嵌入式系统概述整本书课件完整版电子教案(最新)

1、嵌入式系统概述嵌入式系统的概念嵌入式系统的特点嵌入式系统的演变嵌入式系统的基本组成嵌入式系统的应用嵌入式系统的开发过程嵌入式系统研究热点嵌入式系统原理与应用 20081. 嵌入式系统的概念1.1 计算机系统分类以往计算机分类：大型计算机、中型机、小型机和微计算机目前计算机分类：超级计算机、大型计算机、工作站、微计算机、亚微计算机亚微计算机(嵌入式计算机) 是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中计算机系统不仅仅是:嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式系统的概念1.2 嵌入式系统的范围嵌入在电子设备内部的计算系统任何包含一个或多个专用的计算机、微处理器或微控制器的电子设备能执行特定功能的

2、计算机硬件和软件的结合体嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式系统的概念A “short list” of embedded systemsAnti-lock brakesAuto-focus camerasAutomatic teller machinesAutomatic toll systemsAutomatic transmissionAvionic systemsBattery chargersCamcordersCell phonesCell-phone base stationsCordless phonesCruise controlCurbside check-in syste

3、msDigital camerasDisk drivesElectronic card readersElectronic instrumentsElectronic toys/gamesFactory controlFax machinesFingerprint identifiersHome security systemsLife-support systemsMedical testing systemsModemsMPEG decodersNetwork cardsNetwork switches/routersOn-board navigationPagersPhotocopier

4、sPoint-of-sale systemsPortable video gamesPrintersSatellite phonesScannersSmart ovens/dishwashersSpeech recognizersStereo systemsTeleconferencing systemsTelevisionsTemperature controllersTheft tracking systemsTV set-top boxesVCRs, DVD playersVideo game consolesVideo phonesWashers and dryers嵌入式系统原理与应

5、用 2008嵌入式系统的概念1.3 英国电机工程师学会的定义: “嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或甚至工厂操作的装置”通常执行特定功能以微电脑和外围构成核心严格的时序和稳定性要求全自动操作循环嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式系统的概念1.4 精确定义: 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、功耗严格要求的专用计算机系统 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和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点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。嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式系统的概念

6、1.5 嵌入式系统的的其它定义嵌入式系统的简单定义嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统嵌入式系统的狭义定义使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己的操作系统并且具有某些特定功能的系统微处理器专指32位以上的微处理器广义定义:任何一个非计算机的计算系统嵌入式系统原理与应用 20082. 嵌入式系统的特点2.1 嵌入式系统的特点:系统内核小：一般应用于小型电子装置。系统精简：无系统软件和应用软件的明显区别。专用性强：软硬件结合紧密、针对硬件进行系统的移植。资源有限：通常要求产品廉价、耗电少、体积小、速度快等。实时性：

7、实时多任务的操作系统、合理调度多任务专门的开发工具和环境。2.2 嵌入式系统软件的特征:软件要求固态化存储 软件代码高质量、高可靠性 系统软件(OS)的高实时性是基本要求 多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式系统的特点MicrocontrollerCCD preprocessorPixel coprocessorA2DD2AJPEG codecDMA controllerMemory controllerISA bus interfaceUARTLCD ctrlDisplay ctrlMultiplier/AccumDigital cam

8、era chiplensCCD一个嵌入式系统的典型例子 数码相机嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式系统的特点2.3 嵌入式系统具有的产品特征:面向用户、面向产品、面向应用 升级换代也是和具体产品同步 、具有较长的生命周期软件和硬件结合紧密嵌入式处理器的发展也体现出稳定性普通处理器18月嵌入式处理器8-10年2.4 嵌入式系统工业的特点和要求嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业 PC由WINTEL垄断嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软件产品开发。嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式系统的特点2.5嵌入式系统开发的特点嵌入式系统开发需要开发工具和环境通用计算机具有

9、完善的人机接口界面嵌入式系统本身不具备自举开发能力这些工具和环境一般是基于通用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。 嵌入式系统软件需要RTOS开发平台通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口(API)，但一般不是实时的。嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。但为了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。需要选配RTOS开发平台嵌入式系统原理与应用 20083. 嵌入式系统的演变3.1 计算机用于控制设备或嵌入系统的历史几乎与计算机自身的历史一样长计算机控制系统单片机掀起电子化浪潮微处理器高速发展推动了嵌入式系统3.2 嵌入式系统

10、的演变8031/8051单片机系统，自行编写程序；68360/386EX控制系统，自己编写简单的操作系统；32位嵌入式处理器pSoS嵌入式操作系统tcp/ip协议栈；各种SoC+嵌入式Linux/VxWorks+嵌入式Web 设备server以及各种复杂网络协议栈GUI图形界面无线模块现代可移动的网络智能设备3.3 后PC技术的时代小到mp3、PDA等微型数字化产品，大到网络家电、智能家电、车载电子设备嵌入式系统是这个后PC时代的擎天之柱世界电子产品产值已超过数万亿美元，并且逐年递增嵌入式系统原理与应用 20084. 嵌入式系统基本构成嵌入式硬件系统嵌入式处理器各种类型存储器模拟电路及电源接口

11、控制器及接插件嵌入式软件系统板级支持包（BSP）设备驱动（Device Driver）操作系统（OS/RTOS）协议栈（Protocol Stack）应用程序（Application）存储器及外围电路嵌入式处理器嵌入式操作系统应用软件嵌入式系统原理与应用 20084.1嵌入式系统的硬件基本构成嵌入式系统原理与应用 20084.2 嵌入式系统的软件基本构成嵌入式操作系统设备驱动及一些中间件协议栈（JAVA VM/JITs)应用软件板级支持包（BSP）Windows CE,Pocket PC,Palm,Symbian and Linux编译器、调试器和仿真器嵌入式系统原理与应用 20084.3 嵌

12、入式处理器嵌入式处理器:嵌入式微处理器（MPU)ARM（本课程使用ARM920T) Dragonball MC9328 Mx1嵌入式微控制器(MCU) 8051、P51XA、MC68HC05/11/12/16、68300等 嵌入式DSP处理器嵌入式片上系统（SOC-System On Chip）嵌入式可编程片上系统（EPSOC）嵌入式系统原理与应用 20084.3.1 嵌入式微控制器（MCU）主要是指单片机片内集成ROM/EPROM、RAM、FLASH/EEPROM、总线、定时器、计算器、看门狗、I/O、串行口、PWM（脉宽调制输出）、A/D、D/A、等各种必要功能和外设一般来讲具有以下特点可

13、单片完成功能，片内可有ROM/RAM/FLASH，并带所需的通信接口，I/O等，外设资源丰富，适于控制体积小，功耗低，成本低，可靠性高仍是嵌入处理器主流，占70左右典型器件：通用系列：8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等半通用系列：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式微控制器（MCU）嵌入式系统原理与应用 20084.3.2 嵌入式DSP处理器系统结构和指令算法经过特殊设计

14、，增强了数字信号处理能力（数字滤波、FFT、谱分析等）适于运算量大，特别是向量运算、指针线性寻址较多的智能算法实现 主要应用于带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，ADSL接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等 代表产品有TI的TMS320C2000/C5000 和Motorola的DSP56000通用DSP与嵌入式DSP的区别通用DSP的制造商主要是Agree、ADI、Motorola和TI四大厂商;而嵌入式DSP的供应商超过100家,产品种类繁多;通用DSP主要完成高速数据处理的功能;而嵌入式DSP则更多地与ASIC、ASSP、FPGA、MCU等共处一体;目前,

15、通用DSP的应用更集中在通信领域;而嵌入式DSP是消费类电子产品的主要选择;嵌入式DSP由于应用的要求,具备相对较低的功耗。 嵌入式系统原理与应用 20084.3.3 嵌入式SOCSystem On Chip,片上系统/系统芯片将很多功能模块集成到单个芯片上各种通用处理器内核作为SOC设计公司的标准库，用VHDL等语言描述除个别无法集成外，嵌入式系统的大部分集成到一或几片芯片中优点可利用降低片内工作电压，减少功耗减少芯片对外引脚数，使系统板简洁，减小体积减少原来芯片间的信号传递，提高了处理速度；减少了信号传递过程中可能造成的干扰，提高了可靠性软硬件无缝结合，可直接在片内嵌入操作系统代码模块嵌入

16、式系统原理与应用 2008嵌入式SOC大致分为通用和专用两类通用Siemens的TriCoreMotorola的M-CoreEchelon和Motorola联合研制的Neuron专用Philips的SmartXA例如 ARM+DSP,ARM+ARM嵌入式系统原理与应用 20084.3.4 嵌入式SOPCSOPC可编程片上系统技术基础超大规模可编程逻辑器件及其开发工具的成熟FPGA晶体管集成密度提高FPGA成本足以与ASIC抗衡FPGA的设计、综合、仿真、测试工具性能已达到相当高水平微处理器核以IP的形式嵌入到FPGA中IP Core的开发理念逐渐深入，标准IP库日益丰富信号处理算法、软件算法和

17、控制逻辑等均以IP核的形式体现目前已比较成熟的SOPC开发平台：Xilinx Spartan II FPGA和MicroBlaze软处理器IP CoreXilinx Virtex II pro FPGA和PowerPC硬处理器IP CoreAltera XA1/XA10/Nois FPGA和处理器IP Core嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式SOPC嵌入式系统原理与应用 20084.3.5 嵌入式微处理器MPU由通用计算机的CPU发展而来与通用CPU区别：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以最低功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求与工业控制计算机相比，嵌入式处理器体

18、积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式微处理器MPU目前主要嵌入式微处理器有：MIPSX86系列Am186/188、386EX开发方便，移植容易体积大、功耗高、实时性差ARM系列小体积、低功耗、低成本、高性能支持16/32位双指令集全球众多的合作伙伴PowerPC系列， Motorola和IBM联合开发的微处理器核另外还有SPARC、68000,SC-400等嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式微处理器MPU - MIPS典型的嵌入式微处理器MIPS:MIPS公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商，在RISC处理器方面占有重要地位

19、MIPS于80年代处开始RISC处理器设计，90年代中后期开始将战略重点放在嵌入式处理器设计1999年，MIPS发布了MIPS 32和MIPS 64架构标准，为MIPS处理器的开发奠定了基础MIPS公司开发了32位高性能，低功耗的处理器内核MIPS 32 4Kc和64位的处理器内核MIPS 64 5Kc应用范围：机顶盒、视频游戏机、Cisco路由器、激光打印机嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式微处理器MPU - PowerPC典型的嵌入式微处理器PowerPC:PowerPC架构的特点是可伸缩性好，方便灵活既有通用处理器，也有嵌入式微控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端服务器、工作站到PC

20、，从消费类电子到通信设备基于PowerPC架构的处理器有IBM开发的PowerPC 405 GP，集成了10 /100M以太网控制器、串行和并行接口、内存控制器以及其他外设的高性能嵌入式处理器MPC823e是一款高度综合的片上系统（SOC）嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式微处理器MPU X86典型的嵌入式微处理器x86由8086系列处理器发展而来典型产品Am186/188,386EXNS Geode GX1 300MHZ主要特点开发容易方便移植体积大，功耗高，实时性差嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式微处理器MPU - ARMARM嵌入式微处理器ARM（Advanced RISC Mac

21、hines)公司是全球领先的16/32位RISC微处理器知识产权（IP）设计供应商。ARM转让他的RISC微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴生产各种用途的处理器芯片。ARM已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费电子设备的嵌入式解决方案的RISC标准。ARM处理器有三大特点体积小、功耗低、成本低，性能高ARM/Thumb 16/32位双指令系统全球众多的合作伙伴嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式微处理器MPU - ARMCISC vs. RISCCISCComplex Instruction Set Computer ,复杂指令集Intel, IA (Intel Architectu

22、re) 32架构AMDRISCReduced Instruction Set Computer，精简指令集SPARC ,Sun与TI开发PA-RISC, HP开发Alpha, Compaq开发PowerPC ，IBM与Motorola开发MIPSARM二者在软件和硬件上都不兼容嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式微处理器MPU - ARMRISC体系结构的特点:采用固定长度的指令格式，指令规整、简单（ARM指令为32位）使用单周期指令，便于流水线操作大量使用寄存器（ARM共有37个寄存器），数据处理指令只对寄存器操作，访问存储器只使用Load/Store指令。嵌入式系统原理与应用 2008嵌入

23、式微处理器MPU - ARM典型的ARM微处理器:Intel公司的StrongARM系列：SA-110/1100/1101/1110/1111,用于Palm Pocket PC和网络Intel公司的XScale系列：PXA210/220/250/255Cirrus Logic公司的ARM系列：EP7209/7211/7212/7312/9312,PS7500FE，用于MP3Samsung公司的ARM系列：S3C44B0,S3C2400,S3C4510，用于ADSL和PDAMotorola半导体的DragonBall MX1，用于PDA和蓝牙Qualcomm 公司的MSP1000 、MSM300

24、0 、MSM5000、MSM6000，用于 CDMA Philips 公司的SAA7750、VWS22100、VCS94250、VWS26001，用于 MP3,GSM ,3G,BTTriscend 公司的ARM产品：A7 嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式微处理器MPU - ARMARM 应用广泛嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式微处理器MPU - ARMARM 用于无线设备嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式微处理器MPU - ARM例：嵌入处理器应用于GSM商务手机嵌入式系统原理与应用 20084.4 嵌入式软件技术发展现状与趋势近十年来，嵌入式操作系统发展飞速， 支持处理器不断丰富，

25、功能不断增强。嵌入式操作系统支持微处理器：芯片从8位到16位、32位甚至64位。从支持单一品种的CPU芯片到支持多品种的。支持强大的核外功能，如文件系统，TCP/IP网络系统，窗口图形系统等。未来五年，嵌入式操作系统内核向微型化、高可靠可信、强实时、构件组件化发展；支撑开发环境向集成化、可调试化、支持模型驱动设计发展；支持无线通信和能源管理功能将日益重要行业性开放系统日趋流行；面向领域特制的嵌入式操作系统走向开放、标准规范化、平台化 行业嵌入式软件形成了不同行业的标准，例如中国手机软件联盟制定了手机API标准。统一的行业标准具有开放、设计技术共享、软硬件重用、构件兼容、维护方便和合作生产的特点

26、，是增强行业性产品竞争能力的有效手段，例如，欧共体汽车产业联盟规定以OSEK标准。嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式软件技术发展现状与趋势自由开源的软件技术在嵌入式应用上尤其备受青睐，Linux渐成主流之一；以J2ME/JINI为代表的嵌入式技术将对嵌入式软件的发展产生深远影响。嵌入式软件的技术领域不断扩大并逐成体系相关技术包括，实时系统，仿真工具，编译技术等，形成包括嵌入式操作系统、数据库、中间平台软件在内的嵌入式软件体系。嵌入式软件与互联网、普适计算、SOC的结合趋势加剧 迅猛发展的SOC再次推进了嵌入式软件与硬件系统进一步融合嵌入，嵌入式软件是其的灵魂与核心。嵌入式IP构件库技术，正在

27、造就一个新兴的软件行业。互联网的“深度”联网，“动态自组”的传感器网络，推动嵌入式技术与互联网技术的“深层次”结合。对具有无所不在、自适应、游牧的、永恒的普适计算的嵌入式软件研究，将成为极为重要领域嵌入式系统原理与应用 20085. 嵌入式系统的应用goReader Internet eBookSamsung AnyWebInternet Screen PhoneeRemoteIntelligent Home ControllerTektronix TDS7000 Digital OscilloscopesNixvue Digital AlbumDigital Photo Album嵌入式系统

28、原理与应用 20085.1 无所不在的嵌入式系统嵌入式系统的应用远远超过了各种通用计算机一台通用计算机的外部设备中就包含了5-10个嵌入式微处理器：键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。嵌入式系统原理与应用 2008无所不在的嵌入式系统嵌入式系统原理与应用 2008无所不在的嵌入式系统嵌入式系统原理与应用 20085.2 嵌入式系统的市场5.2 嵌入式系统的市场家用市场机顶盒、掌上电脑、D

29、VD、MP3、数码相机、数字电视、WebTV、网络冰箱、网络空调、家庭网关、智能家用电器、车载导航器系统等通信市场电话交换系统，电缆系统，卫星和全球定位系统（L3D），数据交换设备，移动电话等工业市场制造工厂，污水处理系统，发电站和电力传输系统，自动化工厂，控制系统开发，维护和测试的工具，石油提炼和相关的贮运设施，建筑设备，计算机辅助制造系统，能源控制系统，核电站，机器人系统等商业和金融市场自动柜员机，信用卡系统，售货端系统，安全系统等 嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式系统的市场办公市场电话系统，传真系统，复印机，计时系统，照相机和摄象机运输市场 航空、铁路、公路运输系统，燃料服务，航空管

30、理，信令系统，雷达系统，交通指挥系统，停车系统，售票系统，乘客信息系统，检票系统，行李处理系统，应急设备等建筑市场 电力供应，备用电源和发电机，火警控制系统，供热和通风系统，电梯和升降系统，车库管理，安保系统，电子门锁系统，楼宇管理系统，闭路电视系统，电子保险柜，警铃等医疗市场心脏除颤器，心脏起搏器，患者信息和监视系统，MN光设备，理疗控制系统，电磁成像系统等军事武器控制嵌入式系统原理与应用 20085.3.1 信息家电嵌入式系统原理与应用 2008信息家电FreeScale Digital Home Center Reference Platform 数字媒体(数码音乐、影视、视频游戏)等的

31、快速发展和推广,使得人们迫切需要一个家庭网络平台,能够在家中任何地方自由下载各种音视频资料,并能实现远程控制嵌入式系统原理与应用 2008信息家电信息家电应用特点:市场巨大低成本要求利润空间小竞争激烈人机界面友好网络化嵌入式系统原理与应用 2008信息家电嵌入式系统原理与应用 2008信息家电嵌入式系统原理与应用 2008中国数字电视发展规划:2002年完成地面广播传输标准的测试；2002年底颁布国家数字电视有线传输标准；2003年底前颁布国家数字电视地面广播标准和相关配套标准，确定数字电视标准体系；2005年在有条件的城市推广数字电视播出；2008年的北京奥运会上向全世界传输数字高清晰度电视

32、节目，主要的大城市开始数字电视商业广播；2015年数字电视成为我国电视播出的主要方式。嵌入式系统原理与应用 20085.3.2 车载系统嵌入式系统原理与应用 2008车载系统嵌入式系统原理与应用 2008车载系统车载系统应用特点:与汽车工业相配套利润空间较大可靠性要求较高无线通讯要求嵌入式系统原理与应用 2008车载系统FreeScale 68HC908AZ32A: 8-Bit Microcontroller 嵌入式系统原理与应用 2008车载系统FreeScale 68HC908AZ32AFeatures:8.4-MHz internal bus frequency 32K bytes of

33、 FLASH Memory 512 bytes of on-chip EEPROM 1024 bytes of on-chip RAM Serial peripheral interface module (SPI) Serial communications interface module (SCI) 8-Bit, 15-Channel Analog-to-Digital Converter (ADC-15) 16-Bit, 6-Channel Timer Interface Module (TIMA-6) 16-Bit, 2-Channel Timer Interface Module

34、(TIMB) MSCAN Controller (Freescale Scalable CAN) 嵌入式系统原理与应用 20085.3.3 医疗行业应用医疗行业应用特点:市场广阔进入门槛较高利润极高影像实时采集子系统影像分析处理子系统影像的查询、管理和存储子系统图文编辑及打印子系统 数字图像回写子系统 远程会诊子系统 系统管理子系统嵌入式系统原理与应用 20085.3.4 军事工业应用特点军事工业应用特点:市场垄断性强高利润可靠性要求高安全性要求高成本要求不高嵌入式系统原理与应用 2008军事工业应用特点尺寸和重量:在军事和航天环境中，空间是非常珍贵的。对用于航天器或航空器上的计算机系统的尺寸

35、大小要求是苛刻的。重量是在航空器或飞机上采用的另一个重要因素，但在工业上应用并不重要。功率消耗:电池寿命自然是设计运动或可携带军事系统和空间设备的关键问题。因为发热与功耗成正比，降低功耗就成了对工作在较高温度环境中的系统的重要要求。 震动和冲击:军事和空间系统要适合在恶劣运动环境中工作和贮存。这些环境包括：大范围或小范围的重复运动；芯片、模块和模板可能部分或全部变位或断线；由于震动而加重的电化学反应引起的腐蚀，使模板互连金手指管脚的导电性能变差；由于使用硬盘驱动器致使数据的完整性成为难题等。 温度和湿度:大多数军事和空间系统是工作在温度和湿度环境相对不可控的条件下。用于军事和空间产品的电子产品

36、的可靠工作范围必须在-40+85。 嵌入式系统原理与应用 2008军事工业应用特点军事工业产品数字化单兵信息装备夜视扫描、全球定位、指挥通信21世纪部队旅及旅以下作战指挥系统（FBCB2）C4ISR系统(指挥、控制、通讯、电脑、情报、监视、侦察)21世纪部队旅及旅以下作战指挥系统（FBCB2）作为美国陆军战斗指挥系统的一部分，FBCB2应用软件将在Applique+ V4型计算机上运行，构成旅及旅以下级别陆军的数字化战斗指挥信息系统。FBCB2系统将向作战的士兵和指挥官、战斗支援部队以及战斗服务支援部队提供在行进中、近实时的事态感知以及指挥和控制信息，使他们在屏幕上就能分辨出友方部队和敌方部队

37、。嵌入式系统原理与应用 20086.嵌入式系统开发过程任务分析操作系统选择处理器选择硬件设计操作系统移植应用程序设计驱动及BSP设计代码固化嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式系统开发过程嵌入式系统原理与应用 20086.1 任务分析6.1 任务分析由于嵌入式系统是以应用为中心，对系统的可靠性、系统的开发周期、体系成本等都有严格的要求。因此，嵌入式系统开发首先要对任务进行详细地分析，使得系统能较好地满足要求。其中主要包括对系统功能的分析、对系统软硬件的特殊要求、实时性的水平、系统模块的分解、要达到的水平等嵌入式系统原理与应用 20086.2 处理器选择处理器选择:工作频率技术指标功耗处理器的核

38、（ARM处理器）片内存储器容量片内外围电路及其扩展能力软件支持工具是否内置调试工具供应商能否提供评估板操作系统选择:实时性开发周期开发资源等嵌入式系统原理与应用 20086.3 软硬件开发硬件设计驱动程序及BSP开发处理器供应商可能会提供相关的内容。操作系统的移植将所选的操作系统移植到设计的目标板的过程 应用程序设计代码固化嵌入式系统原理与应用 20086.4 嵌入式应用开发的调试由于嵌入式系统的可用资源有限，嵌入式开发和调试工作通常要通过高性能的宿主机完成。嵌入式应用软件通过宿主机上的交叉编译器，完成交叉编译和连接后下载到目标机。 宿主机：进行嵌入式软件开发的主机目标机：将要开发的目标板嵌入

39、式系统原理与应用 20086.5 嵌入式开发的调试方法大致有以下几种调试方法：模拟调试方式ROM Monitor方式（或Angel方式）在线仿真(ICE)内嵌JTAG仿真嵌入式系统原理与应用 20086.5.1 模拟开发调试方式它通过基于宿主机的软件，在主机上模拟目标机中处理器的功能和指令。如ARM公司的ARMulator模拟器。它虽然简单可行，但是缺乏在线调试和实时仿真功能。嵌入式系统原理与应用 20086.5.2 ROM Monitor调试方式ROM Monitor方式（或Angel方式）ROM Monitor（或Angel）是运行在目标机的Flash或ROM的一段程序，它主要负责监控目标

40、机上被调试程序的运行情况。通过和宿主机的配合，完成嵌入式系统的调试。它是目前低廉有效的一种调试方式。使用Metrowerks公司的CodeWarrior进行开发调试时要用到的Metro-TRK就属于这类软件。嵌入式系统原理与应用 20086.5.3 在线仿真(ICE)调试方式In-Circuit Emulator（实时在线仿真）在线仿真(ICE)它通过在线仿真器，取代目标板的MPU，仿真嵌入式处理器芯片的行为。它支持单步执行、断点、反汇编、源程序级调试。仿真器通常价格比较昂贵，通常用在ARM硬件开发中，软件开发则较少用。 嵌入式系统原理与应用 20086.5.4 JTAG仿真调试方式JTAG（

41、Joint Test Action Group）JTAG仿真器 ARM处理器内含Embeded ICE 宏单元，并留有JTAG调试接口，支持在线仿真。它无需目标存储器，不占用目标系统的端口。 使用集成开发环境配合JTAG仿真器是目前最常用的一种调试方式。宿主机目标板仿真器硬件连接示意图嵌入式系统原理与应用 2008JTAG仿真调试方式嵌入式系统原理与应用 20086.5.5 常用集成开发环境ARM ADS （ARM Developer Suits）它是ARM公司的集成开发环境，包括命令行开发工具、图形开发工具、实用工具和支持软件4部分，可以进行编辑、编译及调试C、C+及汇编程序。Multi 2

42、000Multi 2000是Green Hills软件公司（）开发的集成开发环境。它支持C/C+/Ada 95/Fortran编程语言，可运行与Windows和UNIX平台。Hitool for ARMHitool for ARM是上海祥佑数码科技的集成开发环境（） Embest IDEEmbest IDE是深圳英蓓特公司（）推出的一个集成开发环境。嵌入式系统原理与应用 20087 嵌入式系统研究热点国内外的主要研究方向嵌入式系统的硬件软件协同设计方法； 采用构件、中间件技术的网络操作系统 分布嵌入式系统的实时性问题 嵌入式系统的多目标交叉编译和交叉调试工具的研究。嵌入式系统原理与应用 200

43、8嵌入式系统研究热点国内研究及应用情况:国内无晶圆厂半导体公司：中兴集成，购买ARM922T CPU授权，用于生产网络系统芯片上海华虹集成电路，购买ARM SC100 CPU授权，用于Java智能卡大唐，购买ARM946E CPU授权，用于SCDMA基带芯片晶圆代工厂中芯国际大学及政府机构清华大学、东南大学、北航等高校上海集成电路研究中心第三方公司（开发工具，解决方案/参考设计，等）周立功、英蓓特、远峰、量子、微芯力、麦克泰、亿道、博创等RTOS公司普天慧信、科银京成、北京凯思昊鹏、中科红旗等主要原设备制造商均支持ARM结构GSM、CDMA、PHS等通信终端设备制造商PDA、POS、E-Boo

44、k、GPS等制造商操作系统基本原理 操作系统基本功能控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源、有效地组织多道程序运行的系统软件(或程序集合),是用户与计算机之间的接口。UNIX DOS Linux Windows 98 Windows NT扩充机器功能，方便用户使用;提高系统效率。存储器管理、处理机管理、设备管理、文件管理、用户接口操作系统的形成和发展手工阶段批处理多道程序设计技术和多道成批系统分时 操作系统实时操作系统网络操作系统分布式系统多道程序设计技术和多道成批系统多道程序设计技术:在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，它们在管理程序的控制下相互穿插地运行。多道 宏观上并行 微观上串

45、行批量操作系统:该系统把用户提交的作业成批地送入计算机内存，然后由作业调度程序自动地选择作业运行。优点：缩短作业之间的交接时间，减少处理机的空闲等待时间，提高系统的吞吐量。缺点：用户响应时间较长。用户既不能了解自己程序的运行情况，也不能控制计算机。分时 操作系统由于中断技术的使用，使得一台计算机能连接多个用户终端，用户可通过各自的终端使用和控制计算机，我们把一台计算机连接多个终端的计算机系统称为分时计算机系统，或称分时系统。把处理机的响应时间分成若于个大小相等（或不相等）的时间单位，称为时间片（如100毫秒），每个终端用户获得CPU，就等于获得一个时间片，该用户程序开始运行，当时间片到（用完）

46、，用户程序暂停运行，等待下一次运行。任务 多任务操作系统的特性之一是并发与共享，即在系统中（内存）同时存在几个相互独立的程序，这些程序在系统中既交叉地运行，又要共享系统中的资源，这就会引起一系列的问题，包括：对资源的竞争、运行程序之间的通信、程序之间的合作与协同等符。要解决这些问题，用程序的概念已经不能描述程序在内存中运行的状态，必须引人新的概念进程。任务 多任务行为的一个规则叫做程序，程序在处理机上执行时所发生的活动称为进程（Dijkstra)。进程是这样的计算部分，它是可以和其它计算并行的一个计算。(Donovan)进程（有时称为任务）是一个程序与其数据一道通过处理机的执行所发生的活动。（

47、Alan.C. Shaw)进程是执行中的程序。（Ken Thompson and Dennis Ritchie )进程，即是程序在并发环境中的执行过程 。任务 多任务进程与程序的区别:进程是动态概念；程序是静态概念进程具有并发性，宏观上同时运行；程序本身具有顺序性，程序的并发执行是通过进程实现的进程具有独立性，是一个能独立运行的单位，是系统资源分配的基本单位，是运行调度的基本单位；程序本身没有此特性进程和程序无一一对应关系，一个进程可顺序执行多个程序；一个程序可由多个进程共用进程异步前进，会相互制约；程序不具备此特性进程实体具有一定结构，组成进程映象；程序没有这种结构任务 多任务一个任务也可以

48、称为一个进程。每个任务都是整个应用系统的一个部分。每个任务都赋予一定的优先级，有自己一套CPU寄存器和自己的栈空间。典型的每个任务都是一个无限循环，每个任务都存在某种状态下：休眠态、运行态、挂起态（等待某一个事件发生）和被中断态。任务 多任务进程描述在系统中一个进程存在： 进程控制块（数据结构） 进程的执行程序（一个可执行文件） 进程总是位于某个队列(就绪、等待某事件队列) 处于某种状态（运行、就绪、等待） 占用某些系统资源（内存，打开某些文件、处理机、外设）进程描述进程控制块 PCB (Process Control Block)存放进程的管理和控制信息的数据结构称为进程控制块。它是进程管理

49、和控制的最重要的数据结构，在创建时，建立PCB，并伴随进程运行的全过程，直到进程撤消而撤消。PCB就象我们的户口。任务状态休眠态 - 该任务驻留在内存中，但并不被多任务内核所调度。就绪态 - 任务已经准备好，但由于该任务的优先级比正在运行的任务的优先级低，暂时不能运行。运行态 - 该任务掌握了CPU的控制权，正在运行中。挂起态 - 也称为等待事件态，指该任务正在等待某一个或一些事件的发生。被中断态 - 由于CPU开始处理中断请求，使该任务的执行被打断。任务状态内核内核负责为每个任务分配CPU时间。内核负责任务间通信。内核负责任务切换工作。负责任务调度，按照一定的策略，在就绪态的任务中选择一个任

50、务执行。实时内核调度算法基于优先级调度，总是让处于就绪态的优先级最高的任务先运行。非占先式内核非占先式内核 non-preemptive - 内核要求每个任务自我放弃CPU的所有权。 - 中断可以使一个高优先级的任务由挂起状态变为就绪态，但中断服务以后控制权还是回到原来被中断的那个任务，直到该任务主动放弃CPU的使用权。 - 更高优先权的任务不能打断正在执行的较低优先权的任务，直到较低优先权任务主动放弃CPU的控制权。非占先式内核占先式内核占先式内核 preemptive - 最高优先级的任务一旦就绪，总能得到CPU的控制权。 - 高优先级的就绪任务可以打断正在执行的较低优先级的任务，进入执行

51、态；被抢占的较低优先级任务进入就绪任务队列，等待下一次调度。 - 商业上销售的实时内核都是抢占式内核。占先式内核可重入性可重入性 reentrancy -可重入型函数可以被一个以上的任务调用，而不必担心数据的破坏。 - 可重入型函数任何时候可以被中断，一段时间后又可以执行，而相应的数据不会丢失。 - 可重入型函数只使用局部变量，即变量保存在CPU寄存器中或堆栈中。可重入型函数不可重入型函数时间片轮转调度时间片轮转调度 round-robin scheduling当两个或两个以上的任务具有同样的优先级，内核运行一个任务运行事先确定的一段时间，叫做时间额度(quantum)，然后切换给另一个任务。

52、满足下列条件时，把CPU控制权交给下一个就绪任务 - 当前任务无事可作。 - 当前任务的时间片还没有用完任务就结束了。 - 当前任务的时间片用完了。基于优先级调度根据任务的优先级和状态决定任务的调度。基于优先级抢占式调度。基于优先级非抢占式调度。任务优先级静态优先级 - 任务在执行过程中优先级不改变，各个任务的优先级在编译时就确定了。动态优先级 - 任务在执行过程中，优先级是可变的。优先级反转高优先级的任务在申请已经被低优先级任务占据的资源时，高优先级被迫进入等待态，如果有一个中优先级的任务一直在执行，则高优先级将无法执行。优先级反转问题实例优先级反转的解决方法优先级继承 - 拥有资源的低优先级任务被高优先级抢占。 - 高优先级任务开始申请被低优先级占据的资源。 - 此时，拥有该资源的低优先级任务的优先级上升到高于高优先级的任务。 - 拥有资源的任务得到运行机会，就有机会尽快释放资源。 - 释放资源，该任务回到原来的优先