第1章嵌入式系统基础

1、 大连理工大学软件学院大连理工大学软件学院 邱铁邱铁综合楼综合楼421Tel：87571656E_mail:参考教材：参考教材：ARM嵌入式系统结构与编程嵌入式系统结构与编程第第2版版清华大学出版社清华大学出版社2013年年8月出版月出版2TM第一讲第一讲 嵌入式系统基础嵌入式系统基础 本讲介绍了嵌入式系统开发的基础知本讲介绍了嵌入式系统开发的基础知识，从嵌入式计算机的历史由来、嵌入识，从嵌入式计算机的历史由来、嵌入式系统的定义、嵌入式系统的基本特点式系统的定义、嵌入式系统的基本特点、嵌入式系统的分类及应用、嵌入式系、嵌入式系统的分类及应用、嵌入式系统软硬件各部分组成、嵌入式系统的开统软硬件各

2、部分组成、嵌入式系统的开发流程、嵌入式技术的发展趋势等方面发流程、嵌入式技术的发展趋势等方面进行了介绍。进行了介绍。3TM3一一.嵌入式系统基本概念嵌入式系统基本概念n在电子计算机发展的初期，计算机一直是在电子计算机发展的初期，计算机一直是“供养供养”在特殊的机房中的大型、昂贵的专用设备。在特殊的机房中的大型、昂贵的专用设备。n1971年年11月月15日，日，Intel发布了自己的首款微处发布了自己的首款微处理器，型号理器，型号4004”，这也是，这也是首次将一台编程计算首次将一台编程计算机所需的各种元素融合在一颗单独的芯片机所需的各种元素融合在一颗单独的芯片上。上。n微处理器的智能化水平引起

3、了设备制造、机电控微处理器的智能化水平引起了设备制造、机电控制等专业人士的兴趣，要求将制等专业人士的兴趣，要求将微型机嵌入到一个微型机嵌入到一个控制对象的体系中控制对象的体系中，实现对象体系的智能化控制，实现对象体系的智能化控制。4TM4第一片集成式微处理器第一片集成式微处理器40045TM58086、2866TM6386、4867TM7Pentium8TM8PentiumII、PentiumIII9TM9多核芯片需求增长多核芯片需求增长10TM10 嵌入式计算机n微处理器微处理器(MCU)的问世极大的促进了控制领域的发展，的问世极大的促进了控制领域的发展，极大的提高了系统的可控性和智能化。极

4、大的提高了系统的可控性和智能化。n到到80年代初，以年代初，以Intel公司公司x86为主流的应用于个人计算为主流的应用于个人计算机机PC的微处理器格局已形成。的微处理器格局已形成。n为了区别于原有使用在为了区别于原有使用在PC的通用计算机，把嵌入到对象的通用计算机，把嵌入到对象体系中、实现智能化控制的微控制器，称作嵌入式计算体系中、实现智能化控制的微控制器，称作嵌入式计算机。机。n因此因此,嵌入式计算机是诞生于微处理器发展时代嵌入式计算机是诞生于微处理器发展时代11TM11嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念n随着计算机技术对其它行业的广泛渗透随着计算机技术对其它行业的广泛渗透和与其它行业应用技

5、术的相互结合，和与其它行业应用技术的相互结合，以以应用为中心应用为中心的分类方法变得似乎更加切的分类方法变得似乎更加切合实际发展合实际发展;n按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将其分为将其分为通用计算机和嵌入式计算机通用计算机和嵌入式计算机。12TM12嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念n而非通用计算机的计算机嵌入式计算机，是以而非通用计算机的计算机嵌入式计算机，是以作为作为嵌入式系统的核心部件的形式隐藏在各种装置、设备嵌入式系统的核心部件的形式隐藏在各种装置、设备、产品和系统中、产品和系统中。n嵌入式计算机是计算机技术发展中的一种计算机存在嵌入式计算机是计算机

6、技术发展中的一种计算机存在的形式的形式，是从计算机技术的发展中分离出来的。，是从计算机技术的发展中分离出来的。13TM13嵌入式系统的行业定义嵌入式系统的行业定义n IEEE的定义：的定义：nDevices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants.n从中可以看出，嵌入式系统是从中可以看出，嵌入式系统是软件和硬件的综合体软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置，还可以涵盖机械等附属装置14TM14我国嵌入式系统的行业定义我国嵌入式系统的行业定义n以应用为中心以应用为

7、中心,以计算机技术为基础以计算机技术为基础, 软软件硬件可裁剪件硬件可裁剪适应应用系统对功能、可适应应用系统对功能、可靠性、成本、功耗严格要求的专用计算靠性、成本、功耗严格要求的专用计算机系统。机系统。15TM15二二. .嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类n嵌入式系统嵌入式系统按表现形式及使用硬件种类分为：按表现形式及使用硬件种类分为： 系统中使用含程序或算法的处理器的嵌入式系统为芯片系统中使用含程序或算法的处理器的嵌入式系统为芯片级嵌入；级嵌入； 系统中使用某个核心模块的嵌入式系统为模块级嵌入；系统中使用某个核心模块的嵌入式系统为模块级嵌入；n嵌入式系统按软件实时性需求分：嵌入式系统按软件实

8、时性需求分： 非实时系统（如非实时系统（如PDA）；）； 软实时系统（如消费类产品）；软实时系统（如消费类产品）； 硬实时系统（工业实时控制系统）硬实时系统（工业实时控制系统） 16TM16三三.嵌入式系统的应用与发展嵌入式系统的应用与发展17TM17嵌入式系统的应用范围嵌入式系统的应用范围 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业军事国防军事国防电子商务电子商务网络网络18TM18崭新的崭新的数字世界数字世界多彩的嵌入式应用多彩的嵌入式应用 无线

9、电的发展无线电的发展BTH矿石收音机 单二极管Bush收音机收音机 7个晶体管单二极管Evoke DAB收音机收音机1亿个晶体管2-3个嵌入式处理器19TM19电话的发展电话的发展电话电话 无晶体管BT DECT 1千万个晶体管3个处理器诺基亚手机诺基亚手机 超过7亿个晶体管(多数用于存储器)5-6个处理器新式诺基新式诺基亚手机亚手机 苹果苹果iphone 20TM20 计算机的发展计算机的发展Apple Macintosh 黑白显示器1 MIP 处理器Acorn Archimedes彩色显示器10 MIP 处理器 RISC集惠普康柏掌上电脑惠普康柏掌上电脑 彩色显示200 MIP 处理器64

10、MB 内存 袖珍型袖珍型21TM21嵌入式Internet应用22TM22 航海仪器的发展航海仪器的发展地图、时钟、指南针地图、时钟、指南针 印刷及磁技术无晶体管Raytheon 船用航海仪器GPS定位器定位器 约1亿个晶体管1-2个处理器 + 4个人造卫星个人造卫星!GPS定位器定位器 约5亿个晶体管2-4个处理器超过10个人造卫星个人造卫星!23TM23军事国防领域军事国防领域24TM24航天领域航天领域25TM25嵌入式系统在机器人控制中的应用嵌入式系统在机器人控制中的应用( (大工大工) )26TM26智能玩具与机器人智能玩具与机器人27TM27 其他产品发展其他产品发展Disc on

11、 KeyKonica Revioi Pad28TM28 我们正步入一个崭新的我们正步入一个崭新的“数字世界数字世界”无线连接是无线连接是“数字胶水数字胶水”嵌入式应用嵌入式应用29TM29四四. .嵌入式系统的组成结构嵌入式系统的组成结构应用程序实时操作系统（RTOS）输入输出接口处理器/ARM核MMU/CacheSOC/SOPCUSBGPIOIISLCDUART和IrDAADC/DACFPGA/CPLDDSP/浮点运算协处理器DMA电源管理典型的嵌入式系统组成人机交互接口LCD/触摸屏、键盘、鼠标设备驱动程序文件系统/图形用户应用程序接口驱动层OS层应用层软件硬件以太网看门狗及复位电路Tim

12、er/RTCCANFlashEEPROMSDRAMSRAM内存30TM301.1.硬件基本结构硬件基本结构n嵌入式系统的硬件架构，是以嵌入式系统的硬件架构，是以嵌入式处理器为中心嵌入式处理器为中心，配，配置存储器、置存储器、I/O设备、通信模块以及电源等必要的辅助接设备、通信模块以及电源等必要的辅助接口组成。口组成。n嵌入式系统是嵌入式系统是“量身定做量身定做”的的“专用计算机应用系统专用计算机应用系统”。（。（Customize），非常经济、可靠。），非常经济、可靠。 31TM典型的嵌入式系统组成典型的嵌入式系统组成 32TM32硬件基本结构硬件基本结构n嵌入式系统嵌入式系统硬件核心是嵌入式

13、微处理器硬件核心是嵌入式微处理器，有时为了提高，有时为了提高系统的信息处理能力，常常系统的信息处理能力，常常外接外接DSP和和DSP协处理器协处理器（也可内部集成）完成高性能信号处理。也可内部集成）完成高性能信号处理。n以微处理器为核心的集成多种功能的以微处理器为核心的集成多种功能的SoC系统芯片已成系统芯片已成为嵌入式系统的核心为嵌入式系统的核心33TM332.嵌入式系统软件的层次结构n如当设计一个简单的应用程序时，可以不使用操作系统如当设计一个简单的应用程序时，可以不使用操作系统，但是，但是当设计较复杂的程序时，可能就需要一个操作系当设计较复杂的程序时，可能就需要一个操作系统统（OS），减

14、少应用程序员的负担。），减少应用程序员的负担。n对于使用操作系统的嵌入式系统来说，结构三个层面：对于使用操作系统的嵌入式系统来说，结构三个层面：设备驱动层、实时操作系统（设备驱动层、实时操作系统（RTOS）、实际应用程序）、实际应用程序层层。34TM343.启动程序BootLoader介绍n对于对于PC机，启动初始化由机，启动初始化由BIOS完成的，完成的，对于嵌入式系统来说必须自行编写系统初对于嵌入式系统来说必须自行编写系统初始化程序，在嵌入式中称为始化程序，在嵌入式中称为BootLoader程序。程序。n因此在系统加电复位后，处理器将首先执因此在系统加电复位后，处理器将首先执行行 Boot

15、 Loader 程序。程序。35TM35嵌入式技术的发展趋势嵌入式技术的发展趋势n时代的发展使得嵌入式产品获得了巨大的商时代的发展使得嵌入式产品获得了巨大的商机，为嵌入式产品提供了广阔的市场前景，机，为嵌入式产品提供了广阔的市场前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战 。36TM36n1随着信息化与数字化的发展，嵌入式设备进行随着信息化与数字化的发展，嵌入式设备进行网络互联是未来发展的趋势。网络互联是未来发展的趋势。n未来的嵌入式设备为了适应信息化与数字化的发展未来的嵌入式设备为了适应信息化与数字化的发展，网络化成为发展的方向。要进行网络互联，在硬，网络化

16、成为发展的方向。要进行网络互联，在硬件设计上要提供各种网络通信接口件设计上要提供各种网络通信接口 。n在应用软件方面，要提供可以在设备上安装嵌入式在应用软件方面，要提供可以在设备上安装嵌入式Web浏览器，实现网页浏览和远程数据库的访问。浏览器，实现网页浏览和远程数据库的访问。 37TM37n2优化嵌入式系统软硬件内核，提高系统运行速优化嵌入式系统软硬件内核，提高系统运行速度，降低功耗和硬件成本。度，降低功耗和硬件成本。n嵌入式产品是软件和硬件相结合的设备，为了提高嵌入式产品是软件和硬件相结合的设备，为了提高运行速度、降低功耗和成本，要求开发人员尽量裁运行速度、降低功耗和成本，要求开发人员尽量裁

17、剪系统的硬件资源和软件内核，利用最少的硬件资剪系统的硬件资源和软件内核，利用最少的硬件资源和软件结构实现最多的功能。在实现过程中要不源和软件结构实现最多的功能。在实现过程中要不断的优化硬件电路并改进算法，达到最佳的控制功断的优化硬件电路并改进算法，达到最佳的控制功能。能。 38TM38n3指令级的并行计算技术将引入嵌入式微处理器。指令级的并行计算技术将引入嵌入式微处理器。n在工程的实际应用中会出现大量的数据执行相同的运在工程的实际应用中会出现大量的数据执行相同的运算功能，比如向量计算，这就需要在单个时钟周期内算功能，比如向量计算，这就需要在单个时钟周期内实现多个数据的运算操作。实现多个数据的运

18、算操作。n在在CPU中设计多个执行部件来完成此功能，这种中设计多个执行部件来完成此功能，这种CPU的架构形式称为单指令流多数据流体系结构，的架构形式称为单指令流多数据流体系结构，也称之为指令级的并行计算技术。也称之为指令级的并行计算技术。 39TM39n4嵌入式微处理器将会向多核技术发展。嵌入式微处理器将会向多核技术发展。n无所不在的智能必将带来无所不在的计算，大量的无所不在的智能必将带来无所不在的计算，大量的图像信息也需要高速的处理器来处理，面对海量数图像信息也需要高速的处理器来处理，面对海量数据，单个处理器可能无法在规定的时间完成处理。据，单个处理器可能无法在规定的时间完成处理。 n引入并行计算技术，可以采用多个执行单元同时处引入并行计算技术，可以采用多个执行单元同时处理，这就是处理器的多核技术。理，这就是处理器的多核技术。 40TM40n5嵌入式技术将引领