嵌入式计算机与嵌入式系统(东华大学陈革教授)

1、第三讲 嵌入式计算机与嵌入式系统 1嵌入式系统开发基础 嵌入式系统的基本概念嵌入式系统的组成结构嵌入式系统的硬件组成嵌入式操作系统嵌入式应用软件开发嵌入式系统的开发流程嵌入式系统的发展趋势2一、什么是嵌入式系统 嵌入式系统被定义为： 根据IEEE的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”（Devices used to control，monitor、or assist the operation of equipment，machinery or plants） 即以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要

2、求的专用计算机系统。 3可以从以下几个方面来理解该定义：嵌入式系统是面向产品，面向用户，面向应用的。它必须与具体应用相结合才会具有生命力，才更具有优势。它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。 4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以及各个行业的具体应用相结合后的产物。这就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。所以介入嵌入式系统必须有一个正确的定位。例如：Palm OS 之所以在PDA领域占有70%以上的市场，是因为其立足于个人电子消费品，着重发展图形界面和多任务管理，而Windriver的VxWorks之所以在火星上得以应

3、用，则是因为其高实时性和高可靠性。 5嵌入式系统必须根据需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、成本、可靠性、体积等要求。所以如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发出适应各种需求的系统，是一个比较好的发展模式。 应该看到嵌入式系统是一个外延极广的概念，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统。狭义上人们讲到嵌入式系统时，一般是指具有操作系统的嵌入式系统。6嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键。软件要求固化存储，软件代码要求高质量、高可靠性，系统软件(OS)的高实时性是基本要求。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备

4、、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。7二、嵌入式应用的历史 嵌入式系统的发展历史相当悠久。早在电子数字计算机出现之前就有了把计算装置嵌入在系统和设备之中的嵌入式系统，那时的计算装置是由一些凸齿轮的机械量和电压电流的模拟量实现的；在20世纪40年代第一代电子计算机出现后的近20年里，这类计算机主要器件由电子管、晶体管、磁心等组成，因体积庞大，从而阻碍了在嵌入式系统中的发展。 8嵌入式应用的兴起是在20世纪60年代末集成电路化的第三代计算机时期，由于在军事和空间领域的需求推动，计算机的软硬件技水达到了可以把人送上月球再返回地面的可靠性要求，而且在这一时期计算机技术取得重大发展，例如：并行

5、技术，先行控制，流水线，单总线结构，高速通用寄存器，强有力的中断系统，交又存取，操作系统等。这些技术同时也应用到嵌入式计算机中来。 9而嵌入式应用的真正发展却是在微处理器问世之后。在这个时期，嵌入式计算机的发展是伴随着PC的发展而发展的。总的来说，嵌入式计算机工业的发展基本上是跟随通用计算机工业的发展而发展的。 101971年11月，Intel公司成功地把算术运算器和控制器电路集成在一起推出了世界上第一片微处理器Intel4004，这是嵌入式应用发展最重要的里程碑，其后各厂家推出了许多8位或16位的微处理器等。以这些微处理器为核心构成的嵌入式计算机系统，已经广泛应用于制造仪器仪表，医疗设备，机

6、器人和家用电器等领域。微处理器的广泛应用形成了一个广阔的嵌入式应用市场，计算机厂家以插件的方式开始向用户大量地提供OEM产品，再由用户根据自己的需要选择一套适合自己应用的CPU板，存储器板和各式I/O插件板构成专用的嵌入式计算机系统，并嵌入到自己的系统设备中，为实现其灵活性和兼容性的特点，已形成了系列化，模块化的单板计算机。 11随着微电子工艺水平的提高，集成电路制造商开始把嵌入式应用所需要的微处理器，I/O接口，A/D、D/A转换器，串行接口以及RAM、ROM等都集成到一个超大规模集成电路（VLSI）中，制造出面向I/O设计的微控制器，即我们俗称的单片机。单片机成为嵌入式系统异军突起的一支新

7、秀，而其后发展的DSP产品更快地提升了嵌入式系统的技术水平，迅速地渗入到消费电子、医用电子、智能控制、通信信电子、仪器仪表、交通运输等各种领域。12嵌入式软件也伴随着硬件技木的发展而发展。最初，编写和测试软件只有简单的编程开发工具。每个项目实际运行的软件通常来自于草稿的修改。由于编译器的缺陷，以及凋试工具的不完善，这些软件差不多都是使用汇编语言或者宏语言来编写。采用软件构建模块和标准库的编程思想及方法直到20世纪70年代中期才流行起来。 13商品化的嵌入式操作系统出现在20世纪70年代后期它们中许多是用汇编语言编写的，并且仅能用于为其编写的微处理器上。当这些微处理器过时的时候，这些OS也就无法

8、继续使用，必须在新的处理器上重新编写才能运行。今天，许多这类早期的系统已成为模糊的记忆，还有谁能够记得起MTOS呢？当C语言出现后，OS可以用一种高效、稳定、可移植的方式来编写。这种方式对使用和经营有着直接的吸引力，因为当微处理器废弃不用时，它承载着能够保护他们软件投资的希望。用C浯言编写OS已经成为种标准延续至今。总之，软件的可复用性已经为大家所接受，而且正在发挥着很好作用。 1420世纪80年代早期，最流行的嵌入式操作系统是Window操作系统。大约150美元就可以买到一个C源码库。它是一个开发套件，你可以选择各种组件来构建自己的操作系统，如同在菜单上点菜一样。例如，你可以在库清单上选择任

9、务调度算法和内存管理方案来实现自己的系统。很多商品化的嵌入式操作系统是在20世纪80年代出现的，这一热潮持续到现在。今天，有很多商品化的嵌入式操作系统可供开发者选择。如VxWorks、pSOS、Nucleus、Windows CE、EPOC和 Palm OS 等。 1520世纪90年代以来，在分布控制、柔性制造、数字通信和数字家电等巨大商业需求的推动下，嵌入式应用进一步得到了发展。在硬件方面，尤其是芯片方面的发展表现出三个特点： 1、面向实时信号处理算法的DSP向高速、高精度、低功耗方向发展，例加，Texas推出的第三代DSP芯片TMS320C30。 2、32位微控制器巳成为市场主流，并向高速

10、、智能化的方向发展。 3、嵌入式CPU的主频越来越高，同时在对多媒体的支持方面发展迅速，例如，Intel基于Xscale微构架结构和富士通的FR-V等都是嵌入式CPU中支持多媒体的典范，特别是富士通FR-V系列的CPU在MPEG4解码方面表现卓越，但离真正意义上的批量生产还有一定距离。 16三、计算机分类方法传统的计算机分类方法：按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域，可将其分为超级计算机、大型机、中型机、小型机和微型计算机，并以此来组织学科和产业分工，这种分类沿袭了大约40年。 现在的计算机分类方法：即按计算机的应用分类为嵌入式计算机和通用计算机 。17四、嵌入式系统特点 嵌入式

11、系统的几个重要特征是： 1、系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，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。比如ENEA公司的OSE系统内核只有5K，而Windows系统的内核要大得多。 2、专业性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统与硬件系统结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。即使在同一品牌，同一系列的产品中也需要根据硬件的变化和增减不断进行软件系统的修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大的修改。程序的编译下载要和系统相结合。18 3、系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件与应用软件的明显区分。 4、高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求

12、。而且软件要求固化存储，以提高速度，软件要求高可靠性与高质量。19 5、嵌入式操作系统一般使用多任务操作系统。用户必须自行选配RTOS（real time operating system）开发平台。这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并节约开发时间。 6、嵌入式系统开发需要专门的开发工具和系统。由于嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户也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。开发时往往具有主机与目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机。开发时需要交替结合进行。20五、嵌入式系统的组成结构嵌入式系统是专用计算机应用系统它具有一般计

13、算机组成的共性，也是由硬件和软件组成的，如图1所示。嵌入式系统的构架可分为四部分：处理器、存储器、I/O和软件（嵌入式设备的应用软件和嵌入式操作系统都是紧密结合的，这也是嵌入式系统和Windows系统的最大区别）21六、嵌入式处理器 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种数量已经超过1000多种，流行的体系结构巳达30几种系列，其中8051体系占有一多半。生产8051单片机的半导体厂家有20多个，共350多种衍生产品，仅Philips就有近100种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的嵌入式处理器设计部门。嵌入式处

14、理器的寻址空间一般从64KB到16MB，处理速度从0.1MIPS到2000MIPS，常用封装从几个引脚到几百个引脚不等。根据其现状，嵌入式计算机可以分成下面几类。22嵌入式微处理器 （Embedded Microprocesor Unit，EMPU 嵌入式微处理器的核心是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度地减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本上一样，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。 23 和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体

15、积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点：但是在电路板上必须包含ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件、从而降低了系统的可靠性，并且技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等装配在一块电路板上称为单板计算机，如STD-BUS、PC104等。近年来，德国和日本的一些公司又开发出了类似“火柴盒”式名片大小的嵌入式计算机系列OEM产品。 嵌入式处理器目前主要有Aml8688、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。24嵌入式微控制器 （MicroController Unit，MCU） 嵌入式微控制器又称单片机，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。

16、嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗定时器、I/O、串行口、脉宽凋制输出、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各种必要的功能和外设。和嵌入式微处理器相比、微控制器的最大优点是其单片化的特点、大大减小了体积，降低了功耗和成本，提高了可靠性。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。25 嵌入式微控制器目前品种和数量较多，有代表性的包括8051、P51XA、MCS-2、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外，还有许多半通用系列，例如支持USB接口的MC

17、U 8XC930/9、C504、C541；支持I2C、CAN-Bus及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占据嵌入式众统大约70%的市场份额。 近年来提供X86微处理器的著名厂商AMD公司，将Aml86CC/CH等嵌入式处理器称之为Microcontroller，Freescale 公司把Power为基础的PPC505和PPC555亦列入单片机行列。TI公司亦将其TMS320C2XXX系列DSP作为MCU进行推广。26嵌入式DSP处理器 （Embedded DigitaL Signal Processor，EDSP ） 嵌入式DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法

18、，编译效率较高，指令执行速度也较快。在数字滤波、FFT、频谱分析等方面，DSP算法正大量进入嵌入式领域，DSP应用正从通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器有两个发展来源，一是DSP处理器经过单片化、适当改造、增加片上外设而成的嵌入式DSP处理器，TI的TMS320 C2000/C5000等属于此范畴；另一个是在通用单片机或SOC（System On Chip）中增加DSP协处理器，例如Intel的MCS-296和Infineon 的TriCore。27 嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texas Instrument的TMS320系列和F

19、reescale)的DSP56000系列。 TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000、DSP561、DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。另外Philips公司今年也推出了基于可重置嵌入式DSPP结构的低成本、低功耗技术上的RREAL DSP处理器，其特点具备双Harvard结构和二乘累加单元，应用目标是大批量消费类产品。28 嵌入式片上系统 （ System On Chip，SOC） 随着电子数据交换（EDI）的推广和VLSI设计的普及化，以及半

20、导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的额时代已经来临，这就是System On Chip（SOC）。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其他嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需要定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件之外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗，以及提高可靠性都非常有利。29 嵌入式片上系统可以氛围通用和专用两类。通用系列包括Infineon 的TriCore，

21、Freescale 的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon 和Freescale 联合研制的Neuron芯片等。专用SOC一般专门用于某个或某类系统中，一般不为用户所知。一个有代表性的产品是Philips的Smart XA ，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在同一块硅片上，形成一个可加载Java或C语言专用SOC，可用于公共互联网，例如Internet安全方面。 30七、嵌入式操作系统嵌入式应用是完全面向功能的。在以往的应用中，往往注重硬件的开发和设计，而在目前越来越复杂的应用面前，嵌入式操作系统就变得越来越重要，成为嵌入式开发的核心。在嵌入式系

22、统的开发过程中，一般采用并行的开发方式，在完成对产品的需求分析和设计后，并行开发软件和硬件。在软件开发方面，可以采用软件仿真和交叉编译的方法，完成软件的开发工作，而硬件的开发可以在特定的开发器上进行。在开发的中后期，一般先要在仿真系统上实现开发目标的所有功能，并进行测试，然后在硬件开发团队开发的试验板上，加载相应的软件来验证开发目标的功能并进行测试，在发现问题是，检查并确认是硬件部分还是软件部分的问题，单方面修改或双方面修改后，再进行回归测试，直至软硬件之间的配合效率和系统稳定陆达到设计的目标。31 嵌入式实时多任务操作系统 实时多任务操作系统（Real Time Operating Syst

23、em，RTOS）是根据操作系统的工作特性而言的。实时是指物理进程的真实时间。实时操作系统是指具有实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统。首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务，其次着眼于提高计算机系统的使用效率，最重要的是要满足对时间的限制和要求。 RTOS体系结构如图2所示。32实时多任务操作系统与分时多任务操作系统 实时操作系统和分时橾作系统有明显的区别。具体地说，对于分时操作系统，软件的执行在时间上要求并不严格，时间上的错误一般不会造成灾难性的后果。而实时操作系统，主要任务是对事件进行实时处理，虽然事件可能在无法预知的时刻到达，但是在软件上，必须在事件发生时能够及时地作出响应（

24、系统响应时间），即使在尖峰负荷下也应如此，系统时间响应超时就意味着致命的失败。另外，实时操作系统的重要特点就是具有系统的可确定性，即系统能对运行情况在最好和最坏的情况作出精确的估计。 33实时操作系统中的重要概念 1、 系统响应时间（System Response Time）：系统发出处理要求到系统给出应答信号的时间； 2、 任务换道时间（Context-Switching Time）：是指任务间切换所使用的时间； 3、中断延迟（Interrupt Latency）：计算机接收到中断信号到操作系统作出响应，并完成换道而转人中断服务程序的时间。 此外，实时操作系统还应具有如下功能： 任务管理（多

25、任务和基于优先级的任务调度）； 任务间同步和通信（信号量和邮箱等）； 存储器优化管理（含ROM的管理）； 实时时钟服务； 中断管理服务。34实时操作系统的工作特性 实时操作系统中的任务（Task）等同于分时操作系统中的进程（Process）的概念。系统中的任务有四种状态：运行（Executing）、就绪（Ready）、挂起（Suspended）、冬眠（Dormant）。运行 获得CPU的控制权。就绪 进入任务等待队列；通过调度转为运行状态。挂起 任务发生阻塞，移出任务的等待队列，直到系统发生实时事件而被唤醒；从而转为就绪或运行状态。冬眠 因任务完成或错误发生等原因而被清除的任务；也可以认为是系

26、统中不存在的任务。系统中只能有一个任务处于运行状态；各任务按级别通过时间片轮流获得对CPU的访问权。 35八、典型的嵌入式操作系统Tornado/VxWorks pSOSystem Nucleus PLUS LynxOS RTXC OSE VRTX SuperTask&TRONTASK QNX 36 嵌入式Linux Linux是一种可以运行于个人电脑上的类UNIX的操作系统，问世于1991年。今天Linux操作系统已经逐渐渗透到了几乎所有与IT产业相关的领域， Linux具备易定制、易裁减、硬件支持广泛、免费、源代码开放等特点，国内的嵌入式Linux厂商队伍正在逐渐壮大，开始形成一个百家争鸣

27、的局面。市场上的嵌入式Linux厂商主要有中软、红旗、博利思、蓝点、网虎科技和共创软件联盟等等，它们各自均有自己的发展特点和技术特色。但国内厂商们正在设计的嵌入式产品形态，实际上还都普遍处于概念产品的阶段，除了实时数控领域已经涌现大量明确需求以外，其它嵌入式领域仍需要一段市场的培育期，以及一个根据市场反馈不断修正产品形态的过程。37C/OS- C/OS-是源代码公开的嵌入式实时操作系统。C/OS-是用标准C编写的，可移植性强。而与微处理器硬件相关的那部分是用汇编语言编写的，已经压到最低限度，使得C/OS-便于移植到其他微处理器上。C/OS-可以在绝大多数8位、16位、32位甚至64位微处理器、

28、微控制器、数字信号处理器上运行。Windows CE Microsoft Windows CE是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对于从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。操作系统的基本内核需要至少200K的ROM。38Palm OS 3Com公司的Palm OS在PDA市场上占有很大的市场份额，它有开放的操作系统应用程序接口（API），开发商可以根据需要自行开发所需要的应用程序。 OS-9 Microwave的OS-9是为微处理器的关键实时任务而设计的操作系统，广泛应用于高科技产品中，包括消费电子产品、工业自动化、无线通讯产品、医疗仪器、数字电视/多媒体设备。它提供了很好的安全性和容错性。与其他的嵌入式系统相比，它的灵活性和可升级性非常突出。39九、嵌入式应用软件开发嵌入式应用软件是实现系统各种功能的关键，好的应用软件使得同样的硬件平台更好、更高效地完成系统功能，使系统具有更大的经济价值。嵌入式应用软件是针对特定应用的、基于相应的硬件平台、为完成用户预期任务而设计的计算机软件。用户的任务有时间、精度的要求，同时嵌入式系统对于实现成本十分敏感，因此在满足系统功能要求的前提下，就要最大限度地降低系统成本，除了精简每个硬件单元的成本外，还应尽可能地减少嵌入式应用