第一章 嵌入式系统概述(第1讲)

1、嵌入式系统教案嵌入式系统教案云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院 2嵌入式系统的基本概念嵌入式系统的组成嵌入式系统的应用领域第一章 嵌入式系统概述嵌入式系统的分类嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的特点嵌入式操作系统3 嵌入式技术无处不在q处理文档、进行工作管理和生产控制的计算机；处理文档、进行工作管理和生产控制的计算机；q各种使用嵌入式技术的电子产品，如：各种使用嵌入式技术的电子产品，如：MP3、PDA、手机、智能玩具，网络家电、智能家电、手机、智能玩具，网络家电、智能家电、车载电子设备等；车载电子设备等；q在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应

2、用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。统的工业生产和服务方式。4国际芯片市场来看q据统计每年只有据统计每年只有10-20%10-20%的计算机芯片是为的计算机芯片是为台式台式PCPC或膝上电脑而设计的；或膝上电脑而设计的； q嵌入式系统设计制造的嵌入式系统设计制造的CPUCPU每年大概有每年大概有10-2010-20亿片；亿片；q每年又有每年又有1 1万个新的嵌入式系统计划产生，而且越万个新的嵌入式系统计划产生，而且越来越多的系统需要复杂的嵌

3、入式操作系统；来越多的系统需要复杂的嵌入式操作系统；q如：中国如：中国4 4亿以上的电话用户，为嵌入式系统的发亿以上的电话用户，为嵌入式系统的发展提供了巨大市场。展提供了巨大市场。5中国信息家电市场q据工信部统计，据工信部统计，20142014年年1 1月份，全国电话用户总数月份，全国电话用户总数突破突破1515亿户大关，达到亿户大关，达到15.0115.01亿户；亿户；q移动电话用户达到移动电话用户达到12.3512.35亿户，即时通信网民规模亿户，即时通信网民规模达达4.974.97亿，有线电视用户数达亿，有线电视用户数达2.242.24亿亿。q业内分析，未来业内分析，未来1010年是国内

4、机顶盒生产的黄金时年是国内机顶盒生产的黄金时期，期，1010年总量可望达到年总量可望达到1 11.51.5亿台，总产值在亿台，总产值在60060015001500亿元人民币之间；亿元人民币之间；q仅此一项，嵌入式软件开发商每年获得的授权收仅此一项，嵌入式软件开发商每年获得的授权收入即可达到入即可达到10101515亿元；亿元；6嵌入式技术将成为后PC时代的主宰q嵌入式技术成为当前微电子技术与计算机嵌入式技术成为当前微电子技术与计算机技术中的一个重要分支；技术中的一个重要分支； q使计算机的分类从以前的巨型机、大型机、小型机、使计算机的分类从以前的巨型机、大型机、小型机、微机之分变为了通用计算机

5、和嵌入式系统之分；微机之分变为了通用计算机和嵌入式系统之分；q嵌入式的应用更是涉及金融、航天、电信、网络、嵌入式的应用更是涉及金融、航天、电信、网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域，信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域，以致一些学者断言嵌入式技术将成为后以致一些学者断言嵌入式技术将成为后PC时代的时代的主宰。主宰。7后PC时代产品的蓬勃发展8什么是嵌入式系统q根据根据IEEE（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器用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置和设备的装置”。q教材中从广义和狭义两个

6、方面进行了定义：教材中从广义和狭义两个方面进行了定义：u广义地讲，凡是不用于通用目的的可编程计算机广义地讲，凡是不用于通用目的的可编程计算机设备，就可以算是嵌入式计算机系统。也就是说，设备，就可以算是嵌入式计算机系统。也就是说，一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件集合体。计算机软硬件集合体。u狭义上讲，嵌入式系统是指以应用为核心，以计狭义上讲，嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，对功能、可靠算机技术为基础，软硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系性、成本、体积和功耗严格要求的专用计

7、算机系统。统。9怎样来理解u嵌入性嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求；：嵌入到对象体系中，有对象环境要求；u专用性专用性：软、硬件按对象要求裁减；：软、硬件按对象要求裁减；u计算机计算机：实现对象的智能化功能。：实现对象的智能化功能。q就是嵌入到对象体中的专用计算机系统；就是嵌入到对象体中的专用计算机系统；q三要素：三要素：嵌入、专用、计算机；嵌入、专用、计算机；q嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点: 由三要素引出由三要素引出q嵌入式系统发展的最高形式嵌入式系统发展的最高形式片上系统（片上系统（SOC）。10嵌入式系统的分类u芯片级嵌入（含程序或算法的处理器）；u模块级嵌入（系统中的某个核

8、心模块）；u系统级嵌入。u非实时系统（PDA）；u软实时系统（消费类产品）；u硬实时系统（工业和军工系统）。q按表现形式分（硬件范畴）按表现形式分（硬件范畴） ：q按实时性要求分（软件范畴）按实时性要求分（软件范畴） ：11嵌入式系统的组成q嵌入式系统一般有嵌入式系统一般有3 3个主要的组成部分：个主要的组成部分：u硬件：硬件：是整个嵌入式系统的基础，主要包括处是整个嵌入式系统的基础，主要包括处理器、存储器（理器、存储器（ROMROM、RAMRAM）、输入）、输入/ /输出设备输出设备及其它辅助设备；及其它辅助设备；u应用软件：应用软件：用来完成某些特定的功能；用来完成某些特定的功能；u实时操

9、作系统（实时操作系统（RTOSRTOS）：）：用来管理应用软件，用来管理应用软件，并提供一种机制，使得处理器分时地执行各个并提供一种机制，使得处理器分时地执行各个任务并完成一定的时限要求。任务并完成一定的时限要求。q实际应用中是否需要实际应用中是否需要RTOSRTOS要根据需要来定。嵌入要根据需要来定。嵌入式系统的关键在于，结合系统硬件电路与其特定式系统的关键在于，结合系统硬件电路与其特定的软件，以达到系统运行性能成本的最高比。的软件，以达到系统运行性能成本的最高比。12嵌入式系统的特点q嵌入式系统与通用计算机相比，有以下特点：嵌入式系统与通用计算机相比，有以下特点：u通常是面向特定应用的；通

10、常是面向特定应用的；u硬件和软件必须高效率地设计，做到量体裁衣、硬件和软件必须高效率地设计，做到量体裁衣、去除冗余；去除冗余；u有实时操作系统的支持；有实时操作系统的支持；u具有较长的生命周期；具有较长的生命周期；u软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存储在磁盘等载体中；而不是存储在磁盘等载体中；u具有专门的开发工具支持。具有专门的开发工具支持。13嵌入式处理器的分类和现状q微控制器（微控制器（MCU）；q数字信号处理器（数字信号处理器（DSP）；q片上系统（片上系统（SOC）；q可编程片上系统（可编程片上系统（SOPC）。q微处理器（微处

11、理器（MPU）；14MPUq嵌入式微处理器嵌入式微处理器（Micro Processor Unit)；qMPU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CPU演演变而来的，变而来的，8038680387；q 与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，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部分，这样就以最低的功耗和资其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。源实现嵌入式应用的特殊要求。q嵌入式处理器目前主要有，嵌入式处理器目前主要有，Aml8

12、6/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。系列等。15MCUq嵌入式微控制器的典型代表是单片机这种位的嵌入式微控制器的典型代表是单片机这种位的电子器件电子器件,目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。的应用。q单片机芯片内部集成单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总总线逻辑、定时线逻辑、定时/计数器、看门狗、计数器、看门狗、I/O、串行口、串行口、脉宽调制输出、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash、EEPROM等等各种必要功能和外设。各种必要功能和外设。qMCU微控制器，总线宽度一般为微控制器，总线

13、宽度一般为4位、位、8位或位或16位，位，处理速度有限，一般在几个处理速度有限，一般在几个MIPS，进行一些复杂进行一些复杂的应用很困难，运行操作系统就更难。的应用很困难，运行操作系统就更难。16DSPqDSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，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，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，编译效率较高，执行速度较快，在数字滤波、编译效率较高，执行速度较快，在数字滤波、FFT、频谱分析等各种仪器上，频谱分析等各种仪器上，DSP获得了大规获得了大规模的应用。模的应用。qDSP是运算密集处理器，一般用在快速执行算法，是运

14、算密集处理器，一般用在快速执行算法，做控制比较困难。为了追求高执行效率，不适合做控制比较困难。为了追求高执行效率，不适合运行操作系统，核心代码使用汇编语言。运行操作系统，核心代码使用汇编语言。17SOCqSOC（片上系统）是片上系统）是IC设计的发展趋势。采用设计的发展趋势。采用SOC设计技术，可以大幅度地提高系统的可靠性，设计技术，可以大幅度地提高系统的可靠性，减少系统的面积和功耗，降低系统成本，极大地减少系统的面积和功耗，降低系统成本，极大地提高系统的性能价格比。提高系统的性能价格比。qSOC芯片已经成为提高移动通信、网络、信息家芯片已经成为提高移动通信、网络、信息家电、高速计算、多媒体应

15、用及军用电子系统性能电、高速计算、多媒体应用及军用电子系统性能的核心器件。的核心器件。18SOPCq 用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作称作SOPC。可编程片上系统（可编程片上系统（SOPC）是一种特是一种特殊的嵌入式系统；殊的嵌入式系统；q首先它是片上系统（首先它是片上系统（SOC），），即由单个芯片完成即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；整个系统的主要逻辑功能；q其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编

16、程的功能。可编程的功能。19q嵌入式系统的发展历史嵌入式系统的发展历史 从单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微从单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统的应用可以追溯控制器的广泛应用，嵌入式系统的应用可以追溯到到20世纪世纪60年代中期，例如阿波罗飞船的导航控年代中期，例如阿波罗飞船的导航控制系统制系统AGC。嵌入式系统的发展历程，大致经历。嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下了以下4个阶段。个阶段。u无操作系统阶段无操作系统阶段 单片机是最早应用的嵌入式系统，单片机作为单片机是最早应用的嵌入式系统，单片机作为各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中的微各类工业控制

17、和飞机、导弹等武器装备中的微控制器，用来执行一些单线程的程序，完成监控制器，用来执行一些单线程的程序，完成监测、伺服和设备指示等多种功能，一般没有操测、伺服和设备指示等多种功能，一般没有操作系统的支持，程序设计采用汇编语言。作系统的支持，程序设计采用汇编语言。嵌入式系统的发展历史嵌入式系统的发展历史20u简单操作系统阶段简单操作系统阶段 20世纪世纪80年代，出现了大量具有高可靠性、低功年代，出现了大量具有高可靠性、低功耗的嵌入式耗的嵌入式CPU（如（如Power PC等），芯片上集等），芯片上集成有微处理器、成有微处理器、I/O接口、串行接口及接口、串行接口及RAM、ROM等部件。一些简单的

18、嵌入式操作系统开始等部件。一些简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展，程序设计人员也开始基于出现并得到迅速发展，程序设计人员也开始基于一些简单的一些简单的“操作系统操作系统”开发嵌入式应用软件。开发嵌入式应用软件。此时的嵌入式操作系统虽然还比较简单，但已经此时的嵌入式操作系统虽然还比较简单，但已经初步具有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且初步具有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高，大大缩短了开发周期，提高了开发效率。效率高，大大缩短了开发周期，提高了开发效率。嵌入式系统的发展历史嵌入式系统的发展历史21u实时操作系统阶段实时操作系统阶段 20世纪世纪90年代，面对分布控制、柔性制造、

19、数年代，面对分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大市场的需求，嵌入字化通信和信息家电等巨大市场的需求，嵌入式系统飞速发展。随着硬件实时性要求的提高，式系统飞速发展。随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩大，实时多任嵌入式系统的软件规模也不断扩大，实时多任务操作系统逐渐形成，系统能够运行在各种不务操作系统逐渐形成，系统能够运行在各种不同类型的微处理器上，具备了文件和目录管理、同类型的微处理器上，具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面等功设备管理、多任务、网络、图形用户界面等功能，并提供了大量的应用程序接口能，并提供了大量的应用程序接口API，从而，从而

20、使应用软件的开发变得更加简单。使应用软件的开发变得更加简单。嵌入式系统的发展历史嵌入式系统的发展历史22u面向面向Internet阶段阶段 进入进入21世纪，世纪，Internet技术与信息家电、工业控技术与信息家电、工业控制技术等的结合日益紧密，嵌入式技术与制技术等的结合日益紧密，嵌入式技术与Internet技术的结合正在推动着嵌入式系统的技术的结合正在推动着嵌入式系统的飞速发展。飞速发展。嵌入式系统的发展历史嵌入式系统的发展历史23q嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 面对嵌入式技术与面对嵌入式技术与Internet技术的结合，嵌入式系技术的结合，嵌入式系统的研究和应用在飞速发展。统

21、的研究和应用在飞速发展。u新的微处理器层出不穷，精简系统内核，优化关新的微处理器层出不穷，精简系统内核，优化关键算法，降低功耗和软硬件成本。提供更加友好键算法，降低功耗和软硬件成本。提供更加友好的多媒体人机交互界面。的多媒体人机交互界面。uLinux、Windows CE等嵌入式操作系统迅速发等嵌入式操作系统迅速发展。嵌入式操作系统自身结构的设计更加便于移展。嵌入式操作系统自身结构的设计更加便于移植，具有源代码开放、系统内核小、执行效率高、植，具有源代码开放、系统内核小、执行效率高、网络结构完整等特点，能够在短时间内支持更多网络结构完整等特点，能够在短时间内支持更多的微处理器。的微处理器。u嵌

22、入式系统的开发成了一项系统工程，开发厂商嵌入式系统的开发成了一项系统工程，开发厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还要提不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还要提供强大的硬件开发工具和软件支持包。供强大的硬件开发工具和软件支持包。嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势24qIP核（核（Intellectual Property Core，知识产权核），知识产权核）uSOC是是90年代中期出现的一个概念，并成为现年代中期出现的一个概念，并成为现代集成电路设计的发展方向。代集成电路设计的发展方向。SOC是指在单芯是指在单芯片上集成数字信号处理器、微控制器、存储器、片上集成数字信号处理器、微控

23、制器、存储器、数据转换器、接口电路等电路模块，可以直接数据转换器、接口电路等电路模块，可以直接实现信号采集、转换、存储、处理等功能。实现信号采集、转换、存储、处理等功能。IP核是指具有知识产权的、功能具体、接口规范、核是指具有知识产权的、功能具体、接口规范、可在多个集成电路设计中重复使用的功能模块，可在多个集成电路设计中重复使用的功能模块，是实现系统芯片（是实现系统芯片（SOC）的基本构件。）的基本构件。 嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势25uIP核分为用硬件描述语言文本形式提交给用户，核分为用硬件描述语言文本形式提交给用户，经过经过RTL级设计优化和功能验证，但其中不含有级设计优化和

24、功能验证，但其中不含有任何具体的物理信息的任何具体的物理信息的软核软核；完成软核所有的设；完成软核所有的设计外，还完成了门级电路综合和时序仿真等设计计外，还完成了门级电路综合和时序仿真等设计环节，一般以门级电路网表的形式提供给用户的环节，一般以门级电路网表的形式提供给用户的固核固核；基于物理描述，并经过工艺验证，具有可；基于物理描述，并经过工艺验证，具有可保证的性能，提供给用户的形式是电路物理结构保证的性能，提供给用户的形式是电路物理结构掩模版图和全套工艺文件的掩模版图和全套工艺文件的硬核硬核。IP软核以源代软核以源代码的形式提供的，码的形式提供的，IP知识产权不易保护。知识产权不易保护。IP

25、硬核硬核易于实现易于实现IP保护，缺点是灵活性和可移植性差。保护，缺点是灵活性和可移植性差。嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势26u目前全球目前全球IP核市场处于快速成长的阶段，核市场处于快速成长的阶段，EDA联盟、联盟、RAPID联盟、联盟、VCX联盟与联盟与VSIA联盟等联盟等都在积极推动都在积极推动IP核的开发、应用及推广。其中，核的开发、应用及推广。其中，EDA联盟主要是以如何提供更好的联盟主要是以如何提供更好的EDA软件工软件工具为主，具为主，VSIA联盟主要针对联盟主要针对IP核的定义、开发、核的定义、开发、授权及测试等建立一个公开的共性规范。授权及测试等建立一个公开的共性规

26、范。ARM、Rambus和和MIPS在十大在十大IP供应商排行中居前供应商排行中居前3位。位。嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势27嵌入式操作系统q操作系统的概念操作系统的概念操作系统的基本思想是隐藏底层不同硬件的操作系统的基本思想是隐藏底层不同硬件的差异，向在其上运行的应用程序提供一个统一的差异，向在其上运行的应用程序提供一个统一的调用接口。应用程序通过这一接口实现对硬件的调用接口。应用程序通过这一接口实现对硬件的使用和控制，不必考虑不同硬件操作方式的差异。使用和控制，不必考虑不同硬件操作方式的差异。q操作系统主要完成三项任务：操作系统主要完成三项任务：u内存管理；内存管理；u多任务管

27、理；多任务管理；u外围设备管理外围设备管理。28嵌入式操作系统的概念q嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度、控制、协调；它必须体硬件资源的分配、调度、控制、协调；它必须体现所在系统的特征，能够通过加载现所在系统的特征，能够通过加载/ /卸载某些模块卸载某些模块来达到系统所要求的功能。来达到系统所要求的功能。qEOSEOS相对于一般的操作系统而言，它除了具备一般相对于一般的操作系统而言，它除了具备一般操作系统最基本的功能，如任务的调度、同步机操作系统最基本的功能，如任务的调度、同步机制、中断处理、文件处理等外

28、，还有以下特点：制、中断处理、文件处理等外，还有以下特点：u强稳定性、弱交互性；强稳定性、弱交互性；u较强的实时性；较强的实时性；u可伸缩性；可伸缩性；u外设接口的统一性。外设接口的统一性。29几种主流的嵌入式操作系统qLinuxqC/OSqWindows CEqVxWorksqNucleus30应用领域q社会经济的发展产生了一些新的需求，同时促进社会经济的发展产生了一些新的需求，同时促进了嵌入式技术的广泛应用；了嵌入式技术的广泛应用；q中国正在成为世界制造大国，在消费电子、工业中国正在成为世界制造大国，在消费电子、工业应用、军事国防、网络设备等领域都有嵌入式系应用、军事国防、网络设备等领域都有嵌入式系统的应用。统的应用。31嵌入式技术刺激了许多新的应用需求q嵌入式技术发展又在不断刺激新的技术产生嵌入式技术发展又在不断刺激新的技术产生 信信息家电、医疗电子病历、微小型智能武器。息家电、医疗电子病历、微小型智能武器。消费电子消费电子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工业工