第1-2讲 嵌入式系统概述

1、2/75课程简介课程目标及特点课程知识体系配套课程设计（另）考试考核方式3/75课程目标了解嵌入式系统原理及应用设计的特点；以嵌入式系统原理、嵌入式处理器及其体系结构为重点，以应用为导向，结合行业应用，全面学习嵌入式系统。通过学习，对嵌入式系统及应用开发有一个全景的把握，为进一步从事嵌入式系统的开发或者研究奠定基础。4/75课程特点实际需求导向，重点突出应用设计结合行业应用特点，讲解嵌入式产品的开发流程，学习常用的软硬件开发方法。搭建嵌入式系统的实验开发平台，熟悉一般应用开发，学习和理解嵌入式系统及应用开发的基础知识（实验及课程设计）5/75课程知识体系嵌入式系统硬件系统ASIC（Build

2、in处理器、片内资源）-SOC片外资源（电源调理、MEM及IO扩展、MMI）电源软件系统APP（千差万别）OS（RTOS + Driver）-CH9、10BSPBootLoader（CH8）-涵盖汇编语言及C语言混合编程（Ch4）、汇编程序语言（ARM指令系统CH3）6/75实验开发系统的内容（配套课程设计）目标平台开发工具嵌入式操作系统实验项目PC虚拟机ARM开发板集成开发环境基于Linux内核参考课程设计要求（罗老师）7/75课程成绩评定课程成绩平时成绩期末考试成绩平时成绩40%，包括作业和课堂出勤期末考试：闭卷考试60%8/75目录第1章 嵌入式系统概述第2章 ARM微处理器概述与编程模

3、型第3章 ARM9指令系统第4章 嵌入式程序设计基础第5章 嵌入式内部可编程模块第6章 嵌入式接口技术应用第7章 软件开发环境9/75第1章 嵌入式系统概述1.1 嵌入式系统定义 1.2 嵌入式系统的发展 1.3 嵌入式系统软硬件特征 1.4 嵌入式系统分类 1.5 嵌入式系统应用10/751.1 嵌入式系统定义计算机发展的三大阶段第一阶段：始于五十年代的由IBM, Honeywell等公司率先研制的大型机。第二阶段：始于七十年代的个人计算机(PC)。第三阶段：计算机已经迈入一个充满机遇的阶段“后PC时代”或“无处不在的计算机”阶段。（随着嵌入式芯片计算能力的提升，“计算机”会消失，而“计算”

4、将会无处不在 ）11/751.1 嵌入式系统定义无处不在的计算机“从长远来看，PC机和计算机工作站将衰落，因为计算机变得无处不在：例如在墙里、在手腕上、在手写电脑中，随用随取、伸手可及”-Mark Weiser计算机不会成为科幻电影中的那种贪婪的怪物, 而是将变得小巧玲珑, 无处不在。它们藏身在任何地方, 又消失在所有地方, 功能强大, 却又无影无踪。人们将这种思想命名为: “无所不在的计算机”-全世界的计算机科学家正在形成一种共识12/75嵌入式系统无处不在彼此互连13/751.1.1 嵌入式系统的概念什么是嵌入式系统Embedded Systems：“嵌入到对象体系中的、用于执行独立功能的

5、专用计算机系统”特点：以应用为中心，（以微电子技术、控制技术、计算机技术和通讯技术为基础，强调硬件软件的协同性与整合性，软件硬件可剪裁的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有等严格要求）的专用计算机系统。14/75 嵌入式系统的嵌入式本质就是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去。1.1.1 嵌入式系统的概念15/751.1.1 嵌入式系统的概念最简单的嵌入式系统仅有执行单一功能的控制能力，在唯一的 ROM中仅有实现单一功能的控制程序，无微型操作系统。复杂的嵌入式系统，例如个人数字助理（PDA）、手持电脑（HPC）等，具有与 PC几乎一样的功能。实质上与PC的区别仅仅是将微型操

6、作系统与应用软件嵌入在 ROM、RAM或FLASH存储器中，而不是存贮于磁盘等载体中。（目前已经改变）很多复杂的嵌入式系统又是由若干个小型嵌入式系统组成的。16/75马达控制器车灯嵌入式系统示例汽车控制系统尾灯控制系统后车门控制系统前车门控制系统座椅控制系统发动器控制系统所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统17/75Google Glass广告通过技术显示在屏幕上通过额头的左右和上下转动来控制屏幕上的菜单选择耳机屏幕摄像头邮件网页和文件将在这一区域显示像迷你手机一样，信息的接受和发送都是依赖于3G或4G的网络嵌入式系统示例18/751.1.1 嵌入式系统的概念从广义上讲，凡是带有微处理器的专

7、用硬件系统都可以称为嵌入式系统，如各类单片机和DSP系统。这些系统在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点。但他们的软件的能力有限。一般使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己的操作系统，具有特定功能，用于特定场合的嵌入式系统。所以，一个嵌入式系统就是一个硬件和软件的集合体，它包括硬件和软件两部分。其中硬件包括嵌入式处理器、控制器、数字信号处理器（DSP）、存储及外设器件、输入输出（I/O）由于应用领域不同，应用程序千差万别。19/751.1.1 嵌入式系统的概念按照上述嵌入式系统的定义，只要满足定义中三要素的计算机系统，都可称为嵌入式系统。嵌入式系统按形态可分为设备级（工控机）板级（单板

8、、模块）芯片级（MCU、SoC） 因此，有些人把嵌入式处理器当作嵌入式系统，但由于嵌入式系统是一个嵌入式计算机系统，因此，只有将嵌入式处理器构成一个计算机系统，并作为嵌入式应用时，这样的计算机系统才可称作嵌入式系统。20/751.1.2 嵌入式系统的特点嵌入式系统特别强调“量身定做”的原则，开发人员往往需要针对某一种特殊用途开发出一个截然不同的嵌入式系统来，所以很难不经过“大量”修改而直接将一个嵌入式系统全套用到其他的嵌入式产品上去。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。嵌入式系统的特点是由三个基本要素衍生出来的。不同的嵌入

9、式系统其特点会有所差异。21/751.1.2 嵌入式系统的特点与“嵌入性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境要求，如物理环境（小型）、电气/环境（可靠）、成本（价廉）等要求。与“专用性”的相关特点：软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬件配置等。与“计算机系统”的相关特点：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。22/751.1.2 嵌入式系统注解注1. 嵌入式系统（Embeddedsystem），是一种“完全嵌入受控对象内部（成为它的大脑及神经系统），为特定应用而设计的专用计算机系统

10、”，-“嵌入性”注2. 与个人计算机这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。-“专用性” 23/751.1.2 嵌入式系统的特点小结 与通用的计算机系统化相比，嵌入式系统具有以下显著特点：（正逐步变化。）系统内核较小 专用性强 运行环境差异大可靠性要求高 系统精简和高实时性操作系统 （根据应用差异）具有固化在非易失性存储器中的代码 嵌入式系统开发工作和环境 （差别大）24/75第1章 嵌入式系统概述1.1 嵌入式系统定义 1.2 嵌入式系统的发展概述 1.3 嵌入式系统的硬件和软件特征 1.4 嵌入式系统的分类 1.5 嵌入式系统的应用25/751.2.1

11、 嵌入式系统的历史与发展1始于微型机时代的嵌入式系统（1）单片机开创了嵌入式系统独立发展之路（2）单片机的技术发展史单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。 2. 现代计算机技术的两大分支 通用计算机系统 嵌入式计算机系统 26/751.2.2 嵌入式系统的功能需求1. 可提供网络服务嵌入设备一般配有网络通信接口（Ethernet、WIFI），相应需要TCP/IP协议簇软件支持；家用电器互联及实验仪器的协调工作等要求，嵌入式设备一般还具备USB、CAN、Bluetooth或IrDA等通信接口。同时需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。 27/751.2.

12、2 嵌入式系统的功能需求2. 小型化、低成本、低功耗 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进算法，优化编译器性能等。 因此，既需要软件人员具有丰富的开发经验，更需要发展先进的嵌入式软件技术，如Java、Web和WAP等。28/751.2.2 嵌入式系统的功能需求3. 人性化的人机界面追究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、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交互要求以GUI屏幕为中心的多媒体界面。手写文字输入、语音交互、收发电子邮件及图像、视频应用已实用化。目前多数P

13、DA在显示屏幕上已实现触屏交互、手写输入、语音输入、短消息语音发布等。29/751.2.2 嵌入式系统的功能需求4. 完善的开发平台 随着互联网技术的成熟，ICP和ASP在网上提供的信息内容日趋丰富、应用项目多种多样，像智能手机、智能电视等嵌入式电子设备的功能不再单一，结构也更为复杂。为满足应用功能的多样化要求，设计者一方面采用更强大的嵌入式处理器，增强处理能力；同时还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、保障软件质量和缩短开发周期。30/75第1章 嵌入式系统概述1.1 嵌入式系统定义 1.2 嵌入式系统的发展概述 1.3 嵌入式系统的硬件和软件特征 1

14、.4 嵌入式系统的分类 1.5 嵌入式系统的应用31/751.3 嵌入式系统的硬件和软件特征嵌入式系统是将嵌入了软件的计算机硬件作为其最重要部分的系统，它是一种专门用于某个应用或生产的特殊产品的计算机系统。由于其软件通常嵌入在ROM / FLASH中，因此，不像计算机那样需要辅助存储器，早期嵌入式系统自低向上包含3个部分。如图1-1所示。嵌入式系统的组成部分是嵌入式系统硬件平台、嵌入式操作系统（RTOS）和嵌入式系统应用。 32/751.3 嵌入式系统的硬件和软件特征应用程序与操作系统的接口 操作系统与 硬件的接口 嵌入式系统应用 嵌入式 实时操作系统嵌入式系统硬件平台图1-133/751.3

15、 嵌入式系统的硬件和软件特征 经过不断地发展，嵌入式系统原有的三层结构逐步演化成为四层结构。这个新增加的中间层称为硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer，HAL），有时也称为板级支持包（Board Support Package，BSP）。这个新增加的中间层次位于操作系统和硬件之间，包含了操作系统中与硬件相关的大部分功能。它能够通过特定的上层接口与操作系统进行交互，向操作系统提供底层硬件信息，并根据操作系统的要求完成对硬件的直接操作。34/751.3 嵌入式系统的硬件和软件特征由于引入了一个中间层，屏蔽了底层硬件的多样性，操作系统不再面对具体的硬件环境，而是面对由这个

16、中间层次所代表的、逻辑上的硬件环境，因此，把中间层次叫做硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer, HAL）。图1-2显示了引用HAL以后的嵌入式系统。HAL的引入大大推动了嵌入式实时系统的“通用化”，从而为嵌入式系统的广泛应用提供了可能。 35/751.3 嵌入式系统的硬件和软件特征应用程序与操作系统的接口操作系统与HAL的接口HAL与硬件的接口嵌入式系统硬件平台硬件抽象层嵌入式系统应用嵌入式实时操作系统图1-236/751.3.1 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台是以嵌入式处理器为核心，由存储器、I/O单元电路、通信模块、外部设备等必要的辅助接口组成的，如下图所

17、示。 USB触摸屏IO设备其他外 设电源模块时钟复位外围电路微处理器MPUFlashROMRAM图1-337/751.3.2 硬件抽象层硬件抽象层通过硬件抽象层接口向操作系统以及应用程序提供对硬件进行抽象后的服务。当操作系统或应用程序使用硬件抽象层API进行设计时，只要硬件抽象层API能够在下层硬件平台上实现，那么操作系统和应用程序的代码就可以移植。38/751.3.2 硬件抽象层板级支持包（Board Support Package，BSP）是现有的大多数商用嵌入式操作系统实现可移植性所采用的一种方案，是硬件抽象层的一种实现。BSP隔离了所支持的嵌入式操作系统与底层硬件平台之间的相关性，是嵌

18、入式操作系统能够通用与BPS所支持的硬件平台，从而实现嵌入式操作系统的可移植性和跨平台性，以及嵌入式操作系统的通用性、复用性。39/751.3.2 硬件抽象层BSP是相对于操作系统而言的，不同的操作系统对应于不同定义形势的BSP。例如，对应同一个CPU来说，要实现同样的功能，VxWorks的BSP和Linux的BSP的写法和接口定义却完全不同。因此，BSP一定要按照具体操作系统BSP的定义形式来写（BSP的编程过程大多数是在某一个成型的BSP模板上进行修改），这样才能与上层操作系统保持正确的接口，良好地支持上层操作系统。 40/751.3.3 嵌入式操作系统嵌入式操作系统的主要特点如下 :体积

19、小 实时性 特殊的开发调试环境41/751.3.3 嵌入式操作系统驱动程序、HAL/BSP驱动层应用程序接口（API）数据库模块网络模块图形驱动OS核内存管理文件管理OS层应用层基本模块扩展模块进程调度应用程序文件系统/图形用户接口硬件层42/75第1章 嵌入式系统概述1.1 嵌入式系统定义 1.2 嵌入式系统的发展概述 1.3 嵌入式系统的硬件和软件特征 1.4 嵌入式系统的分类 1.5 嵌入式系统的应用43/751.4 嵌入式系统的分类根据不同的标准，嵌入式系统有不同的分类方法。 1.按嵌入式微处理器的位数分类 4位8位16位32位64位.其中，4位、8位、16位嵌入式系统已经获得了大量应

20、用，32位嵌入式系统正成为主流发展趋势。一些特殊应用及要求高速处理的嵌入式系统已经开始使用64位嵌入式微处理器。44/751.4 嵌入式系统的分类2.按软件实时性需求分类非实时系统（如PDA）软实时系统（如消费类产品）硬实时系统（如工业实时控制系统）45/751.4 嵌入式系统的分类3.按嵌入式系统的复杂程度分类小型嵌入式系统中型嵌入式系统复杂嵌入式系统 46/75第1章 嵌入式系统概述1.1 嵌入式系统定义 1.2 嵌入式系统的发展概述 1.3 嵌入式系统的硬件和软件特征 1.4 嵌入式系统的分类 1.5 嵌入式系统的应用及趋势47/751.5 嵌入式系统的应用及发展趋势工业过程控制 （IP

21、C）网络通信设备 （Communication）消费电子产品 （Consumer）医疗电子（Medical）汽车电子（Automotive）航空航天设备 （火箭及航天器。）军事电子设备和现代武器（导弹。） 48/751.5 嵌入式系统的应用工业过程控制 （IPC）流水线（PLD-MCU-SOC）机械手工业机器人。49/751.5 嵌入式系统的应用网络通信设备 （Communication）交换机路由器ONUOLTADSL。50/751.5 嵌入式系统的应用消费电子产品 （Consumer）Mobile（Smart phone）MID（PDA、MP4。）STB（DTV、IPTV、OTT。）Sma

22、rt TV（DTV- internet TV-intelligent TV）i-Watch, i-Glass51/751.5 嵌入式系统的应用医疗电子（Medical）电子血压计（Omron。）血糖仪监护仪WBAN（无线体域网）。52/751.5 嵌入式系统的应用汽车电子（Automotive）车身控制系统（ABS、ESP。）灯光、车窗、音像控制系统导航（GPS）、自动泊车点火、刹车控制胎压监测。53/751.5 嵌入式系统的应用航空航天设备 火箭飞船（神十）航天飞机。54/751.5 嵌入式系统的应用军事电子设备和现代武器无人机导弹火炮阵相控雷达。55/751.5 嵌入式系统应用现状及发展趋

23、势嵌入式系统产业伴随着产业发展从通信、消费电子转战到汽车电子、智能安防、工业控制和卫星导航，今天嵌入式系统已经无处不在，在应用数量上已远超通用计算机，据相关机构统计，2013年全球嵌入式软件的销售规模已经达到了800亿美元，而嵌入式体系产品的产值达到9000亿美元。根据IDC预测，到2015年，全球智能系统的设备量将达到150亿之巨。56/751.5 嵌入式系统应用现状及发展趋势嵌入式系统已经成为物联网行业关键技术如果把物联网用人体做一个简单比喻，传感器相当于人的眼睛、鼻子、皮肤等感官控制工程网版权所有，网络就是神经系统用来传递信息控制工程网版权所有，嵌入式系统则是人的大脑，在接收到信息后要进

24、行分类处理。而物联网嵌入式系统优势渐显，嵌入式系统在物联网行业应用中发挥的作用也越来越重要。 为使嵌入式设备更有效地支持Web服务而开发的操作系统不断推出 这种操作系统在体系结构上采用面向构件、中间件技术，为应用软件乃至硬件的动态加载提供支持，即所谓的“即插即用”，在克服以往的嵌入式操作系统的局限性方面显示出明显的优势。 57/751.5 嵌入式系统的应用发展趋势嵌入式系统与人工智能、模式识别技术的结合，将开发出各种更具人性化、智能化的实际系统。 智能手机、数字电视以及汽车电子的嵌入式应用，是这次机遇中的切入点。伴随网络技术、网格计算的发展，以嵌入式移动设备为中心的“无所不在的计算”将成为现实

25、。 随着芯片计算能力的提升，“计算机”会消失，而“计算”将会无处不在。 由此带来的大量数据通信、数据分析等，将会对整个系统的安全与可靠性提出更高要求。由此对于可信嵌入式系统的发展提出新的需求，可信嵌入式系统是以一种系统性的严格标准，研发、生产出安全可靠的嵌入式系统，在医疗、航天航空、核工业等对经济、生命安全等对信息安全要求严格的领域，有着广泛需求和应用。58/75第1章 嵌入式系统概述1.1 嵌入式系统定义 1.2 嵌入式系统的发展概述 1.3 嵌入式系统的硬件和软件特征 1.4 嵌入式系统的分类 1.5 嵌入式系统的应用及趋势1.6 嵌入式系统应用示例59/751.6 嵌入式系统示例-电子宠

26、物狗 人们是否还记得电子宠物?目前万代公司最新设计了一款新玩具软件，可成为典型的虚拟电子宠物。人们只需从下载TechPet手机应用软件，通过触摸屏就可对电子宠物狗进行喂食。 60/751.6 嵌入式系统示例-谷歌眼镜 简单地说，这是一副内置在眼镜架中的计算机。这幅眼镜配备了半英寸(1.3厘米)的显示屏，你可以用它拍摄和分享照片，进行视频聊天，检查约会，访问地图和Web。61/751.6 嵌入式系统示例-3D智能打印机 下载或新建一个图样，点击打印按钮，这台占地很少的3D打印机就可以挤出超薄塑料，一层一层地打印出实物，而且你愿意打印多少份都可以。跟 MakerBot的前代机型相比，最新的Repl

27、icator 2效率更高，打印更准确，它的软件也更加易于操作，而且你不需要对机器进行组装。有了Replicator 2，任何人都可以在家里开设一个小型工厂。 62/751.6 嵌入式系统示例-高速蝙蝠衣 12年10月，首届翼装飞行世界锦标赛在中国召开，穿着“蝙蝠衣”的飞行者们从5000英尺(1500米)的悬崖跳下，滑翔穿过一个山谷，最终打开降落伞降 落地面，在30秒时间内飞行了四分之三英里(超过一公里)。目前只有20人有资格参加比赛，南非的朱利安布勒(Julian Boulle)荣获冠军并创造了世界纪录，他的成绩是23.41秒。 63/751.6 嵌入式系统示例-喷水背包 法国发明家设计的水上

28、喷水背包，不仅可以让人们从水中跃至空中30英尺，还能像海豚一样潜入水中。 64/751.6 嵌入式系统示例-量子隐身衣 美军最新投资研制了一种“量子隐身”材料，能够弯曲覆盖者身体上的光波，从而使人们实现类似哈利-波特的隐形斗篷效果。该材料被称为“量子隐身”伪装材料，通过弯曲人体周围的光波，从而使覆盖该织物的人们处于完全隐身状态。 65/751.6 嵌入式系统示例-自动充气轮胎 当轮胎气压过低时，这款固特异轮胎能够探测到，内置的压力探测器在气压不足时自动开启，使空气进入一个泵气管。车轮转动时，轮胎底部受挤压部位把空气从泵气管中排出。当气压达到最佳状态时，压力控制器关闭。 66/751.6 嵌入式

29、系统示例-太阳能盆景充电器 法国设计师最新设计一款“电子盆景”，它的叶片由27块太阳能电池板构成，能够对手机等电子装置进行充电，在阳光充足的情况下，4个小时便能完成对手机充电。 67/751.6 嵌入式系统示例-小型人造室内云朵 这并不是PS处理的图像，荷兰艺术家本德努特-斯米尔德最新发明了如何在室内制造出白色云朵。这需要精确一丝不苟的规划设计：温度、湿度和灯光必须恰 到好处。当准备条件具备时，斯米尔德使用一个烟雾器来制造这个室内人造云。它持续时间非常短暂，却十分美丽，能够奇妙地移动。 68/751.6 嵌入式系统示例-智能化生菜机器人美国工程师打造了一款种植生菜的机器人Lettuce Bot。它会操纵拖拉机，为沿途经过的植株拍照。通过视觉算法，把这些照片和数据库中100万幅的图片比对，辨认出野草和密度过大的植株。69/751.6 嵌入式系统示例-会移动的垃圾桶Smart Trashbox 是