嵌入式系统及应用——第1章嵌入式系统概论

1、嵌入式系统原理及嵌入式系统原理及应用开发技术应用开发技术前言 从上个世纪九十年代中期从上个世纪九十年代中期到现在，嵌入式系统已经从到现在，嵌入式系统已经从一个不起眼的单词，发展成一个不起眼的单词，发展成覆盖所有应用领域、家喻户覆盖所有应用领域、家喻户晓的时髦话题。晓的时髦话题。 前言 虽然我国已经是嵌入式虽然我国已经是嵌入式产品生产、应用和消费的产品生产、应用和消费的大国，但国内工业界的技大国，但国内工业界的技术水平、特别是设计水平术水平、特别是设计水平相当落后。相当落后。前言 嵌入式开发的新要求：能嵌入式开发的新要求：能够使用工具缩短嵌入式产品够使用工具缩短嵌入式产品的开发周期；能够自行规划

2、、的开发周期；能够自行规划、选型、设计、并组织开发一选型、设计、并组织开发一个拥有自主知识产权的嵌入个拥有自主知识产权的嵌入式新产品。式新产品。课程的主要内容 嵌入式系统导论（概念、分类、发展嵌入式系统导论（概念、分类、发展历程、特点、应用领域、发展趋势）历程、特点、应用领域、发展趋势） 嵌入式硬件系统（基本组成，嵌入式嵌入式硬件系统（基本组成，嵌入式微处理器，外围电路等）微处理器，外围电路等） 嵌入式软件系统（分类、特点、体系嵌入式软件系统（分类、特点、体系结构、运行流程、操作系统、开发方结构、运行流程、操作系统、开发方法）法） 嵌入式系统领域的一些新动态和成果嵌入式系统领域的一些新动态和成

3、果 教材 嵌入式系统原理及应用开发技术嵌入式系统原理及应用开发技术（第（第2 2版），桑楠等，高教出版社，版），桑楠等，高教出版社，2008.012008.01第一章嵌入式系统概论1.11.1计算机发展的三大阶段计算机发展的三大阶段 第一阶段：始于五十年代的由第一阶段：始于五十年代的由IBM, Burroughs, Honeywell等公司率先研制等公司率先研制的大型机。的大型机。 第二阶段第二阶段：始于七十年代的个人计算机。始于七十年代的个人计算机。 第三阶段第三阶段：计算机正迈入下一个充满机计算机正迈入下一个充满机遇的阶段遇的阶段“后后PC时代时代”或或“无处不在无处不在的计算机的计算机”

4、阶段。阶段。计算的发展过程计算的发展过程 分时系统分时系统 批处理系统批处理系统 单用户系统单用户系统大型机大型机 分布式计算分布式计算 小型机小型机 基于网络的基于网络的个人计算个人计算 微型机微型机 协同计算协同计算 基于开放系统的客基于开放系统的客户户/ /服务器服务器资源使用的灵活性资源使用的灵活性计算的自由性计算的自由性 科学家的共识科学家的共识 施乐公司施乐公司Palo AltoPalo Alto研究中心主任研究中心主任Mark Mark WeiserWeiser认为：认为：“从长远来看，从长远来看，PCPC机和计算机工作站将机和计算机工作站将衰落，因为计算机变得无处不在：例如在墙

5、衰落，因为计算机变得无处不在：例如在墙里、在手腕上、在手写电脑中里、在手腕上、在手写电脑中( (象手写纸一象手写纸一样样) )等等，随用随取、伸手可及等等，随用随取、伸手可及”。 全世界的计算机科学家正在形成一种共识全世界的计算机科学家正在形成一种共识: : 计算机不会成为科幻电影中的那种贪婪计算机不会成为科幻电影中的那种贪婪的怪物的怪物, , 而是将变得小巧玲珑而是将变得小巧玲珑, , 无处不在无处不在. . 他们藏身在任何地方他们藏身在任何地方, , 又消失在所有地方又消失在所有地方, , 功能强大功能强大, , 确有无影无踪确有无影无踪. . 人们将这种思人们将这种思想命名为想命名为:

6、: “无所不在的计算机无所不在的计算机”。 嵌入式系统无处不在嵌入式系统无处不在彼此互连 即使远在火星即使远在火星面对面对6 6万年才有一次的机万年才有一次的机会，科学家们积极行动会，科学家们积极行动起来起来从从6 6月开始，月开始，先后有欧洲的先后有欧洲的“火星快火星快车车”、美国、美国“勇气号勇气号”和和“机遇号机遇号”等三颗火等三颗火星探测器飞往火星，而星探测器飞往火星，而日本一颗本已在太空日本一颗本已在太空“迷失方向迷失方向”的火星探的火星探测器也在关键时刻及时测器也在关键时刻及时“醒醒”来，开始了久违来，开始了久违的火星之旅。的火星之旅。火星与地球，这一对在星空中遥火星与地球，这一对

7、在星空中遥遥相望的遥相望的“兄弟兄弟”，迎来，迎来6 6万年来万年来“最亲密的接触最亲密的接触”，在，在20032003年年8 8月月2727日这一天，火星距离地球最近日这一天，火星距离地球最近达到达到55756622(555756622(5千多万千多万) )公里。公里。勇气号勇气号 自自19971997年年1010月月1515日发射以来，日发射以来，经历了经历了7 7年年3535亿公里航程的卡亿公里航程的卡西尼号太空船在西尼号太空船在20042004年年7 7月月1 1日日1010时时3030分进入土星轨道，开始分进入土星轨道，开始进行人类有史以来对土星及其进行人类有史以来对土星及其3131

8、颗已知卫星最详尽的探测。颗已知卫星最详尽的探测。土星探测土星探测 “哥伦比亚哥伦比亚”号，整个系统的起飞号，整个系统的起飞重量达重量达20002000吨，高吨，高5656米。米。 “小鹰小鹰”号标准排水量为号标准排水量为6010060100吨，满载排水量达吨，满载排水量达8112381123吨，舰长吨，舰长323.6323.6米，舰米，舰宽宽39.639.6米，吃水米，吃水11.411.4米，是世界上最大的常规动力航空母舰。舰员米，是世界上最大的常规动力航空母舰。舰员29302930名，名，其中军官其中军官155155名；航空人员名；航空人员24802480名，其中军官名，其中军官320320

9、名。飞机：名。飞机：F-14DF-14D战斗机战斗机2020架，架，F/A-18F/A-18战斗机战斗机3636架，架，E-2CE-2C预警机和预警机和EA-6BEA-6B电子干扰机各电子干扰机各4 4架，架，6 6架架S-3BS-3B反潜机，反潜机，6 6架直升机，架直升机，2 2架架ES-3AES-3A。 Smart Dust/pister/SmartDust/ Wearable ComputingWearable Computing 嵌入式设备无处不在，嵌入式设备无处不在，但桌面系统还依然有用但桌面系统还依然有用l无处不在的

10、计算机是计无处不在的计算机是计算机与使用者的比率达算机与使用者的比率达到和超过到和超过100:1100:1的阶段的阶段 l无处不在的计算机包括无处不在的计算机包括通用计算机通用计算机和和嵌入式计嵌入式计算机系统算机系统l在在100:1100:1比例中比例中95%95%以上以上都是嵌入式计算机系统，都是嵌入式计算机系统，并非通用计算机并非通用计算机 通用计算机看得见的计算机通用计算机看得见的计算机如：如：PCPC机、服务器、大型计算机等。机、服务器、大型计算机等。 通用计算机看得见的计算机通用计算机看得见的计算机典型系统：采样控制系统典型系统：采样控制系统典型系统：飞行控制系统典型系统：飞行控制

11、系统 典型系统：典型系统： 实时信号处理系统实时信号处理系统 典型应用领域：信息家电典型应用领域：信息家电 典型应用领域：普适计算典型应用领域：普适计算 典型应用：车载综合管理系统典型应用：车载综合管理系统 嵌入式系统应用领域嵌入式系统应用领域 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。持通讯、存储设备的核心。 家庭智能管理系统家庭智能管理系统社区建筑的水、电、煤气表的远程自动抄表，安社区建筑的水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，远程点菜器等。全防火、防盗系统，远程点菜器等。 社会发

12、展方面：嵌入式社会发展方面：嵌入式InternetInternet应用应用 汽车电子产品（18个嵌入式控制模块）CAN总线网络VOLVO S80汽车的CAN总线网络嵌入式应用嵌入式应用汽车电子汽车电子 反恐防暴反恐防暴1.2 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义 看不见的计算机，一般不能被用户编程看不见的计算机，一般不能被用户编程, 它有一它有一些专用的些专用的I/O设备设备, 对用户的接口是应用专用的。对用户的接口是应用专用的。 An embedded system is a computer system contained within some larger device or produ

13、ct with the intent purpose of providing monitoring and control services to that device. “Any sort of device which includes a programmable computer but itself is not intended to be a general-purpose computer.”通常将嵌入式计算机系统简称为嵌入式系统通常将嵌入式计算机系统简称为嵌入式系统嵌入式系统定义嵌入式系统定义IEEE: “Device used to control，monitor，or

14、 assist the operation of equipment，machinery or plants”.嵌入式系统是以应用为中心、以计算机嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统定义嵌入式系统定义嵌入式系统是将先进的计算机嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的各个行业的具体应用相结合后的产物。产物。 包含有计算机，但又

15、不是通用包含有计算机，但又不是通用计算机的计算机应用系统。计算机的计算机应用系统。通用计算机与嵌入式系统对比通用计算机与嵌入式系统对比 特征特征通用计算机通用计算机嵌入式系统嵌入式系统形式和类型看得见的计算机。看得见的计算机。按其体系结构、运算速度和结构规模按其体系结构、运算速度和结构规模等因素分为大、中、小型机和微机。等因素分为大、中、小型机和微机。看不见的计算机。看不见的计算机。形式多样，应用领域广泛形式多样，应用领域广泛，按应用来分。，按应用来分。组成通用处理器、标准总线和外设。通用处理器、标准总线和外设。软件和硬件相对独立。软件和硬件相对独立。面向应用的嵌入式微处理面向应用的嵌入式微处

16、理器，总线和外部接口多集器，总线和外部接口多集成在处理器内部。成在处理器内部。软件与硬件是紧密集成在软件与硬件是紧密集成在一起的。一起的。开发方式开发平台和运行平台都是通用计算机开发平台和运行平台都是通用计算机采用交叉开发方式，开发采用交叉开发方式，开发平台一般是通用计算机，平台一般是通用计算机，运行运行 平台是嵌入式系统。平台是嵌入式系统。二次开发性应用程序可重新编制应用程序可重新编制一般不能再编程一般不能再编程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）系统内核小由于嵌入式系统一般是应用于小型电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，所以内子装

17、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。核较之传统的操作系统要小得多。比如比如ENEAENEA公司的公司的OSEOSE分布式系统，内分布式系统，内核只有核只有5K5K，而，而WindowsWindows的内核则要大得多。的内核则要大得多。 （）专用性强（）专用性强嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进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。行系统的移植。即使在同一品牌、同一系列的产品中也需即使在同一品牌、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。要根据系统硬件的变化和增

18、减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进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，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这种修改和通用软件的“升级升级”是完全不同的是完全不同的概念。概念。 （）系统精简（）系统精简嵌入式系统嵌入式系统一般没有系统软件和应用一般没有系统软件和应用软件的明显区分软件的明显区分，不要求其功能设计及，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。系统成本，同时也利于实现系统安全。（）高实时性（）高实时性OSOS这是嵌入式软件

19、的基本要求，而且软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。件要求固态存储，以提高速度。软件代软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。码要求高质量和高可靠性、实时性。 （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嵌入式系统的应用程序可以没有操作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。系统直接在芯片上运行。为了合理地调度多任务、利用系统资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，源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配用户必须自行选配RTOSRTOS（RealRealTime Time Operating Syste

20、mOperating System）开发平台，这样才）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并能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。减少开发时间，保障软件质量。 （6 6）嵌入式系统开发需要开发工具和环境）嵌入式系统开发需要开发工具和环境 由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也是不能对其中的程序功能进行修成以后，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。改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软这些工具和环境一般是基于通用

21、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。硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。 开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于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，开发时需要程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。交替结合进行。 嵌入式系统的基本要素嵌入式系统的基本要素嵌入式处理器系统嵌入式处理器系统 嵌入式处理器嵌入式处理器 各种类型存储器各种类型存储器 模拟电路及电源模拟电路及电源 接口控制器及接插件接口控制器及接插件嵌入式软件系统嵌入式软件系统 实时操作系统（实时操作系统（RTOSRTOS） 板级支持包（板级支

22、持包（BSPBSP） 设备驱动（设备驱动（Device DriverDevice Driver） 协议栈（协议栈（Protocol StackProtocol Stack） 应用程序（应用程序（ApplicationApplication）实时系统 POSIX 1003.bPOSIX 1003.b定义定义能够在限定响能够在限定响应时间内提供所需水平服务的计算机应时间内提供所需水平服务的计算机系统系统 一般性定义一般性定义一个实时系统是指计一个实时系统是指计算的正确性不仅取决于程序的逻辑正算的正确性不仅取决于程序的逻辑正确性，也取决于结果产生的时间：如确性，也取决于结果产生的时间：如果系统的时间

23、约束条件得不到满足，果系统的时间约束条件得不到满足，将会发生系统出错。将会发生系统出错。特别注意 实时实时并不等于快！它并不等于快！它是一个相对的概念，确是一个相对的概念，确切定义应该是切定义应该是“及时及时”，即在系统允许的时间范即在系统允许的时间范围内完成任务围内完成任务 实时系统衡量指标 响应时间响应时间 吞吐量吞吐量 生存时间生存时间 嵌入式系统的实时性 从广义概念上讲，嵌入从广义概念上讲，嵌入式系统都可以看成是一个式系统都可以看成是一个实时系统。实时系统。 1.31.3 嵌入式系统的特征嵌入式系统的特征 技术密集技术密集专用紧凑专用紧凑安全可靠安全可靠多种多样多种多样及时相应及时相应

24、成本敏感成本敏感开发困难开发困难不可垄断不可垄断其它其它技术密集技术密集 嵌入式系统是计嵌入式系统是计算机技术、微电子算机技术、微电子技术和行业技术相技术和行业技术相结合的产物。结合的产物。专用紧凑专用紧凑 嵌入式系统在体积、嵌入式系统在体积、功耗、配置、处理能力、功耗、配置、处理能力、电磁兼容性等方面有明电磁兼容性等方面有明显的应用约束。显的应用约束。安全可靠安全可靠 可靠性要求极高可靠性要求极高网络信息安全网络信息安全防危安全防危安全多种多样多种多样 嵌入式处理器种类繁多嵌入式处理器种类繁多外设随应用领域变化外设随应用领域变化操作系统五花八门操作系统五花八门嵌入式开发工具不一嵌入式开发工具

25、不一嵌入式系统实时性多样化嵌入式系统实时性多样化应用领域广泛应用领域广泛及时响应及时响应 嵌入式系统需要实嵌入式系统需要实时性保障，能够尽可时性保障，能够尽可能快地对外部技术过能快地对外部技术过程的请求发出响应，程的请求发出响应，及时完成。及时完成。 成本敏感成本敏感 嵌入式产品每一批嵌入式产品每一批次的产品数量大，单位次的产品数量大，单位成本对产品的市场前景成本对产品的市场前景和利润影响极大和利润影响极大 。关注成本关注成本嵌入式系统通常需要注意的成本是系统成本，嵌入式系统通常需要注意的成本是系统成本，特别是量大的消费类数字化产品，其成本是特别是量大的消费类数字化产品，其成本是产品竞争的关键

26、因素之一。产品竞争的关键因素之一。嵌入式的系统成本包括嵌入式的系统成本包括: : 一次性的开发成本一次性的开发成本NRE(Non-Recurring NRE(Non-Recurring Engineering)Engineering)成本成本 产品成本产品成本: :硬件硬件BOMBOM、外壳包装和软件版税等、外壳包装和软件版税等 批量产品的总体成本批量产品的总体成本=NRE=NRE成本成本+ +每个产品成本每个产品成本* *产产品总量品总量 每个产品的最后成本每个产品的最后成本= =总体成本总体成本/ /产品总量产品总量=NRE=NRE成成本本/ /产品总量产品总量+ +每个产品成本每个产品成

27、本开发困难开发困难 开发需要专门工具和特殊方法开发需要专门工具和特殊方法由于嵌入式系统资源有限，一般不具备自主开发能力，由于嵌入式系统资源有限，一般不具备自主开发能力，产品发布后用户通常也不能对其中的软件进行修改，产品发布后用户通常也不能对其中的软件进行修改，必须有一套专门的开发环境。必须有一套专门的开发环境。该开发环境包括专门的开发工具（包括设计、编译、该开发环境包括专门的开发工具（包括设计、编译、调试、测试等工具），调试、测试等工具），采用交叉开发的方式进行采用交叉开发的方式进行，交，交叉开发环境如图所示。叉开发环境如图所示。不可垄断不可垄断 嵌入式系统是一个嵌入式系统是一个分散的工业。没

28、有哪分散的工业。没有哪一个系列的处理器和一个系列的处理器和操作系统能够垄断全操作系统能够垄断全部市场。部市场。其他：确定性其他：确定性 任务个数确定任务个数确定每个任务执行时序确定每个任务执行时序确定每个任务所占资源等确定每个任务所占资源等确定任务间通信延迟确定任务间通信延迟确定 1.4 嵌入式系统发展历程 嵌入式系统的嵌入式系统的出现和兴起出现和兴起（1960-1970）嵌入式系统开始走向嵌入式系统开始走向繁荣繁荣，软件和，软件和硬件日臻硬件日臻完善完善（1971-1989）嵌入式系统应用嵌入式系统应用走向纵深走向纵深（1990年年-现在）现在）嵌入式系统的发展历程嵌入式系统的发展历程嵌入式

29、系统的嵌入式系统的出现和兴起出现和兴起（1960-19701960-1970）嵌入式系统开始走向嵌入式系统开始走向繁荣繁荣，软件和硬件日，软件和硬件日臻臻完善完善（1971-19891971-1989）嵌入式系统应用嵌入式系统应用走向纵深走向纵深（19901990年年- -现在）现在）嵌入式系统的出现和兴起嵌入式系统的出现和兴起出现出现：2020世纪世纪6060年代以晶体管、磁芯存储年代以晶体管、磁芯存储为基础的计算机开始用于航空等军用领为基础的计算机开始用于航空等军用领域。域。第一台机载专用数字计算机是奥托内蒂克斯第一台机载专用数字计算机是奥托内蒂克斯公司为美国海军舰载轰炸机公司为美国海军舰

30、载轰炸机“民团团员民团团员”号号研制的多功能数字分析器研制的多功能数字分析器(Verdan)(Verdan)。 同时嵌入式计算机开始应用于工业控制。同时嵌入式计算机开始应用于工业控制。19621962年一个美国乙烯厂实现了工业装置中的年一个美国乙烯厂实现了工业装置中的第一个直接数字控制第一个直接数字控制(DDC)(DDC)。嵌入式系统的出现和兴起嵌入式系统的出现和兴起兴起兴起：在：在1965196519701970年，当时计算机已开始采用年，当时计算机已开始采用集成电路，即第三代计算机。在军事、航空航集成电路，即第三代计算机。在军事、航空航天领域、工业控制的需求推动下。天领域、工业控制的需求推

31、动下。第一次使用机载数字计算机控制的是第一次使用机载数字计算机控制的是19651965年发射的年发射的Gemini3Gemini3号，第一次通过容错来提高可靠性是号，第一次通过容错来提高可靠性是19681968年年的阿波罗的阿波罗4 4号、土星号、土星5 5号。号。 19631963年年DECDEC公司推出公司推出PDP8PDP8并发展成并发展成PDP11PDP11系列，成为工系列，成为工业生产集中控制的主力军。业生产集中控制的主力军。在军用领域中，为了可靠和满足体积、重量的严格要在军用领域中，为了可靠和满足体积、重量的严格要求，还需为各个武器系统设计五花八门的专用的嵌入求，还需为各个武器系统

32、设计五花八门的专用的嵌入式计算机系统。式计算机系统。 嵌入式系统开始走向繁荣嵌入式系统开始走向繁荣嵌入式系统大发展是在微处理器问世之后嵌入式系统大发展是在微处理器问世之后19731973年至年至19771977年间各厂家推出了许多年间各厂家推出了许多8 8位的微处理位的微处理器，包括器，包括Intel 8080/8085Intel 8080/8085，Motorola Motorola 的的6800/68026800/6802，ZilogZilog的的Z80Z80和和RockwellRockwell的的65026502。微处理器不单用来组成微型计算机，而且用来制造微处理器不单用来组成微型计算机

33、，而且用来制造仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等嵌入式仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等嵌入式系统。系统。仅仅8085/Z808085/Z80微处理器的销售就超过微处理器的销售就超过7 7亿片亿片, ,其中大部其中大部分是用于嵌入式工业控制应用。分是用于嵌入式工业控制应用。嵌入式系统开始走向繁荣嵌入式系统开始走向繁荣微处理器的广泛应用形成了一个广阔的嵌入式应用微处理器的广泛应用形成了一个广阔的嵌入式应用市场，计算机厂家除了要继续以整机方式向用户提市场，计算机厂家除了要继续以整机方式向用户提供工业控制计算机系统外，开始大量地以插件方式供工业控制计算机系统外，开始大量地以插件方式向用户提供

34、向用户提供OEMOEM产品，再由用户根据自己的需要构产品，再由用户根据自己的需要构成专用的工业控制微型计算机，嵌入到自己的系统成专用的工业控制微型计算机，嵌入到自己的系统设备中。设备中。为了灵活兼容，形成了标准化、模块化的单板机系为了灵活兼容，形成了标准化、模块化的单板机系列。流行的单板计算机有列。流行的单板计算机有IntelIntel公司的公司的iSBCiSBC系列、系列、ZilogZilog公司的公司的MCBMCB等。等。由于兼容的要求，这就导致了工业控制微机系统总由于兼容的要求，这就导致了工业控制微机系统总线的诞生。线的诞生。嵌入式系统开始走向繁荣嵌入式系统开始走向繁荣19761976年

35、年IntelIntel推出推出MultibusMultibus，19831983年扩展为带宽达年扩展为带宽达40MB/S40MB/S的的MultibusMultibus。19781978年年PrologProlog设计简单的设计简单的STDSTD总线广泛用于小型嵌入式总线广泛用于小型嵌入式系统。系统。19811981年年MotorolaMotorola推出的推出的VME_BusVME_Bus则与则与MultibusMultibus瓜分高瓜分高端市场。端市场。目前在工业控制领域，嵌入式目前在工业控制领域，嵌入式PCPC、PC104PC104、CPCICPCI（Compact PCICompact

36、 PCI）总线已广泛应用到工业控制领域。）总线已广泛应用到工业控制领域。嵌入式系统开始走向繁荣嵌入式系统开始走向繁荣单片机、单片机、DSPDSP出现出现随着微电子工艺水平的提高随着微电子工艺水平的提高, , 集成电路设计集成电路设计制造商开始把嵌入式应用所需要的微处理器、制造商开始把嵌入式应用所需要的微处理器、I/OI/O接口、接口、A/DA/D、D/AD/A转换、串行接口以及转换、串行接口以及RAMRAM、ROMROM通通集成到一个通通集成到一个VLSIVLSI中中, , 制造出制造出面向面向I/OI/O设计的微控制器，就是我们俗称的单片机设计的微控制器，就是我们俗称的单片机。 专门用于高速

37、实时信号处理的数字信号处理专门用于高速实时信号处理的数字信号处理器器DSPDSP。嵌入式系统开始走向繁荣嵌入式系统开始走向繁荣软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善在微处理器出现的初期，为了保障嵌入式软件的时在微处理器出现的初期，为了保障嵌入式软件的时间、空间效率，软件只能用汇编语言编写。间、空间效率，软件只能用汇编语言编写。由于微电子技术的进步，对软件的时空效率的要求由于微电子技术的进步，对软件的时空效率的要求不再那么苛刻了，嵌入式计算机的软件开始使用不再那么苛刻了，嵌入式计算机的软件开始使用PL/MPL/M、C C等高级语言。等高级语言。 对于复杂的嵌入式系统

38、来说除了需要高级语言开发对于复杂的嵌入式系统来说除了需要高级语言开发工具外，还需要嵌入式实时操作系统的支持。工具外，还需要嵌入式实时操作系统的支持。嵌入式系统开始走向繁荣嵌入式系统开始走向繁荣8080年代初开始出现了一批软件公司，推出商品化的嵌年代初开始出现了一批软件公司，推出商品化的嵌入式实时操作系统和各种开发工具。入式实时操作系统和各种开发工具。Ready System(Ready System(后来的后来的Microtec ResearchMicrotec Research、后来又、后来又被被Mentor GraphicMentor Graphic收购收购) )公司公司:VRTX:VRT

39、X操作系统及操作系统及Xray, Xray, SpectraSpectra工具工具Integrated System Incorporation (ISIIntegrated System Incorporation (ISI，后被，后被WindRiverWindRiver公司合并公司合并):pSOS):pSOS操作系统及操作系统及pRISMpRISM工具工具WindRiverWindRiver公司公司:VxWorks:VxWorks操作系统及操作系统及TornadoTornado工具工具QNXQNX公司公司:QNX:QNX操作系统及工具操作系统及工具商用嵌入式实时操作系统和开发工具的出现和推

40、广应商用嵌入式实时操作系统和开发工具的出现和推广应用，使用，使嵌入式系统的开发从作坊式向分工协作规模化嵌入式系统的开发从作坊式向分工协作规模化的方向发展的方向发展，促使嵌入式应用扩展到更广阔的领域。，促使嵌入式应用扩展到更广阔的领域。嵌入式系统应用走向纵深嵌入式系统应用走向纵深进入进入2020世纪世纪9090年代年代, , 在分布控制、柔性制造、数字在分布控制、柔性制造、数字化通信和数字化家电等巨大需求的牵引下，嵌入化通信和数字化家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统的硬件、软件技术进一步加速发展、应用式系统的硬件、软件技术进一步加速发展、应用领域进一步扩大。领域进一步扩大。手机、数码相机、手机、

41、数码相机、VCDVCD、数字电视、路由器、交换机等、数字电视、路由器、交换机等都是嵌入式系统。都是嵌入式系统。大多数豪华轿车每辆拥有约大多数豪华轿车每辆拥有约5050个嵌入式微处理器。个嵌入式微处理器。最新的波音最新的波音777777宽体客机上约有宽体客机上约有10001000个微处理器。个微处理器。在不久的将来你会在你的家里发现几十到上百的嵌入在不久的将来你会在你的家里发现几十到上百的嵌入系统在为你服务。系统在为你服务。嵌入式系统应用走向纵深嵌入式系统应用走向纵深嵌入式系统的硬件嵌入式系统的硬件4 4位、位、8 8位、位、1616位微处理器芯片已逐步让位于位微处理器芯片已逐步让位于3232位

42、嵌入式微处理器芯片。位嵌入式微处理器芯片。面向不同应用领域的（面向不同应用领域的（Application-Application-SpecificSpecific）、功能强大、集成度高、种类繁）、功能强大、集成度高、种类繁多、价格低廉、低功耗的多、价格低廉、低功耗的3232位芯片已大量应位芯片已大量应用于各种各样的军用和民用设备。用于各种各样的军用和民用设备。 DSPDSP向高速、高精度、低功耗发展。向高速、高精度、低功耗发展。DSPDSP与通用嵌入式微处理器集成（与通用嵌入式微处理器集成（SoCSoC）已成）已成为现实，并已大量应用于嵌入式系统，如手为现实，并已大量应用于嵌入式系统，如手机、

43、机、IPIP电话等。电话等。嵌入式系统应用走向纵深嵌入式系统应用走向纵深在工业控制领域，嵌入式在工业控制领域，嵌入式PCPC大量应用于嵌入大量应用于嵌入式系统中。式系统中。PC104PC104、CPCICPCI（Compact PCICompact PCI）总线因其成本）总线因其成本低、兼容性化也已被广泛应用。低、兼容性化也已被广泛应用。嵌入式系统的软件嵌入式系统的软件随着微处理器性能的提高，嵌入式软件的规随着微处理器性能的提高，嵌入式软件的规模也随着发生指数型增长。模也随着发生指数型增长。嵌入式系统应用走向纵深嵌入式系统应用走向纵深嵌入式嵌入式软件软件危机危机 软件体现价值软件体现价值 DV

44、D播放机功能：视频 + 音频（incl. MP3） 价格：200 600元iPod MP3播放机 功能：MP3 价格：iPod nano1 GB1400元iPod nano4 GB2200元iPod30GB2800元iPod60GB3800元 两者的硬件差异？ 两者的价格差异？ 核心价值在于：好的软件带给消费者最好的使用体验1.5 嵌入式系统的分类 按处理器位数划分 按应用类别划分 按系统的实时性划分 按工业界应用的复杂程度划分按处理器位数划分 4位嵌入式系统位嵌入式系统8位嵌入式系统位嵌入式系统16位嵌入式系统位嵌入式系统32位嵌入式系统位嵌入式系统64位嵌入式系统位嵌入式系统正成为主流发展

45、趋势正成为主流发展趋势高度复杂的、高速的嵌入式系统已开始采用高度复杂的、高速的嵌入式系统已开始采用目前已大量应用目前已大量应用按系统实时性划分硬实时硬实时汽车的汽车的ABSABS和安全气囊系和安全气囊系统、飞行控制系统、核电控制系统、飞行控制系统、核电控制系统统软实时软实时电视信号、证券交易电视信号、证券交易自适应实时自适应实时自动调整满足环境自动调整满足环境需要，保证性能级别需要，保证性能级别按工业界应用的复杂程度划分简单单处理器系统简单单处理器系统可扩展单处理器系统可扩展单处理器系统复杂嵌入式系统复杂嵌入式系统制造或过程控制中使用的计制造或过程控制中使用的计算机系统算机系统嵌入式系统的组成

46、嵌入式系统的组成嵌入式系统一般由嵌入式嵌入式系统一般由嵌入式硬件和软件组成硬件和软件组成硬件以微处理器为核心集硬件以微处理器为核心集成存储器和系统专用的输入成存储器和系统专用的输入/输出设备输出设备软件包括：初始化代码及软件包括：初始化代码及驱动、嵌入式操作系统和应驱动、嵌入式操作系统和应用程序等，这些软件有机地用程序等，这些软件有机地结合在一起，形成系统特定结合在一起，形成系统特定的一体化软件。的一体化软件。1.6 1.6 嵌入式系统基本结构嵌入式系统基本结构 嵌入式硬件组成嵌入式软件组成 嵌入式系统的软/硬件框架嵌入式嵌入式微处理器微处理器SDRAMSDRAMROMROMI/OI/OA/D

47、A/DD/AD/A人机交互接口人机交互接口通用接口通用接口实时操作系统(实时操作系统(RTOS)RTOS)图形用户图形用户接口接口BSP/HAL 硬件抽象层/板极支持包BSP/HAL 硬件抽象层/板极支持包任务管理任务管理文件系统文件系统应用程序应用程序嵌入式计算机系统嵌入式计算机系统硬件层硬件层软件层软件层中间层中间层功能层功能层1.7 嵌入式系统的设计要求 功能实用、便于升级功能实用、便于升级 并发处理、及时响应并发处理、及时响应 造型自然、结构紧凑造型自然、结构紧凑 接口方便、操作容易接口方便、操作容易 稳定可靠、维护简便稳定可靠、维护简便 功耗管理、降低成本功耗管理、降低成本1.8 嵌

48、入式系统开发 开发过程开发过程设计方法设计方法编程编程测试测试嵌入式软件的重用嵌入式软件的重用开发平台开发平台一、嵌入式系统开发过程嵌入式项目设计的七个具体阶段嵌入式项目设计的七个具体阶段产品定义产品定义软件与硬件的划分软件与硬件的划分迭代与实现迭代与实现详细的硬件与软件设计详细的硬件与软件设计硬件与软件集成硬件与软件集成产品测试与发布产品测试与发布持续维护与升级持续维护与升级二、嵌入式系统的设计 软件设计 硬件设计 集成设计三、嵌入式编程四、嵌入式系统测试软件功能的测试依赖于硬件。强壮性测试、可用性测试难。测试用例、测试结果上载困难。测试线程、任务、子系统之间的交互、并发和容错能力难。 嵌入

49、式测试困难：其他嵌入式系统测试还包括：其他嵌入式系统测试还包括： 定期测试微处理器、存储器、以及定期测试微处理器、存储器、以及嵌入式程序占用的存储空间。嵌入式程序占用的存储空间。 外围设备的测试。外围设备的测试。 电源测试。电源测试。 耗材的测试，如燃料测试。耗材的测试，如燃料测试。 安全测试。安全测试。 通信电缆测试。通信电缆测试。五、嵌入式软件的重用五、嵌入式软件的重用 遵循遵循MooreMoore定律，嵌入式软件的规定律，嵌入式软件的规模和复杂性迅速增大。模和复杂性迅速增大。 软件多样性迅速增加。软件多样性迅速增加。 开发周期缩短，软件的质量需要开发周期缩短，软件的质量需要保证。保证。嵌

50、入式软件开发面临的问题：嵌入式软件开发面临的问题：嵌入式构件嵌入式构件六、嵌入式软件开发平台六、嵌入式软件开发平台为用户开发（包括需求分析、为用户开发（包括需求分析、规格说明、设计、编码、测试、规格说明、设计、编码、测试、产品分配和维护等）嵌入式应产品分配和维护等）嵌入式应用程序而提供的高起点、综合用程序而提供的高起点、综合的支撑环境。的支撑环境。开发平台的构成开发平台的构成 面向领域的应用程序基本框架面向领域的应用程序基本框架 可重用的组件库可重用的组件库 参考设计参考设计 应用示例应用示例 开发工具集开发工具集 嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统 相关文档等相关文档等特殊的开发工具特殊的

51、开发工具 在线仿真器在线仿真器 数学计算工具如数学计算工具如MathCADMathCAD JTAGJTAG和和BDMBDM 软件固化工具软件固化工具 实时软件调试测试工具实时软件调试测试工具 未来嵌入式系统的发展趋势未来嵌入式系统的发展趋势 （1 1）嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工）嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持具和操作系统的支持 嵌入式开发是一项系统工程，需要提供强大的嵌入式开发是一项系统工程，需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。采用实时多任务编程技硬件开发工具和软件包支持。采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用术和交叉开发工具技

52、术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 目前，国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进目前，国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的有入我国市场的有WindRiverWindRiver、MicrosoftMicrosoft、QNXQNX和和NuclearNuclear等产品。中科院也推出了等产品。中科院也推出了HopenHopen嵌入式操作系嵌入式操作系统。统。 （2 2）联网成为必然趋势）联网成为必然趋势 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向面向2121世纪的嵌入式系统要求配

53、备标准的一种世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通信接口入设备必需配有通信接口, ,相应需要相应需要TCP/IP TCP/IP 协协议簇软件支持；由于家用电器相互关联议簇软件支持；由于家用电器相互关联( (如防如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息交换信息) )及实验现场仪器的协调工作等要求，及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394IEEE1394、USBUSB、CANCAN、Bluetooth

54、Bluetooth或或IrDAIrDA通信接口。通信接口。 （3 3）精简系统内核、算法，设备）精简系统内核、算法，设备实现小尺寸、微功耗和低成本实现小尺寸、微功耗和低成本 为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存容量和复用相应降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。如，选用最佳的编程模型和不断改技术要求。如，选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用进算法，采用JavaJava编程模式，优化编译器性能。编程模式，优化编译器性能。因此，既要软件人员有丰

55、富经验，更需要发展因此，既要软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，如先进嵌入式软件技术，如JavaJava、WebWeb和和WAPWAP等。等。 （4 4） 提供精巧的多媒体人机界面提供精巧的多媒体人机界面嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间的亲和利，要因素之一是它们与使用者之间的亲和利，自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交互要求以板和操纵杆。人们与信息终端交互要求以GUI

56、GUI屏幕为中心的多媒体界面。手写文字输屏幕为中心的多媒体界面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效。图形、图像已取得初步成效。嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势以信息家电、移动终端、汽车电子、网络以信息家电、移动终端、汽车电子、网络设备等为代表的互联网时代的嵌入式系设备等为代表的互联网时代的嵌入式系统，不仅为嵌入式市场展现了美好前景，统，不仅为嵌入式市场展现了美好前景，注入了新的生命，同时也对嵌入式系统注入了新的生命，同时也对嵌入式系统技术，提出新的挑战：技术，提出新的挑战：支持日趋增长的功能密度支持日趋增长的功

57、能密度灵活的网络联接灵活的网络联接轻便的移动应用轻便的移动应用多媒体的信息处理、低功耗、人机界面友好多媒体的信息处理、低功耗、人机界面友好互动互动支持二次开发和动态升级等支持二次开发和动态升级等嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势形成行业的标准：行业性嵌入式软硬件平台形成行业的标准：行业性嵌入式软硬件平台嵌入式系统是以应用为中心的系统，不会象嵌入式系统是以应用为中心的系统，不会象PCPC一样只一样只有一种平台。有一种平台。吸取吸取PCPC的成功经验，形成不同行业的标准。的成功经验，形成不同行业的标准。统一的行业标准具有开放、设计技术共享、软硬件重统一的行业标准具有开放、设计技术共享、软硬件

58、重用、构件兼容、维护方便和合作生产的特点，是增强用、构件兼容、维护方便和合作生产的特点，是增强行业性产品竞争能力的有效手段。行业性产品竞争能力的有效手段。如欧共体汽车产业联盟规定以如欧共体汽车产业联盟规定以OSEKOSEK标准作为开发汽车标准作为开发汽车嵌入式系统的公用平台和应用编程接口嵌入式系统的公用平台和应用编程接口嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势面向应用领域的、高度集成的、以面向应用领域的、高度集成的、以3232位嵌入式微位嵌入式微处理器为核心的处理器为核心的SOCSOC（System On ChipSystem On Chip）将成）将成为应用主流为应用主流SoCSoC给系统带

59、来高性能之外更多更重要的好处给系统带来高性能之外更多更重要的好处 稳定性、体积、散热、功耗稳定性、体积、散热、功耗 处理器处理器外设外设存储器存储器I/OI/O“System on board”“System on board”“System on chip”“System on chip”USBUSB以太网以太网memorymemoryExternalMemoryCPUAddressDataCacheBusInterfaceWrite BufferMMU / MPURRWWWW(R/W) 外设外设如如USB、LCD 控制器等控制器等扩展芯片扩展芯片内核（内核（core）处理器存储器子系统处理

60、器存储器子系统SoC的片内外设的片内外设系统的片外设备系统的片外设备处理器（处理器（Processor）芯片（芯片（SoC）系统（系统（System）嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持具和操作系统的支持采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。保障软件质量和缩短开发周期。 嵌入式操作系统将在现有的基础上，不断采嵌入式操作系统