操作系统。60顺序执行系统。顺序执行系统。系统内只含一个运行程序。它独占系统内只含一个运行程序。它独占CPU时时间，按语句顺序执行该程序，直至执行完毕，间，按语句顺序执行该程序，直至执行完毕，另一程序才能启动运行。另一程序才能启动运行。DOS操作系统就属于操作系统就属于这种系统。这种系统。61分时操作系统。分时操作系统。系统内同时可有多道程序运行。所谓同时，只是从系统内同时可有多道程序运行。所谓同时，只是从宏观上来看，实际上系统把宏观上来看，实际上系统把CPUC

50、PU的时间按顺序分成若干时的时间按顺序分成若干时间片，每个时间片内执行不同的程序。这类系统支持多间片，每个时间片内执行不同的程序。这类系统支持多用户，当今广泛用于商业、金融领域。用户，当今广泛用于商业、金融领域。UnixUnix操作系统即操作系统即属于这种系统。属于这种系统。 62实时操作系统。实时操作系统。系统内同时有多道程序运行，每道程序各有系统内同时有多道程序运行，每道程序各有不同的优先级，操作系统按事件触发使程序不同的优先级，操作系统按事件触发使程序运行。运行。当多个事件发生时，系统按优先级高低来确当多个事件发生时，系统按优先级高低来确定哪道程序在此时此刻占有定哪道程序在此时此刻占有C

51、PUCPU，以保证优先，以保证优先级高的事件、实时信息及时被采集。级高的事件、实时信息及时被采集。实时操作系统是操作系统的一个分支，也是实时操作系统是操作系统的一个分支，也是最复杂的一个分支。最复杂的一个分支。 63p 从应用的角度来看，嵌入式操作系统可以分为：从应用的角度来看，嵌入式操作系统可以分为：面向低端信息家电的嵌入式操作系统；面向低端信息家电的嵌入式操作系统；面向高端信息家电面向高端信息家电( (如数字电视等如数字电视等) )的嵌入式操作系统；的嵌入式操作系统；面向个人通信终端的嵌入式操作系统；面向个人通信终端的嵌入式操作系统；面向通信设备的嵌入式操作系统；面向通信设备的嵌入式操作系

52、统；面向汽车电子的嵌入式操作系统；面向汽车电子的嵌入式操作系统；面向工业控制的嵌入式操作系统。面向工业控制的嵌入式操作系统。64p 从实时性的角度，嵌入式操作系统可分为：从实时性的角度，嵌入式操作系统可分为：具有强实时特点的嵌入式操作系统；具有强实时特点的嵌入式操作系统；具有弱实时特点的嵌入式操作系统；具有弱实时特点的嵌入式操作系统；没有实时特点的嵌入式操作系统。没有实时特点的嵌入式操作系统。为了较好地了解操作系统的功能，一下介绍几个关于操作系统的基本概念： 651任务、进程和线程任务、进程和线程p任务：任务是指一个程序分段，这个分段被操作系统当任务：任务是指一个程序分段，这个分段被操作系统当

53、作一个基本工作单元来调度。作一个基本工作单元来调度。p进程：进程是指任务的一次运行过程，它是动态过程。进程：进程是指任务的一次运行过程，它是动态过程。有些操作系统把任务和进程等同看待，认为任务是一个有些操作系统把任务和进程等同看待，认为任务是一个动态过程，即执行任务体的动态过程。动态过程，即执行任务体的动态过程。p线程：比进程更小的、能独立运行和调度的基本单位。线程：比进程更小的、能独立运行和调度的基本单位。 662 2多用户及多任务多用户及多任务p多用户的含义：允许多个用户通过各自的多用户的含义：允许多个用户通过各自的终端终端使用同一台主机，共享同一个操作系统及各种使用同一台主机，共享同一个

54、操作系统及各种系统资源。系统资源。p多任务的含义：每个用户的应用程序可以设计多任务的含义：每个用户的应用程序可以设计成不同的任务，这些任务可以并发执行。成不同的任务，这些任务可以并发执行。p多用户及多任务系统可以提高系统的吞吐量，多用户及多任务系统可以提高系统的吞吐量，更有效地利用系统资源。更有效地利用系统资源。 673任务的驱动方式任务的驱动方式图13 任务及其驱动方式任务任务实时任务实时任务非实时任务非实时任务事件驱动事件驱动时间驱动时间驱动外部事件；开关量输入等外部事件；开关量输入等内部事件：运算结果、设备请求等内部事件：运算结果、设备请求等相对时间驱动相对时间驱动绝对时间驱动绝对时间驱

55、动68p 内部事件驱动：内部事件驱动： 内部事件驱动是指某一程序运行的结果导致另一内部事件驱动是指某一程序运行的结果导致另一任务的启动。任务的启动。 运行结果可能是数据满足一定条件；运行结果可能是数据满足一定条件； 或数据超出某一极限值；或数据超出某一极限值； 也可能是释放了某一资源，也可能是释放了某一资源，例如得到了某一设备而例如得到了某一设备而使任务得到运行环境使任务得到运行环境。 内部事件驱动的任务一般属于同步（时间相关）内部事件驱动的任务一般属于同步（时间相关）任务范畴。任务范畴。 69p 外部事件驱动外部事件驱动： 最典型的实时任务是由外部事件驱动的。最典型的实时任务是由外部事件驱动

56、的。 外部事件常指工业现场状态发生变化或出现异常，外部事件常指工业现场状态发生变化或出现异常， 外部事件发生时，外部事件发生时，CPUCPU将中断正在执行的任务而优先响将中断正在执行的任务而优先响应外部请求，立即执行对应于该请求的中断服务任务。应外部请求，立即执行对应于该请求的中断服务任务。 在实时系统中，外部事件的发生是不可预测的，由外部在实时系统中，外部事件的发生是不可预测的，由外部事件驱动的任务是最重要的任务，其优先级最高。事件驱动的任务是最重要的任务，其优先级最高。 键入命令也是一种外部事件，但与现场状态变化相比，键入命令也是一种外部事件，但与现场状态变化相比，它的实时性要求要低得多，

57、通常把这类任务安排在后台它的实时性要求要低得多，通常把这类任务安排在后台作业中。作业中。70p 由时间驱动的任务有两种：由时间驱动的任务有两种： 绝对时间驱动：绝对时间驱动是指监控系统在某指定时刻绝对时间驱动：绝对时间驱动是指监控系统在某指定时刻执行的指定任务。在网络系统中有些数据交换、控制命令执行的指定任务。在网络系统中有些数据交换、控制命令是以绝对时间为基准执行的。监控系统需要与卫星、电视是以绝对时间为基准执行的。监控系统需要与卫星、电视台对时，就是为了与外部绝对时间同步。台对时，就是为了与外部绝对时间同步。 相对时间驱动：相对时间驱动是指周期性执行的任务，总相对时间驱动：相对时间驱动是指

58、周期性执行的任务，总是相对上一次执行时间计时，等待时间是编程设定的，相是相对上一次执行时间计时，等待时间是编程设定的，相对时间可用计算机内部时钟或软时钟计时。对时间可用计算机内部时钟或软时钟计时。714中断与中断优先级中断与中断优先级q 相关概念相关概念: :v 中断中断: :中断是计算机中硬件系统与软件系统共同提中断是计算机中硬件系统与软件系统共同提供的功能。供的功能。v 中断源中断源: :系统中所有中断控制器一共可以连接几个系统中所有中断控制器一共可以连接几个外部信号，则称系统有几个中断源。外部信号，则称系统有几个中断源。v 中断优先级：操作系统对每个中断级指定了优先中断优先级：操作系统对

59、每个中断级指定了优先级，在多个中断源同时发出申请时，级，在多个中断源同时发出申请时，CPUCPU按优先级按优先级的高低顺序处理。的高低顺序处理。v 中断处理程序中断处理程序: :与每个中断源对应的处理程序叫着与每个中断源对应的处理程序叫着中断处理程序。中断处理程序。72q 中断的执行：中断的执行：vCPUCPU接到请求后，先仲裁该中断源的优先级是否比接到请求后，先仲裁该中断源的优先级是否比当前正在执行的任务优先级更高。若更高，则中断当前正在执行的任务优先级更高。若更高，则中断当前正在执行的程序而转向执行对应于该外部信号当前正在执行的程序而转向执行对应于该外部信号的中断处理程序。的中断处理程序。

60、v中断处理程序不宜太长，因而有些系统中，每个中中断处理程序不宜太长，因而有些系统中，每个中断处理程序还可对应一个任务入口，使中断发生时断处理程序还可对应一个任务入口，使中断发生时执行任务中的代码，以便得到更多处理。这一任务执行任务中的代码，以便得到更多处理。这一任务提交给操作系统作为任务调度。提交给操作系统作为任务调度。v与中断级对应、由外部事件驱动的任务称为中断任与中断级对应、由外部事件驱动的任务称为中断任务。务。 v中断源及中断优先级是实时系统赖以工作的基础。中断源及中断优先级是实时系统赖以工作的基础。73q 实时操作系统中的任务调度实时操作系统中的任务调度v实时操作系统中，每个任务对应一