第一章嵌入式系统的概述

第1章嵌入式系统

概述本期课程内容第1章嵌入式系统概述第2章ARM9体系结构第3章ARM9指令系统及基于ARM的程序设计第4章ARM9微处理器S3C2410第5章嵌入式实时操作系统uc/os-Ⅱ第6章嵌入式系统应用实例主要实验实验一 ARM指令系统及汇编语言设计软件实验实验二

基于S3C2410微处理器的嵌入式系统硬

件实验实验三

基于µC/OS-II操作系统及S3C2410微处

理器的应用实例参考书目《ARM体系结构与编程》杜春雷编著清华大学出版社《嵌入式系统设计与实例开发----基于ARM微处理器与uc/os-Ⅱ实时操作系统》（第3版）王田苗魏洪兴编著清华大学出版社《嵌入式实时操作系统uc/os-

Ⅱ》（第2版）JeanJ.Labrosse著邵贝贝等译北京航空航天出版社《S3C2410&嵌入式Linux系统教程》周立功等编著广州致远电子有限公司先期课程微机系统及接口技术（计算机组成原理或单片机原理）80x86系统汇编语言C语言程序设计去年调查问卷的结果1、在本门课之前，你对《微机系统及接口》、单片机》或类似课程的掌握程度（）。 A没学过2/32B学过29/32C精通1/322、在本门课之前，你对《C语言编程》或类似课程的掌握程度（）。 A没学过0/32B学过29/32C精通3/323、在本门课之前，你对《汇编语言》或类似课程的掌握程度（）。 A没学过1/32B学过30/32C精通1/32去年调查问卷的结果4、在本门课之前，你是否选修过《嵌入式系统》或接触过ARM系统芯片的调试（）。 A没学过25/32B学过7/32C精通0/325、你希望本门课的最终考核方式为（） A开卷考试10/32B编程大作业15/32 C调研报告7/32第1章嵌入式系统概述1.1 嵌入式系统简介1.2 嵌入式处理器1.3 嵌入式操作系统1.4 嵌入式系统开发方法1.5嵌入式系统学习1.1嵌入式系统简介1.1.1嵌入式系统定义1.1.2嵌入式系统应用1.1.3嵌入式系统组成1.1.4嵌入式系统特点1.1.5嵌入式系统分类1.1.6嵌入式系统发展1.1.1嵌入式系统定义随着计算机技术、网络技术和微电子技术的快速发展，人们进入了后PC时代，后PC时代是一个嵌入式系统（EmbeddedSystem）的网络时代，嵌入式技术将主宰后PC时代。“嵌入式系统”实际上是“嵌入式计算机系统”的简称。对“嵌入式系统”有各种不同的定义。1.1.1嵌入式系统定义(2)IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（Devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。可以看出此定义是从应用上、功能上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。1.1.1嵌入式系统定义(3)国内普遍被认同的定义从本质上来说，嵌入式系统是：“以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统”。嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的、隐藏在某种设备中的、计算机软硬件集合体，没有固定的特征形状。1.1.1嵌入式系统定义(4)

嵌入式系统三要素：嵌入、专用、计算机嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求专用性：软、硬件按对象要求设计、裁减计算机：实现对象的智能化功能，是计算机1.1.1嵌入式系统定义(5)嵌入式系统的特性只执行特定功能以微控制器、外围器件为中心，系统构成可大可小有严格的时序性和稳定性要求自动操作循环，等待中断控制程序被烧录在芯片中1.1.1嵌入式系统定义(6)单片机和嵌入式系统的区别单片机属于嵌入式系统，故嵌入式系统的历史已经有几十年。单片机与嵌入式系统的区别，只有嵌入式系统的部分结构和部分功能：数据处理能力有限、处理速度有限，不能够用于所有的嵌入式系统单片机不使用操作系统单片机无网络功能1.1.2嵌入式系统的应用嵌入式系统应用及其广泛，只要是用电的设备，都可以有嵌入式系统，对于日常生活用品，甚至于不用电的设备也可能有嵌入式系统。办公设备：复印机、传真机，PC机外围设备，键盘、鼠标、U盘、显示器、Modem、打印机、扫描仪等，含有数个甚至十数个嵌入式系统。消费类产品：如MP3、照相机、摄像机、PDA、智能玩具，游戏机、学习机、网络家电、智能家电、便携视频机、导航仪、车载视频音响、竞赛设备、主持人设备等。1.1.2嵌入式系统的应用（2）测控和自动化：各个领域中的智能仪器仪表，各种装备、设备中的测控系统、自动化系统。如工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等，汽车、火车、轮船、航空与航天器等工具中的控制系统。数字网络通信：交换机、路由器、网关、手机，各个领域、装备、设备中的数字网络通信系统。1.1.2嵌入式系统的应用(3)嵌入式系统的应用领域工业控制仪器仪表日常生活科学研究军事国防航空航天 医疗卫生文化教育广播电视电信网络交通运输水利电力农业气象1.1.2嵌入式系统的应用(3’)当前我国的主要应用领域客户分布：主要在电信、医疗、汽车、安全、工业控制和消费类等行业。产品分布：主要在消费类电子、通信、医疗、安全等行业。 其中在消费类电子领域占最大的市场份额。发展重点：移动多媒体、数字娱乐、手机终端、汽车电子成为嵌入式系统应用市场的发展重点。1.1.2嵌入式系统的应用(4)1.1.2嵌入式系统的应用(4)汽车电子军事国防领域航天领域后PC时代产品的蓬勃发展1.1.2嵌入式系统的应用(5)1.1.2嵌入式系统的应用(5)1.1.2嵌入式系统的应用(6)从芯片和产品市场来看嵌入式系统的应用据统计，每年只有2%左右的计算机芯片是用在台式PC或便携式电脑上的。用于嵌入式系统设计与制造的CPU，每年大概有10---20亿片。每年大约有1万个新的嵌入式系统产品投入生产，而且越来越多的系统需要复杂的嵌入式操作系统。如：手持设备市场。2000年的全球产销量为1290万部，2004年约为6340万部。1.1.2嵌入式系统的应用(7)嵌入式技术对科学技术的影响使计算机的分类发生变化以前对计算机的分类：分为巨型机、大型机、小型机、微机。现在分为两大类：通用计算机和嵌入式系统，原来仅是通用计算机。形成了新的专业，甚至会成为新的学科嵌入式技术是四个学科专业的结合体：微电子学科、计算机学科、电子技术学科与对象领域（应用对象）学科1.1.2嵌入式系统的应用(8)嵌入式技术专业至少是“计算机学科”和“电子技术学科”两种专业的结合，即：计算机(强)+电子技术(强)（软硬件全设计）或者： 计算机(强)+电子技术(弱)（偏重软件设计）或者： 计算机(弱)+电子技术(强)（偏重硬件设计）主宰后PC时代是一些学者的断言

1.1.3嵌入式系统组成粗略划分：嵌入式处理器外围设备嵌入式操作系统(可选)嵌入式应用软件稍细划分：嵌入式处理器外围设备驱动程序嵌入式操作系统应用接口嵌入式应用软件1.1.3嵌入式系统的组成(2)

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电源管理人机交互接口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层应用层软件以太网看门狗及复位电路Timer/RTCCANFlashEEPROMSDRAMSRAM内存硬件1.1.4嵌入式系统的特点主要有五个方面的特点一、嵌入式系统是面向具体应用的产品嵌入式系统可以是面向某一个领域、某一行业、某一个用户的具体产品，不具有通用性，不能独立发展。对功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力等有严格要求。嵌入式系统软件、硬件（处理器、系统等）生命周期都比较长，有继承性。二、嵌入式软件特点具有实时性、高质量、高可靠、程序固化。1.1.4嵌入式系统的特点(2)三、需要软硬件开发工具和系统软件 硬件工具：计算机、开发板、仿真器、测量分析等软件工具：编辑、编译、调试软件，绘电路软件等系统软件：OS、数据库等四、需要应用专家参与开发嵌入式系统一般不是一个独立的应用产品，是某种产品的一部分，所以需要相应方面的应用专家参与。

五、嵌入式系统分散而不可垄断通用计算机行业被垄断（软件和硬件）嵌入式系统领域的芯片、操作系统、软件，充满了竞争、发展和机遇，呈现一种百花齐放的景象。1.1.5嵌入式系统分类按表现形式（硬件范畴）

芯片级嵌入(含程序和算法的处理器、单片机)

模块级嵌入（系统中的某个核心模块）

系统级嵌入（系统中的电路板）按实时性要求（软件范畴）

非实时系统（如PDA等）

软实时系统（消费类产品如MP3、MP4等）

硬实时系统（导引头等工业和军工系统）1.1.6嵌入式系统的发展嵌入式系统的发展可以分为SCM、MCU、SOC/SOPC三个阶段。1、嵌入式系统的诞生

由于单片机是伴随着微机诞生的，单片机属于嵌入式系统，因此嵌入式系统是伴随着微机诞生的。

1971年Intel公司首先开发出了第一片4位微处理器4004，主要用于家用电器、计算器、高级玩具中。4004的问世标志着嵌入式系统的诞生。 1.1.6嵌入式系统的发展(2)2、SCM阶段

即单片微机（SingleChipMicrocomputer）阶段主要标志：是将微机的几部分集成在一个芯片中代表机型：主要有Intel的MCS-48、MCS-51、MCS-96/98

1.1.6嵌入式系统的发展(3)3、MCU阶段 即微控制器（MicroControllerUnit）阶段主要标志：除了将微机的几部分集成在一个芯片中外，把控制所常用到的电路也集成到芯片中，如A/D、D/A、RTC、PWM、USB、Watchdog等。Philips公司起着重要作用。代表机型：主要有STC公司的STC89LE52AD、STC12C5A60S2，Philips的LPC935、SILICONLABS公司的C8051Fxxx等1.1.6嵌入式系统的发展(4)4、SOC/SOPC阶段 SOC即片上系统（SystemOnChip）、SOPC即可编程片上系统(SystemOnProgrammableChip)，在芯片上集成一个完整的专用计算机系统，单片系统。主要标志：IC设计技术发展和IP（IntellectualProperty知识产权）软内核、SIP（SiliconIP）软内核的出现，产生了SOC；EDA(ElectronicDesignAutomatic)工具的发展，使外围电路简化在一个芯片上。1.1.6嵌入式系统的发展(5)4、SOC/SOPC阶段(2)IP软内核代表：ARM公司的ARM系列处理器ARM7、ARM9等，ARM是一种高运算能力、高集成度、低功耗的RISC微处理器。 SOPC结合了SOC和PLD（可编程逻辑电路）、FPGA（复杂的可编程门阵列）各自的技术优点，使得系统具有可编程的功能，是可编程逻辑器件在嵌入式应用中的完美体现，提高了在线升级、换代能力。得益于PLD/FPGA、IP、EDA三方面技术1.1.6嵌入式系统的发展(6)嵌入式系统的发展与通用计算机技术的发展密不可分，但是又有自己独立的发展道路。由于应用目标不同，因此两者的发展方向有所不同。

1、通用计算机

2、嵌入式系统

1.1.6嵌入式系统的发展(7)通用计算机

沿着“高运算速度、高存储量”方向发展，因此，通用微处理器是沿着以Intel公司产品为主导的8086、80286、80386、80486、Pentium、PentiumII、PentiumIII、Pentium4的路线发展，其主频从几MHz发展到现在的3GHz，字长从8位发展到64位，内存从几十KB到现在的GB，存储容量从从几十KB到现在的数百GB。嵌入式系统根据应用的要求，沿着“体积小、低功耗、高可靠”方向发展，对运算速度、存储容量没有统一要求。1.1.6嵌入式系统的发展(8)嵌入式系统当前主要研究内容OS 数据库工具软件图形界面开发软件、调试软件、硬件设计软件等硬件开发设备、工具（测试分析、仿真）教学方面教学内容、教学方法；实验设备、实验内容、实验方法；教材等。1.2嵌入式处理器1.2.1嵌入式处理器分类1.2.2嵌入式微处理器1.2.3嵌入式微控制器1.2.4嵌入式DSP1.2.5嵌入式SOC1.2.1嵌入式处理器分类嵌入式处理器品种繁多、百花齐放、竞争激烈嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器，据不完全统计，全世界大约有1000多种嵌入式处理器，流行的体系结构有30多个系列。如MCS-51、PIC、AVR、ARM、DSP等，其中MCS-51占了多半，生产厂家20多个，350多种衍生产品，仅Philips就有近百种。处理速度从0.1MIPS到2000MIPS，寻址空间从64KB到4GB。1.2.1嵌入式处理器分类嵌入式微处理器(EmbeddedMicroProcessorUnit)嵌入式微控制器（MicroControllerUnit）嵌入式DSP处理器EDSP(EmbeddedDigitalSignalProcessor)嵌入式片上系统SOC(SystemOnChip) 嵌入式可编程片上系统SOPC(SystemOnProgrammableChip) 1.2.2 嵌入式微处理器嵌入式微处理器（MPU）就是和通用计算机的处理器对应的CPU，可以认为是“增强型”通用微处理器。特点：功能和微处理器基本一样，是具有32位以上的处理器，具有较高的性能。具有体积小、功耗小、成本低、抗干扰能力强、可靠性高的特点，有的可提供工业级应用。流行的嵌入式微处理器:ARM(ARM公司)PowerPC、68000(MOTOROLA公司)MIPS(MIPS公司)1.2.2 嵌入式微处理器ARM处理器小体积、低功耗、低成本而高性能；16/32位双指令集；全球众多的合作伙伴生产；有多个系列，主要应用于手机、PDA、多媒体设备、网络设备等。PowerPC处理器IBM推出的PowerPC处理器，应用范围很广，主要面向大型通信设备、高端的工作站。1.2.2 嵌入式微处理器MIPS处理器MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。MIPS的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”(Microprocessorwithoutinterlockedpipedstages)，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。MIPS的定位很广，有MIPS32和MIPS64两种体系结构。1.2.3 嵌入式微控制器嵌入式微控制器（MCU）就是将整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯片中，芯片内部集成RAM、ROM/EPROM、总线、总线逻辑、定时/计数器、串行口、Watchdog、I/O、A/D等各种必要功能的外设。特点：一个系列的微控制器具有多种衍生产品单片化、体积大大减小、功耗和成本降低、可靠性提高MCU是目前嵌入式工业的主流、约占嵌入式系统70%的份额MCU多是8位和16位处理器1.2.3 嵌入式微控制器流行的嵌入式微控制器：通用系列：MCS-51,MCS-96/196；有ARM内核的各种ARM7、ARM9微控制器，如PHILIPS公司的LPC2400系列，三星公司的S3C400、S3C2400系列，ATMEL公司的AT91系列等。半通用系列：支持IIC,CANBUS及众多专用MCU和兼容系列1.2.3 嵌入式微控制器三星S3C2410ARM9微控制器资源具有16KB指令Cache、16KB数据Cache和存储器管理单元MMU。外部存储器控制器，可扩展8组，每组128MB，总容量达1GB；支持从Nandflash存储器启动。55个中断源，可以设定1个为快速中断，有24个外部中断，并且触发方式可以设定。4通道的DMA，并且有外部请求引脚。3个通道的UART，带有16字节的TX/RXFIFO，支持IrDA1.0功能。具有2通道的SPI、1个通道的IIC串行总线接口和1个通道的IIS音频总线接口。有2个USB主机总线的端口，1个USB设备总线的端口。1.2.3 嵌入式微控制器有5个16位定时器，其中4个具有PWM功能，1个内部使用（无外部引脚）。8通道的10位A/D转换器，最高速率可达500ks/s；提供有触摸屏接口。具有117位通用I/O口。兼容MMC的SD卡接口。具有电源管理功能，可以使系统以普通方式、慢速方式、空闲方式和掉电方式工作看门狗定时器。1.2.3 嵌入式微控制器具有日历功能的RTC。有LCD控制器，支持4K色的STN和256K色的TFT，配置有DMA通道。具有PLL（锁相环）功能的时钟发生器，时钟频率高达203MHz。双电源系统：1.8/2.0V内核供电，3.3V存储器和I/O供电。1.2.4 嵌入式DSP嵌入式DSP（DigitalSignalProcessor）是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。应用领域：数字滤波 频谱分析(如FFT)流行的嵌入式DSP：TMS320C2000系列（TI）MCS-296（Intel）MOTOROLA、AD等公司的DSP1.2.5 嵌入式SOC嵌入式SOC是追求产品系统最大包容的集成器件。绝大多数系统构件都在一个系统芯片内部。特点：结构简洁；体积小、功耗低；可靠性高；设计生产效率高。流行的SOC：SmartXA（Philips）1.2.5 嵌入式SOC嵌入式SOPC是用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上。它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；它是可编程系统。特点：采用超深亚微米工艺技术使用一个以上的嵌入式处理器/DSP设计方式灵活可裁减、可扩充、可升级软硬件在系统可编程的功能。1.3嵌入式操作系统1.3.1嵌入式操作系统1.3.2嵌入式操作系统分类1.3.3几种主流的嵌入式操作系统1.3.1 嵌入式操作系统嵌入式操作系统负责系统全部软硬件资源的分配、调度、控制、协调，使系统高效、稳定、有序工作。嵌入式操作系统具有OS最基本的功能：进程调度、同步机制（没有虚拟内存的管理）内存管理、设备管理、文件管理中断管理系统功能接口(API调用，如网络功能)、设备驱动嵌入式操作系统具有的特点：稳定可靠、弱交互 ---开放、可裁减强实时性 ---设备接口一致(文件)1.3.2 嵌入式操作系统的分类嵌入式操作系统非实时操作系统实时操作系统硬实时操作系统软实时操作系统1.3.2 嵌入式操作系统的分类实时系统的定义：能够对外部事件做出及时响应的系统。响应时间有保证。对外部事件的响应包括：事件发生时要识别出来在给定时间约束内必须输出结果实时操作系统必须有以下特征：多任务有线程优先级多种中断级别1.3.2 嵌入式操作系统的分类硬实时系统：对系统响应时间有严格的要求，如果系统响应时间不能满足，就会引起系统崩溃或致命的错误。软实时系统：对系统响应时间有要求，但是如果系统响应时间不能满足，它并不会导致系统出现致命的错误或崩溃，只是降低系统的吞吐量。1.3.3 几种主流的嵌入式操作系统µC/OS-II：教学免费的、面向中小型嵌入式系统应用。实时、小（几KB）、多任务、可靠

Vxworks：美国WindRiver（风河）公司于1983年开发，具有可靠、实时、可裁减特性。

WinCE：它是微软针对个人电脑以外的电脑产品所研发的嵌入式操作系统，而CE则为Customer

Embedded的缩写。

Linux/µCLinux：免费、源码开放的操作系统，µclinux面向没有MMU的硬件平台。

PalmOS

：Com公司产品，在PDA市场占据很大份额，具有开放的操作系统应用程序接口(API)，可让用户灵活方便地定制操作系统。1.4嵌入式系统的开发方法1.4.1嵌入式系统的设计要求1.4.2嵌入式系统开发特点1.4.3嵌入式系统设计过程1.4.4嵌入式系统软件的开发模式1.4.1嵌入式系统的设计要求嵌入式系统设计开发不同于桌面系统，它非常受制于功能和具体的应用环境，所以嵌入式系统的设计具有一些特殊的要求：

接口方便、操作容易稳定可靠、维护简便功耗管理、降低成本