第1章嵌入式系统概述

1、嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用电气工程系 高辉办公室：图书馆166电气工程系Email：课程简介课程简介 课程性质（考试课程性质（考试-闭卷）闭卷） 课时安排：课时安排：36（理论知识）（理论知识）+12（上机）（上机） 成绩评定：成绩评定： 期末（期末（50%）实验（）实验（20%）平时（）平时（30%） 教材：教材：1. 高锋高锋 单片微型计算机原理与接口技术单片微型计算机原理与接口技术(第第3版版) 科科学出版社学出版社2. 顾亦然顾亦然 等等 嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用 自编教材自编教材 参考书：参考书：金敏金敏 等等 嵌入式系统嵌入式系统组成、原理与设组成、原理与设计编程计编

2、程 人民邮电出版社人民邮电出版社课程内容课程内容u 第一部分第一部分 80S51单片机（单片机（21+4）课时）课时 基本结构基本结构 指令系统与程序设计指令系统与程序设计 中断系统、定时器中断系统、定时器/计数器及串行口计数器及串行口 单片机系统扩展与系统综合应用实例单片机系统扩展与系统综合应用实例 u 第二部分第二部分 嵌入式系统（嵌入式系统（15+8）课时）课时 硬件基础硬件基础 软件基础软件基础 ARM体系结构体系结构 ARM指令集与程序设计指令集与程序设计 嵌入式系统开发基础嵌入式系统开发基础第第1章章 嵌入式系统概述嵌入式系统概述 n1.1 嵌入式系统的发展及应用嵌入式系统的发展及

3、应用 n1.2 嵌入式系统的定义、组成与特点嵌入式系统的定义、组成与特点 n1.3 嵌入式系统的种类嵌入式系统的种类 n1.4 单片机概述单片机概述n1.5 本章小结、习题本章小结、习题1.1 嵌入式系统的发展及应用嵌入式系统的发展及应用 n 计算机系统的分类计算机系统的分类 n 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况n 嵌入式系统的发展史嵌入式系统的发展史1.1.1 计算机系统的分类计算机系统的分类图图1-1 传统计算机传统计算机系统系统分类金字塔分类金字塔 微型计算机微型计算机 小小 型型 机机 中型机中型机 大型机大型机 超级计算机超级计算机 1传统计算机分类传统计算机分类n 通用计算

4、机通用计算机系统系统: :具有计算机的标准形态具有计算机的标准形态，可以装配不同的应用软件可以装配不同的应用软件，以以雷同面目出现并应用在各个雷同面目出现并应用在各个领域。领域。n 嵌入式嵌入式( (计算机计算机) )系统系统: :以嵌入的形式隐藏在各种以嵌入的形式隐藏在各种设备设备、产品、产品或或系统中系统中。2以应用为中心的分类以应用为中心的分类1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况 1在应用数量上在应用数量上嵌入式嵌入式系统系统远远远远超超过了通用计算机过了通用计算机系统系统n 平均每个家庭使用平均每个家庭使用40个嵌入式处理器个嵌入式处理器n 平均每个汽车需要平均每个汽车

5、需要35 个嵌入式处理器个嵌入式处理器n 2001年，年，Gartner估计存在估计存在70亿嵌入式处理器亿嵌入式处理器 70亿嵌入式处理器占据了亿嵌入式处理器占据了94% 处理器市场处理器市场n Intel Pentium、Motorola PowerPC等通用处理等通用处理器，仅占器，仅占6%的处理器市场的处理器市场1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况 2在应用领域方面在应用领域方面图图1-2 1-2 常见消费类产品常见消费类产品n 消费产品消费产品 (Consumer Product) 图图1-3 1-3 智能消费类产品智能消费类产品 图图1-4 1-4 工程机械智能控制

6、器工程机械智能控制器 n 工业工业控制控制 (Industry Control) (Industry Control) 图图1-5 1-5 汽车电子产品汽车电子产品图图1-6 1-6 地震中救命的通信设备地震中救命的通信设备n 通信设备通信设备 (Telecommunication)(Telecommunication)图图1-7 1-7 穿刺肿瘤医疗仪器穿刺肿瘤医疗仪器 n 智能仪器智能仪器 ( (Intelligent Instrument)Intelligent Instrument)图图1-8 1-8 智能玩具机器人智能玩具机器人 n 机器人机器人 ( (Robot)Robot) 图图

7、1-9 1-9 基于基于Win CEWin CE的移动机器人平台的移动机器人平台 图图1-10 1-10 基于基于RTLinuxRTLinux的仿人机器人的仿人机器人 图图1-11 19971-11 1997年年4 4月在火星表面登陆的火星探测器（基于月在火星表面登陆的火星探测器（基于VxWorksVxWorks）图图1-12 20041-12 2004年年 “勇气号勇气号”再次登陆火星再次登陆火星 图图1-14 1-14 阿富汗战争中的军事电子设备阿富汗战争中的军事电子设备 n 军事电子设备和现代武器军事电子设备和现代武器图图1-15 1-15 军用机器人军用机器人（20022002年年11

8、11月月2828日，以色列一举投票点发生枪击事件，造成至少日，以色列一举投票点发生枪击事件，造成至少7 7人死亡、数人死亡、数十人受伤。以警方用机器人在检查一具巴勒斯坦枪手的尸体）十人受伤。以警方用机器人在检查一具巴勒斯坦枪手的尸体） 图图1-16 1-16 高性能武器平台高性能武器平台 图图1-17 1-17 高性能武器平台高性能武器平台图图1-18 1-18 太空科学太空科学n 太空科学太空科学自助点菜系统自助点菜系统自助点菜系统 嵌入式系统前景广阔嵌入式系统前景广阔n社会社会 新的电子产品，尤其消费电子产品发展及新的电子产品，尤其消费电子产品发展及其迅速！其迅速！ 嵌入式市场广阔，但人才

9、短缺嵌入式市场广阔，但人才短缺n学生学生 嵌入式系统需要软硬件综合知识嵌入式系统需要软硬件综合知识 需要更全面的系统知识和领域知识需要更全面的系统知识和领域知识 更容易找到工作更容易找到工作1.1.3 嵌入式系统的发展史嵌入式系统的发展史1二十世纪七十年代二十世纪七十年代 n 1971年年11月，世界上第一片微处理器月，世界上第一片微处理器Intel 4004 嵌入式应用发展最重要的嵌入式应用发展最重要的里程碑里程碑。n 其后相继推出了许多其后相继推出了许多8位、位、16位的微处理器位的微处理器Intel 8080/8085、 8086Motorola 6800、68000Zilog Z80、

10、Z8000n系列化、模块化的单板计算机系列化、模块化的单板计算机 2 2二十世纪八十年代二十世纪八十年代 n 8080年代初，出现了年代初，出现了单片机单片机nIntelIntel进一步完善了进一步完善了80488048，在它的基础上研制成，在它的基础上研制成功了功了80518051单片机单片机n其后发展的其后发展的 DSP DSP 产品更快地提升了嵌入式系统产品更快地提升了嵌入式系统的技术水平的技术水平n 1981年，第年，第1个商业嵌入式实时内核个商业嵌入式实时内核(VTRX32)n 随后，出现了一些嵌入式操作系统随后，出现了一些嵌入式操作系统1.2 嵌入式系统的定义、组成与特点嵌入式系统

11、的定义、组成与特点 n 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义 n 嵌入式系统的组成与体系结构嵌入式系统的组成与体系结构 n 嵌入式系统的基本特征嵌入式系统的基本特征1.2.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义 1IEEE的定义的定义 【定义定义1-1】嵌入式系统是一种用于控制、监视嵌入式系统是一种用于控制、监视或者辅助操作机器设备的装置或者辅助操作机器设备的装置（Devices used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plants）【定义定义1-2】嵌入式系统是以嵌入式应用为目的嵌入式系统是

12、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。的计算机系统，可分为系统级、板级、片级。 n系统级：各种类型的工控机系统级：各种类型的工控机n板板 级：各种类型的带级：各种类型的带CPU的主板、的主板、PC104n片片 级：各种以单片机、级：各种以单片机、DSP、微处理器、微处理器 为核心的产品为核心的产品2微机学会的定义微机学会的定义【定义定义1-3】嵌入式系统（嵌入式系统（Embedded System）是是以应用为中心以应用为中心、以计算机技术为基础以计算机技术为基础、软件软件硬件可裁剪硬件可裁剪、对功能、可靠性、成本、体积、对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求功耗严格要求

13、的专用计算机系统。的专用计算机系统。3一般定义一般定义1.2.2 嵌入式系统的组成与体系结构嵌入式系统的组成与体系结构 1 1嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成图图1-19 1-19 嵌入式系统组成嵌入式系统组成 2 2嵌入式系统的体系结构框架嵌入式系统的体系结构框架图图1-20 嵌入式系统体系结构框架嵌入式系统体系结构框架 1.2.3 嵌入式系统的基本特征嵌入式系统的基本特征 专用性专用性 小型化与有限资源小型化与有限资源 系统软硬件设计的协同一体化系统软硬件设计的协同一体化 软件开发需要交叉开发环境软件开发需要交叉开发环境1.3 嵌入式系统的种类嵌入式系统的种类 n 按实时性能分类按实时性能

14、分类n 按软件结构分类按软件结构分类 1.3.1 按实时性能分类按实时性能分类按是否具有实时性能分为按是否具有实时性能分为 嵌入式非实时系统嵌入式非实时系统 嵌入式实时系统嵌入式实时系统 (1) (1) 嵌入式非实时系统嵌入式非实时系统 n 嵌入式非实时系统的正确性仅仅依赖于嵌入式非实时系统的正确性仅仅依赖于计算处理的逻辑结果，与结果产生的时间计算处理的逻辑结果，与结果产生的时间无关无关n 这类系统主要应用于科学计算和一般实这类系统主要应用于科学计算和一般实时性要求不高的场合，如掌上电脑、电子时性要求不高的场合，如掌上电脑、电子词典等词典等 (2) (2) 嵌入式实时系统嵌入式实时系统 n 嵌

15、入式实时系统是能够对外部事件在限嵌入式实时系统是能够对外部事件在限定时间内做出及时响应的嵌入式系统定时间内做出及时响应的嵌入式系统n 这类系统在嵌入式系统中占有很大比例，这类系统在嵌入式系统中占有很大比例，如过程控制、数据采集、通信等领域如过程控制、数据采集、通信等领域嵌入式实时系统除具有嵌入式系统的基本嵌入式实时系统除具有嵌入式系统的基本特征外，还具有以下重要特点：特征外，还具有以下重要特点： 实时性实时性 可靠性可靠性 实时性实时性衡量嵌入式实时系统的性能主要有以下性能指标：衡量嵌入式实时系统的性能主要有以下性能指标：n 确定性（确定性（DeterminismDeterminism）确定性

16、要求系统对外部事件的响应时间必须是确确定性要求系统对外部事件的响应时间必须是确定的和可重复的，不管当时系统内部状态如何，定的和可重复的，不管当时系统内部状态如何，都是可预测的。该性能指标反映系统对运行情况都是可预测的。该性能指标反映系统对运行情况的最好和最坏等情况做出精确估计的能力。它是的最好和最坏等情况做出精确估计的能力。它是实时系统最重要的性能指标之一。实时系统最重要的性能指标之一。 n 响应时间（响应时间（Response Time）n 系统从识别一个外部事件到做出响应的时系统从识别一个外部事件到做出响应的时间。是最重要的性能指标之一。间。是最重要的性能指标之一。n 对不同的控制过程有不

17、同的响应时间要求：对不同的控制过程有不同的响应时间要求：n 对于慢变化过程，具有几分钟甚至更长的响应对于慢变化过程，具有几分钟甚至更长的响应时间都可以认为是实时的时间都可以认为是实时的n 对于快速过程，其响应时间可能要求达到毫秒、对于快速过程，其响应时间可能要求达到毫秒、微秒、纳秒级甚至更短。微秒、纳秒级甚至更短。n 生存时间（生存时间（Survival TimeSurvival Time）是数据有效等待时间，在这段时间里数是数据有效等待时间，在这段时间里数据是有效的据是有效的n 吞吐量（吞吐量（ThroughputThroughput） 是在一段给定时间内，系统可以处理的是在一段给定时间内，

18、系统可以处理的事件总数事件总数 为实现以上实时性能的要求，嵌入式系统一为实现以上实时性能的要求，嵌入式系统一般采用如下方式般采用如下方式 ：n 采用高速硬件。如高速处理器、高速采用高速硬件。如高速处理器、高速A/D、D/A等等n 利用嵌入式处理器提供的中断功能利用嵌入式处理器提供的中断功能n 需要嵌入式实时操作系统（需要嵌入式实时操作系统（RTOS）的支持）的支持n 应用程序代码量小、执行速度快应用程序代码量小、执行速度快 可靠性可靠性n 硬件平台的可靠性硬件平台的可靠性体现在对硬件平台的体现在对硬件平台的EMCEMC电磁兼容性能、防电磁兼容性能、防震性能、防水性能的要求。例如：震性能、防水性

19、能的要求。例如：n 往往选择工业级甚至军品级嵌入式处理器往往选择工业级甚至军品级嵌入式处理器n 软件软件采用采用固态化存储固态化存储只读只读存储器存储器或电子盘或电子盘而不是磁盘等而不是磁盘等机械类访问机械类访问载体载体FLASHFLASH高密度、高效率、高可靠性高密度、高效率、高可靠性减小体积、减小体积、提高提高速度速度、防震性能和使用寿命、防震性能和使用寿命 n 软件具有软件具有出错处理和自动复位出错处理和自动复位功能功能n应用程序采用特殊的容错和出错处理措施应用程序采用特殊的容错和出错处理措施n具有故障诊断和修复能力具有故障诊断和修复能力n在运行死机之在运行死机之后后自动恢复先前的运行状

20、态自动恢复先前的运行状态。1.3.2 按软件结构分类按软件结构分类 按软件结构分类为按软件结构分类为n 嵌入式单线程系统嵌入式单线程系统 嵌入式循环轮询系统嵌入式循环轮询系统 有限状态机有限状态机 n 嵌入式事件驱动系统嵌入式事件驱动系统 嵌入式前后台系统嵌入式前后台系统 嵌入式多任务系统嵌入式多任务系统 嵌入式多处理器系统嵌入式多处理器系统 嵌入式单线程系统包括嵌入式单线程系统包括n 循环轮询系统循环轮询系统n 有限状态机有限状态机n 适用场合：常见于小型、简单的嵌入式应用，适用场合：常见于小型、简单的嵌入式应用，其编程简单且易于理解，但系统的确定性不能其编程简单且易于理解，但系统的确定性不

21、能保证保证(1)嵌入式单线程系统嵌入式单线程系统 （Embeded Single-thread System） 嵌入式循环轮询嵌入式循环轮询(Polling Loop)(Polling Loop)系统系统 在该系统中，程序依次检查系统的每一个输在该系统中，程序依次检查系统的每一个输入条件，一旦条件成立就进行相应的处理。入条件，一旦条件成立就进行相应的处理。状态转换图：状态转换图：图图1-21 1-21 有限状态机示意图有限状态机示意图 有限状态机有限状态机(FSM，Finite State Machine)n 是能对外部事件直接响应的系统是能对外部事件直接响应的系统 n 包括包括: :n 嵌入

22、式前后台系统嵌入式前后台系统n 嵌入式多任务系统嵌入式多任务系统n 嵌入式多处理器系统嵌入式多处理器系统(2) 嵌入式事件驱动系统嵌入式事件驱动系统 （Embeded Event-driven System ）嵌入式前后台嵌入式前后台(Foreground/Backgroud)(Foreground/Backgroud)系统系统 n 该系统又称为嵌入式中断驱动系统该系统又称为嵌入式中断驱动系统n 系统组成系统组成n 后台是一个循环轮询系统后台是一个循环轮询系统，一直一直处于处于运行运行状态，状态，通常又称主程序通常又称主程序；n 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。

23、n 运行方式运行方式图图1-22 嵌入式前后台系统运行方式嵌入式前后台系统运行方式 当有一前台事件当有一前台事件 ( (外部事件外部事件) ) 发生时发生时将将引起中断引起中断，暂时暂时中中止止后台运行后台运行，转入，转入进行前台处理进行前台处理，处理完成后处理完成后又回到后台又回到后台继续运行。继续运行。 嵌入式多任务（嵌入式多任务（Multitask）系统）系统 n 适用场合适用场合 对于一个复杂的嵌入式系统而言，当采用中断处理程序加一对于一个复杂的嵌入式系统而言，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、准确、可靠地完成系统个后台主程序这种软件结构难以实时、准确、可靠地完成

24、系统功能时，或存在一些相关或不相关的过程需要在一个系统中同功能时，或存在一些相关或不相关的过程需要在一个系统中同时处理时，就需要采用嵌入式多任务系统。时处理时，就需要采用嵌入式多任务系统。n 运行机制运行机制图图1-23 嵌入式前多任务系统示意图嵌入式前多任务系统示意图 系统由多个任务、中断处理过程和嵌入式操作系统由多个任务、中断处理过程和嵌入式操作系统组成。每个任务按顺序或优先级执行的，并行系统组成。每个任务按顺序或优先级执行的，并行性、任务间的相互通信和同步需要操作系统的支持性、任务间的相互通信和同步需要操作系统的支持完成完成n 适用场合适用场合 当某些工作用单个处理器来处理难以完成时，当

25、某些工作用单个处理器来处理难以完成时，就需要使用多个处理器同时处理就需要使用多个处理器同时处理n 运行机制运行机制 多个任务可以分别放在不同的处理器上执行，多个任务可以分别放在不同的处理器上执行，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 嵌入式多处理器嵌入式多处理器/多核系统多核系统1.4 单片机概述单片机概述嵌入式微控制器嵌入式微控制器(Microcontroller Unit，MCU) 单片机单片机定义：定义： 单片计算机是把微型计算机主要基本功能部件：单片计算机是把微型计算机主要基本功能部件：CPU、RAM/ROM、I/O及其它有关部件都集成在及其它有关部

26、件都集成在一个芯片上的单芯片计算机。一个芯片上的单芯片计算机。 由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又叫单片微控制器（求设计的，故又叫单片微控制器（Single Chip Microcontroller）。）。MCU特点特点n 单片化单片化 n一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成了各种必要的功能和外设集成了各种必要的功能和外设 n由于单片机由于单片机的片上外设资源一般比较丰富的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制适合于控制，因此称为微控制器因此称为微控制器 n嵌入式系统的主流嵌入式系统的主流，占

27、据占据了了嵌入式系统大约嵌入式系统大约70%的市场份额的市场份额产地：产地：Intel 1976.9: MCS-48单片机、单片机、8748/8048/8035 1985: 8031/8051/87518031：128bytes内部内部RAM，2个个16位定时位定时/计数器，计数器，32位并行位并行I/O口，口， 一个全双工串行口，一个全双工串行口，21个特殊功能寄存器个特殊功能寄存器 64K空间的可扩展外部数据空间的可扩展外部数据RAM 64K空间的可扩展外部程序存贮器空间空间的可扩展外部程序存贮器空间8051：片内：片内4K PROM8751：片内：片内4K EPROMMCS-51系列单片

28、机概述系列单片机概述8032/8052：比：比8031/8051仅增加了一个定时仅增加了一个定时/计计数器，把片内的数器，把片内的ROM、RAM增加一倍，其余增加一倍，其余相同相同87C51/80C51/80C31：CHMOS制造工艺，既具制造工艺，既具CMOS低功耗，又具低功耗，又具HMOS高速，高封装密度高速，高封装密度等特点，具掉电保护和冻结运行两种独特的处等特点，具掉电保护和冻结运行两种独特的处理方式。理方式。 (1)智能化产品：如智能化产品：如 通信产品：小型交换机、电话计费、通信产品：小型交换机、电话计费、114 保安产品：防盗报警器、防火报警器等保安产品：防盗报警器、防火报警器等

29、 (2)智能化测控系统：如智能化测控系统：如 流量计、声纳测速测距仪、烟气分析仪等流量计、声纳测速测距仪、烟气分析仪等 (3)智能化仪表：频谱分析仪等智能化仪表：频谱分析仪等 (4)机电一体化产品：如数控机床、电传打印机等。机电一体化产品：如数控机床、电传打印机等。 (5)智能化接口：磁盘驱动器、键盘管理等智能化接口：磁盘驱动器、键盘管理等 (6)智能化消费类电子产品：如智能化消费类电子产品：如 微波炉、变频空调、洗衣机等微波炉、变频空调、洗衣机等MCS51单片机应用范围单片机应用范围 在单片机中尽可能多地把应用所需的存储器、在单片机中尽可能多地把应用所需的存储器、各种功能的各种功能的I/O口都集成在一块芯片内，使单口都集成在一块芯片内，使单片机的功能更加强大。如把片机的功能更加强大。如把LED、LCD或或VFD显示驱动器也开始集成在显示驱动器也开始集成在8位单片机中。位单片机中。 单片机的发展趋势单片机的发展趋势1多功能多功能