第1章嵌入式系统概述

第1章嵌入式系统概述第1章嵌入式系统概述1.1什么是嵌入式系统1.2嵌入式系统的体系结构和种类1.3嵌入式微处理器1.4嵌入式操作系统1.5嵌入式系统的设计与开发第1章嵌入式系统概述

1.1嵌入式系统定义1.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”（原文为devicesusedtocontrol，monitor，orassisttheoperationofequipment，machineryorplants）。2.目前国内一个普遍被认同的定义以应用为中心、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。1.1.1嵌入式系统的组成和特点1.组成:嵌入式系统由硬件和软件两个部分组成，硬件部分包括嵌入式微处理器和外围接口电路与设备等，软件部分包括嵌入式操作系统和用户的应用程序

1.1.1嵌入式系统的组成和特点

嵌入式系统硬件组成2.特点：1）系统内核小。2）专用性强。3）系统精简。4）实时性高。5)具有多任务处理功能。6）系统剪裁方便。

1.1.2嵌入式系统的发展简史及趋势

1.嵌入式系统的发展历史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

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。（3）实时操作系统阶段实时系统（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，GUI）等功能，并提供了大量的应用程序接口（ApplicationProgrammingInterface，API），从而使应用软件的开发变得更加简单。（4）面向Internet阶段

(1)嵌入式系统的开发成了一项系统工程，开发厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还要提供强大的硬件开发工具和软件支持包。(2）网络互联成为必然趋势。

(3)新的微处理器层出不穷，精简系统内核，优化关键算法，降低功耗和软硬件成本。提供更加友好的多媒体人机交互界面。(4)Linux、WindowsCE、PalmOS等嵌入式操作系统迅速发展。嵌入式操作系统自身结构的设计更加便于移植，具有源代码开放、系统内核小、执行效率高、网络结构完整等特点，能够在短时间内支持更多的微处理器。计算机的新技术、新观念开始逐步移植到嵌入式系统中，嵌入式软件平台得到进一步完善。(5)提供友好的多媒体人机界面。

(6).IP核（IntellectualPropertyCore，知识产权核

SOC（SystemOnChip，片上系统）SOC是指在单芯片上集成数字信号处理器、微控制器、存储器、数据转换器、接口电路等电路模块，可以直接实现信号采集、转换、存储、处理等功能。

IP核是指具有知识产权的、功能具体、接口规范、可在多个集成电路设计中重复使用的功能模块，是实现系统芯片（SOC）的基本构件。2.嵌入式系统的发展趋势

1.2嵌入式系统的体系结构和种类

1.2.1典型的嵌入式系统组成应用程序实时操作系统（RTOS）输入/输出接口处理器/ARM核MMU/CacheSOC/SOPCUSBGPIOIISLCDUART和IrDAADC/DACFPGA/CPLDDSP/浮点运算协处理器DMA人机交互接口LCD/触摸屏、键盘、鼠标设备驱动程序、HAL、BSP文件系统/图形用户应用程序接口驱动层OS层应用层软件硬件以太网看门狗及复位电路Timer/RTCCANFlashEEPROMSDRAMSRAM内存电源管理1.2.2嵌入式系统的种类

嵌入式系统按工业应用的复杂程度课分为以下4类:1）简单功能处理系统，系统只由单片嵌入式微处理器和辅助器件组成。典型的应用是温度传感器、烟雾和气体探测器及断路器这些小型设备。2）可扩展处理器系统，如扩展存储器和外部接口。这类系统中，微处理器字长多为8位或16位。主要应用于过程控制、信号放大器、位置传感器及阀门传动器等设备。3）复杂嵌入式系统，这类嵌入式系统一般选用16位、32位嵌入式微处理器，面向大规模的应用。虽然外设接口一般仍集成在微处理器外，但由于应用软件规模较大，必须扩展包括存储器在内的多种IC芯片，如：1MB以上的扩展存储器、音视频处理芯片、加密解密芯片、显示芯片等。这类系统常用于控制器、电话交换机、电梯、数据采集系统、医药监视系统、诊断及实时榨制系统、移动设备、机顶盒等。4）过程控制计算机系统，这类嵌入式系统与仪器、机械及设备相连来控制整个过程。嵌入式系统一般用于总体控制和监视，而不是对单个设备直接控制。在很多情况下，过程控制系统可与业务系统连接，两者可在一个主系统操作下协同运行。1.3嵌入式微处理器

1.3.1嵌入式微处理器的分类

嵌入式微控制器

嵌入式微处理器

嵌入式DSP嵌入式片上系统SoC精简指令集计算机（ReducedInstructionSetComputer，RISC），目前IBM、DEC、Intel和Motorola等公司都在研究和发展RISC技术，RISC具有的一般特点：具有大量的寄存器。绝大多数操作在寄存器中进行，通过Load/Store指令系统在内存和寄存器间传递数据。寻址方式简单。采用固定长度的指令格式。采用高级语言编程，重视编译优化工作，以减少程序执行时间。1.3.2ARM嵌入式处理器的内核和架构

1.ARM系列处理器是英国先进RISC机器公司的产品。

与一般公司不同，ARM公司只采用IP授权的方式允许半导体公司生产基于ARM的处理器产品，提供基于ARM处理器内核的系统芯片解决方案和技术授权，不提供具体的芯片。2.ARM公司(AdvancedRISCMachinesLimited，ARMLimited)成立于1990年，是嵌入式RISC处理器的知识产权IP供应商，它为ARM架构处理器提供了ARMARM处理器核(ARM710T/720T/740T、ARM920T/922T/940T、ARM926E/966E及ARM1020E等)。目前，ARM架构处理器已在高性能、低功耗、低成本的嵌入式应用领域占据领先地位。

ARM体系结构版本及特点版本ARM处理器系列特点ARMv1ARM1该版体系结构只在原型机ARM1出现过，没有用于商业产品。基本性能：（1）基本的数据处理指令（无乘法）（2）26位寻址ARMv2ARM2和ARM3该版体系结构对ARMv1版进行了扩展，版本ARMv2a是v2版的变种，ARM3芯片采用了ARMv2a。ARMv2版增加了以下功能：（1）32位乘法和乘加指令（2）支持32位协处理器操作指令（3）快速中断模式嵌入式微处理器ARMv3ARMv3MARM6ARM7DIARM7MARMv3版体系结构对ARM体系结构作了较大的改动：（1）寻址空间增至32位（4GB）（2）独立的当前程序状态寄存器CPSR和程序状态保存寄存器SPSR，保存程序异常中断时的程序状态，以便于对异常的处（3）增加了异常中断（Abort）和未定义两种处理器模式（4）增加了MMU支持（5）ARMv3M增加了有符号和无符号长乘法指令ARMv4ARMv4TStrongARMARM7TDMIARM9TARMv4版体系结构是目前应用最广的ARM体系结构，在v3版上作了进一步扩充，指令集中增加了以下功能：（1）增加了系统模式（2）增加了16位Thumb指令集（3）完善了软件中断SWI指令的功能（4）不再支持26位寻址模式嵌入式微处理器ARMv5TEARMv5TEJARM9EARM10EXscaleARM7EJARM926EJARMv5版体系结构在ARMv4版基础上增加了一些新的指令，包括：（1）增加ARM与Thumb状态之间切换的指令（2）增强乘法指令和快速乘累加指令（3）增加了数字信号处理指令（ARMv5TE版）（4）增加了Java加速功能(ARMv5TEJ版）ARMv6ARM11ARMv6版体系结构是2001年发布的，首先在ARM11处理器中使用。此体系结构在ARMv5版基础上增加了以下功能：（1）Thumb2增强代码密度（2）SIMD增强媒体和数字处理功能（3）TrustZone提供增强的安全性能（4）IEM提供增强的功耗管理功能嵌入式微处理器ARMv7Cortex系列ARMv7版体系结构定义了3种不同的微处理器系列：（1）A系列为面向应用的微处理器核，支持复杂操作系统和用户应用（2）R系列为深度嵌入的微处理器核，针对实时系统应用（3）M系列为微控制核，针对成本敏感的嵌入式控制应用嵌入式微处理器1.3.3ARM微处理器结构

1.RISC体系结构RISC体系结构应具有如下特点：1）采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有2～3种；2）使用单周期指令，便于流水线操作执行；3）大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。除此以外，ARM体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗：1）所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率。2）可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。3）可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。4）在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。2．ARM微处理器的寄存器结构ARM处理器共有37个寄存器，被分为若干个组（BANK），这些寄存器包括：1）31个通用寄存器，包括程序计数器（PC指针），均为32位的寄存器；2）6个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态，均为32位，目前只使用了其中的一部分。

ARM处理器又有7种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均有一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括15个通用寄存器（R0～R14）、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存器中，有些是在7种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器则是在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。3．ARM微处理器的指令结构ARM微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。1.3.4ARM嵌入式处理器的特点及应用领域

1.ARM微处理器的主要特点：1）体积小、低功耗、低成本、高性能；2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；3）大量使用寄存器，指令执行速度更快；4）大多数数据操作都在寄存器中完成；5）寻址方式灵活简单，执行效率高；6）指令长度固定。2.ARM微处理器及技术的应用领域：

1）工业控制领域。2）无线通讯领域。3）网络应用。并获得广泛支持，也对DSP的应用领域提出了挑战。4）消费类电子产品。顶盒和游戏机中得到广泛采用。5）成像和安全产品。现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。1.3.5嵌入式处理器的选型原则

1．ARM微处理器内核的选择用户如果希望使用WinCE或标准Linux等操作系统以减少软件开发时间，就需要选择ARM720T以上带有MMU（MemoryManagementUnit）功能的ARM芯片，ARM720T、ARM920T、ARM922T、ARM946T、Strong-ARM都带有MMU功能。2．系统的工作频率ARM7系列微处理器的典型处理速度为0.9MIPS/MHz，常见的ARM7芯片系统主时钟为20MHz-133MHz，ARM9系列微处理器的典型处理速度为1.1MIPS/MHz，常见的ARM9的系统主时钟频率为100MHz-233MHz，ARM10最高可以达到700MHz。3．芯片内存储器的容量4．片内外围电路的选择1.4嵌入式操作系统

1.4.1操作系统的概念和分类

操作系统（OperatingSystem，OS）是管理电脑硬件与软件资源的程序，同时也是计算机系统的内核。操作系统是一个庞大的管理控制程序，大致包括5个方面的管理功能：进程与处理机管理、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理。目前微机上常见的操作系统有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Windows、Netware等。根据应用领域来划分，可分为桌面操作系统、服务器操作系统、主机操作系统、嵌入式操作系统；根据源码开放程度，可分为开源操作系统(Linux、ChromeOS)和不开源操作系统(Windows、MacOS)；根据硬件结构，可分为网络操作系统(Netware、WindowsNT、OS/2warp)、分布式系统(Amoeba)、多媒体系统(Amiga)；根据操作系统的使用环境和对作业处理方式来考虑，可分为批处理系统(MVX、DOS/VSE)、分时系统(Linux、UNIX、XENIX、MacOS)、实时系统(iEMX、VRTX、RTOS，RTWINDOWS)；1.4.2嵌入式Linux操作系统

嵌入式Linux开发模式流程1.4.2嵌入式Linux操作系统1、嵌入式LinuxµCLinux操作系统2、WinCE操作系统3、、Nucleus4、µC/OS-II5、Symbian操作系统

6、VxWorks嵌入式实时操作系统嵌入式操作系统的种类繁多，但大体上可分为两种—商用型和免费型。1、商用型的操作系统主要有VxWorks、WindowsCE、Psos、PalmOS、OS-9、LynxOS、QNX、LYNX等2、免费型的操作系统主要有Linux和µC/OS-II3、嵌入式系统需要的是高度简练、界面友善、质量可靠、应用广泛、易开发、多任务，并且价格低廉的操作系统一、µC/OS-II嵌入式操作系统内核典型嵌入式操作系统介绍

1、µC/OS-II是一个可裁减的、源代码开放的、结构小巧、可剥夺型（占先式）的实时多任务内核，主要面向中小型嵌入式系统，具有执行效率高、占用空间小、可移植性强、实时性能优良和可扩展性强等特点。2、µC/OS-II中最多可以支持64个任务，分别对应优先级0~63，其中0为最高优先级。实时内核在任何时候都是运行就绪了的最高优先级的任务，是真正的实时操作系统。3、µC/OS-II最大程度上使用ANSIC语言开发，现已成功移植到近40多种处理器体系上。典型嵌入式操作系统介绍

一、µC/OS-II嵌入式操作系统内核4、µC/OS-II结构小巧，最小内核可编译至2k，即使包含全部功能如信号量、消息邮箱、消息队列及相关函数等，编译后的µC/OS-II内核也仅有6~10kb，所以它比较适用于小型控制系统。5、µC/OS-II具有良好的扩展性能，比如系统本身不支持文件系统，但是如果需要的话也可自行加入文件系统的内容。二、WinCE操作系统典型嵌入式操作系统介绍

1、MicrosoftWindowsCE是针对有限资源的平台而设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统，但它不是一个硬实时操作系统。2、高度模块化是WinCE的一个鲜为人知的特性，这一特性有利与它对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。3、WinCE操作系统的基本内核需要至少200K的ROM，它不仅支持Win32API子集、多种硬件、多种串行和网络通讯技术、COM