嵌入式系统技术：第一讲 什么是嵌入式系统

嵌入式系统技术2022/12/242今日授课内容第一部分：教学安排和要求第二部分：嵌入式系统概述2022/12/243课程特点

本课程以ARM9微处理器S3C2410A为应用实例，介绍嵌入式系统的基本原理、硬件结构和软件开发。具有如下特点：1、理论与实践相结合2、软硬件结合3、注重学以致用、工程动手能力的培养。2022/12/244教学内容嵌入式系统技术是本专业核心课程，教学内容包括：嵌入式系统概论；ARM体系结构；嵌入式系统存储器结构与接口；嵌入式系统输入输出接口技术；嵌入式系统总线与通信接口；嵌入式操作系统介绍；嵌入式系统设计与开发；嵌入式系统应用实例分析。2022/12/245先修基础知识模拟电路数字电路计算机硬件基础微机原理与接口技术计算机操作系统C语言程序设计等2022/12/246教材与参考书黄智伟等,ARM9嵌入式系统设计基础教程.北京航空航天大学出版社王志英等,嵌入式系统原理与设计.高等教育出版社杨刚等,嵌入式系统设计与实践.北京航空航天大学出版社符意德,嵌入式系统设计原理及应用.清华大学出版社……2022/12/247教学目标（期望）掌握嵌入式系统设计的基本原理、基本方法；熟悉ARM微处理器体系结构，掌握一套主流的开发工具及其开发方法；具备嵌入式系统软、硬件开发设计的基本能力；为进一步研究和处理实际工程问题打下基础。

2022/12/248考核方式课堂表现——占总成绩10％教学实验——占总成绩30％闭卷考试——占总成绩60％上课时间：单周2下午5、6节周4下午5、6节

实验时间和地点待定。2022/12/249今日授课内容第一部分：教学安排和要求第二部分：嵌入式系统概述2022/12/2410嵌入式系统概述什么是嵌入式系统？2022/12/2411生活中的嵌入式系统2022/12/2412嵌入式系统的定义IEEE:“Deviceusedtocontrol，monitor，orassisttheoperationofequipment，machineryorplants”.从技术的角度定义：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与各个行业的具体应用相结合后的产物。2022/12/2413嵌入式系统示例——汽车控制系统2022/12/2414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2022/12/2415即使远在火星火星与地球，这一对在星空中遥遥相望的“兄弟”，在2003年8月27日这一天，迎来6万年来“最亲密的接触”，火星距离地球最近达到55756622(5千多万)公里。面对6万年才有一次的机会，科学家们积极行动起来———从6月开始，先后有欧洲的“火星快车”、美国“勇气号”和“机遇号”等三颗火星探测器飞往火星，而日本一颗本已在太空“迷失方向”的火星探测器也在关键时刻及时“醒”来，开始了久违的火星之旅。“勇气号”火星探测器2022/12/2416嵌入式系统的组成嵌入式系统一般由嵌入式硬件和软件组成硬件系统一般由嵌入式微处理器、存储器和输入／输出部分组成，其中嵌入式微处理器是嵌入式硬件系统的核心。软件包括：初始化代码及驱动、嵌入式操作系统和应用程序等，这些软件有机地结合在一起，形成系统特定的一体化软件。2022/12/2417嵌入式处理器的分类——用途嵌入式微控制器(MicroControllerUnit,MCU)嵌入式微处理器(MicroProcessorUnit,MPU)嵌入式DSP(DigitalSignalProcessor)嵌入式片上系统(SystemOnChip)2022/12/2418嵌入式微控制器嵌入式微控制器又称单片机，它是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一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、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、等各种必要功能和外设。嵌入式处理器的字长宽度可分为4位、8位、16位、32位和64位。一般把16位及以下的称为嵌入式微控制器（EmbeddedMicroController）特点：单片化、体积小、功耗和成本低、可靠性高；缺点：MCU微控制器，总线宽度一般为4位、8位或16位，处理速度有限，一般在几个MIPS，进行一些复杂的应用很困难，运行操作系统就更难。2022/12/2419嵌入式微控制器嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300、数目众多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系统约70％的市场份额。复位部件看门狗部件晶振部件I/O部件中断部件ROM部件SRAM部件定时器部件CPU核2022/12/2420嵌入式微处理器

嵌入式微处理器（EmbeddedMicroProcessingUnit，EMPU）由通用计算机中的CPU发展而来，嵌入式微处理器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，以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。同时，其在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。优点：体积小、功耗低、成本低、可靠性高；缺点：片内周片电路不足，必须配备ROM，RAM，总线接口，各种外设接口等；2022/12/2421嵌入式微处理器嵌入式微处理器把CPU、ROM、RAM及I/O等做到同一个芯片上。32位微处理器采用32位的地址和数据总线，其地址空间达到了232＝4GB。目前主流的32位嵌入式微处理器系列主要有：ARM系列MIPS系列PowerPC系列等。2022/12/2422ARM系列ARM（AdvancedRISCMachine）公司的ARM微处理器体系结构目前被公认为是嵌入式应用领域领先的32位嵌入式RISC微处理器结构。ARM体系结构目前发展并定义了7种不同的版本。从版本1到版本7，ARM体系的指令集功能不断扩大。ARM处理器系列中的各种处理器，虽然在实现技术、应用场合和性能方面都不相同，但只要支持相同的ARM体系版本，基于它们的应用软件是兼容的。目前，70%的移动电话、大量的游戏机、手持PC和机顶盒等都已采用了ARM处理器，许多一流的芯片厂商都是ARM的授权用户，如Intel、Samsung、TI、Freescale、ST等公司。2022/12/2423MIPS系列美国斯坦福大学的Hennessy教授领导的研究小组研制的MIPS（MicroprocessorwithoutInterlockedPipedStages，无互锁流水级的微处理器）是世界上很流行的一种RISC处理器，其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。从20世纪80年代初期MIPS处理器发明到现在，MIPS处理器以其高性能的处理能力被广泛应用于宽带接入、路由器、调制解调设备、电视、游戏、打印机、办公用品、DVD播放等广泛的领域。和ARM公司一样，MIPS公司本身并不从事芯片的生产活动（只进行设计），不过其他公司如果要生产该芯片，则必须得到MIPS公司的许可。2022/12/2424PowerPCPowerPC是Freescale（原Motorola）公司的产品。PowerPC

RISC处理器采用了超标量处理器设计和调整内存缓冲器，修改了指令处理设计，它完成一个操作所需的指令数比CISC处理器要多，但完成操作的总时间却减少了。PowerPC内核采用独特分支处理单元可以让指令预取效率大大提高，即使指令流水线上出现跳转指令，也不会影响到其运算单元的运算效率。PowerPC

RISC处理器设计了多级内存高速缓冲区，以便让那些正在访问（或可能会被访问）的数据和指令总是存储在调整内存中。2022/12/2425嵌入式DSP处理器DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，芯片内部采用程序和数据分开存储和传输的哈佛结构，具有专门硬件乘法器，采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可用来快速地实现各种数字信号处理算法，使其处理速度比最快的CPU还快10~50倍。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。2022/12/2426嵌入式DSP处理器有代表性的产品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola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。Motorola公司的DSP56000已经发展成为DSP56000，DSP56100,DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。2022/12/2427嵌入式片上系统(SOC)SoC就是SystemonChip，SoC是一种基于IP（IntellectualProperty）核嵌入式系统设计技术。它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，ARM

RISC、MIPS

RISC、DSP或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，例如通用串行端口（USB）、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。SOC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SOC一般专用于某个或某类系统中。有代表性的产品是Philips的SmartXA2022/12/2428SOC体系结构SOC芯片已在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中广泛应用。2022/12/2429嵌入式系统的应用随着社会经济的发展和科学技术的进步，嵌入式系统在消费电子、工业应用、军事国防、网络设备等领域都得到广泛应用。2022/12/2430嵌入式系统的应用家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。2022/12/2431嵌入式视频服务器2022/12/2432现代化家庭2022/12/2433嵌入式Internet应用2022/12/2434智能玩具与机器人2022/12/2435嵌入式技术应用——工业控制工业方面：机床、冶金、电子、交通、航空航天等行业技术升级的重要基础2022/12/2436军事侦察阿富汗参加反恐作战的“赫耳墨斯”价值4万美元，可携带2架摄像机，发挥了很好作用。2022/12/2437反恐防暴2002年11月28日，以色列一选举投票点，发生枪击事件，造成至少7人死亡，数十人受伤。以警方用机器人在检查一具巴勒斯坦枪手的尸体。2022/12/2438空中飞行器微型飞行器---“黑寡妇”2022/12/2439基于RTLinux的仿人机器人2022/12/2440基于VXworks的火星探路者2022/12/2441基于OMAP5912的智能手持设备方案2022/12/2442嵌入式系统的特点系统内核小：嵌入式系统一般应用于小型电子装置，系统资源有限，因此内核较传统的操作系统要小得多；专用性强：软、硬件按对象要求裁剪，两者结合紧密；软件的编译下载与系统相结合，“通用”、“升级”的概念一般不适用；系统精简：没有系统软件和应用软件的区分2022/12/2443嵌入式系统的特点嵌入式系统开发需要开发工具和环境用户对其中程序功能进行修改必须一套开发工具和环境；开发工具一般基于通用计算机上的软硬件设备以及各种辅助仪器；主机：用于程序的开发；目标机：最后的执行机；开发是交替式的。2022/12/2444嵌入式系统开发特点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，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、调试、测试等工具），采用交叉开发的方式进行，交叉开发环境如图所示。2022/12/2445嵌入式系统的发展历史从单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统的应用可以追溯到20世纪60年代中期，例如阿波罗飞船的导航控制系统AGC（ApolloGuidanceComputer）。嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下4个阶段。（1）无操作系统阶段（2）简单操作系统阶段（3）实时操作系统阶段（4）面向Internet阶段2022/12/2446无操作系统阶段单片机是最早应用的嵌入式系统，单片机作为各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中的微控制器，用来执行一些单线程的程序，完成监测、伺服和设备指示等多种功能，一般没有操作系统的支持，程序设计采用汇编语言。由单片机构成的这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，在工业控制领域中得到了非常广泛的应用。返回2022/12/2447简单操作系统阶段20世纪80年代，出现了大量具有高可靠性、低功耗的嵌入式CPU（如PowerPC等），芯片上集成有微处理器、I/O接口、串行接口及RAM、ROM等部件，面向I/O设计的微控制器在嵌入式系统设计应用。一些简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展，程序设计人员也开始基于一些简单的“操作系统”开发嵌入式应用软件。此时的嵌入式操作系统虽然还比较简单，但已经初步具有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高，大大缩短了开发周期，提高了开发效率。返回2022/12/2448实时操作系统阶段20世纪90年代，面对分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大市场的需求，嵌入式系统飞速发展。随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩大，实时多任务操作系统（Real-timeOperationSystem，RTOS）逐渐形成，系统能够运行在各种不同类型的微处理器上，具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面（GraphicUserInterface