嵌入式系统1-概述

嵌入式系统主讲：陈波cb@.c入式系统课程简介学时分配成绩评估参考书课程简介课程的任务是学习嵌入式计算机硬件软件构成，以及嵌入式系统的主流操作系统和软件开发技术。课程内容主要包括嵌入式体系结构、嵌入式操作系统、嵌入式软件开发等。嵌入式体系结构的教学主要围绕ARM体系结构进行，并简单介绍sharc。ARM体系结构在嵌入式领域占有相当大的比例。学时分配总学时：32学时讲课：26学时研讨：6学时成绩评估平时成绩：20%课堂研讨：40%Project：40%参考书嵌入式计算机系统设计原理(第2版)，computersascomponents,principlesofembeddedcomputingsystemdesign,waynewolf,机械工业出版社，2009ARM嵌入式处理器结构与应用基础(第2版)，马忠梅等，北航出版社，2007第一章概述计算机工业的分类嵌入式系统定义嵌入式系统工业的特点和要求嵌入式系统的组成嵌入式系统应用领域嵌入式系统发展趋势1.1计算机工业的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的三大领域服务器利润最大的市场可用性可扩展性有效带宽桌面最广阔的市场嵌入式潜力最大的市场1.2嵌入式系统的定义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。

1.3嵌入式系统工业的特点和要求1.3.1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。1.3.2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1.3.3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1.3.4需要主机开发工具和环境通用计算机具有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。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1.3.5嵌入式系统开发人员以应用专家为主通用计算机的开发人员一般是计算机科学或计算机工程方面的专业人士。嵌入式系统则是要和各个不同行业的应用相结合的，其开发人员往往是各个应用领域的专家。

因此开发工具的易学、易用、可靠、高效是基本要求。

构件化1.4嵌入式系统的组成嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件等几大部分组成。嵌入式处理器

嵌入式系统的核心部件

品种总量已超过1000多种，流行体系结构有30几个系列，其中8051体系的占有多半32,64位微处理器是目前嵌入式系统的核心主要硬件厂商包括Intel，Motorola，Samsung，TI，高通，Philip，AMD等每个月都有新产品出现嵌入式计算机内核分类

嵌入式微处理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)

嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)

嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)

嵌入式片上系统(SystemOnChip)

嵌入式微处理器(EMPU)

专门设计的电路板(类似通用计算机中的CPU)只保留和嵌入式应用有关的母板功能

增强工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面功能与和工业控制计算机相似嵌入式处理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等嵌入式微控制器(MCU)又称单片机

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、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。

嵌入式微控制器(MCU)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等。另外还有许多半通用系列如：支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系统约70％的市场份额。

嵌入式DSP处理器(EDSP)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，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在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(EDSP)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。DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。嵌入式片上系统(SOC)在一个硅片上实现一个复杂的系统

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

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，某些ARM系列器件，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SmartXA嵌入式外围设备嵌入式外围设备是指，在嵌入式硬件系统中，除了嵌入式处理器之外的完成存储、通信、保护、调试、现实等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可分为以下3类：存储器类型：静态易失型存储器(RAM/SRAM)，动态存储器(DRAM)，非易失型存储器(ROM、EPROM、EEPROM、FLASH)。其中，FLASH(闪存)以可擦写次数多，存储速度快，容量大及价格便宜等有点在嵌入式领域得到广泛的应用。接口类型：目前存在的所有接口在嵌入式系统中都有其广泛的应用，但是以下几种接口的应用最为广泛，包括RS-232接口(串口)、IrDA(红外)、SPI(串行设备接口)、I2C、USB、Ethernet和普通并口。显示类型：CRT、LCD和触摸屏等外围显示设备。嵌入式操作系统主流VxWorks：是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统嵌入式Linux：较主流的有MontaVistaLinux等AppleIOS、GoogleAndroid、WindowPhone8：平板电脑、智能手机ucOS2等2嵌入式系统的应用嵌入式视频服务器的架构数码多媒体产品现代化家庭信息家电医疗影像网络PACS主要功能：医学影像的采集和数字化图像的存储和管理医学图像的高速传输图像的数字化处理和重现图像信息与其他信息PACS子系统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