第1章 嵌入式系统概述

丁贤庆：ahhfdxq@163.com嵌入式系统实践课程的主教材主教材：《嵌入式系统原理与应用设计》

编著：王光学出版社：电子工业出版社普通高等教育“十二五”规划教材课程的辅助教材辅助教材：1、《嵌入式系统原理与设计》陈文智,王总辉编著清华大学出版社2、《嵌入式系统原理与设计》李宗伯等著；王志英编高等教育出版社课程的辅助学习网站辅助学习网站：1、嵌入式资讯网，/2、嵌入式365网，/3、嵌入式联盟，/main.asp4、嵌入式开发论坛，/bbs/课程的目录和学时分配第1章嵌入式系统概述第2章ARM编程模型第3章ARM指令系统第4章ARM汇编程序设计第5章嵌入式操作系统第6章嵌入式系统架构第7章嵌入式系统硬件与底层驱动第8章嵌入式系统应用程序设计2-4学时2学时2-4学时2学时2-4学时2学时1学时3-5学时课程的考核课程成绩＝平时成绩＋实验成绩＋期末考试成绩平时成绩:

20分，其中作业10分，课堂点名和测验10分实验成绩:

20分，平时上机10分，上机考试10分期末考试：闭卷考试60分，第八周左右本课程的研究对象手持测试仪本课程的研究对象导航仪本课程的研究对象平板本课程的研究对象加油机本课程的研究对象手机？本课程的研究对象手机手机操作系统应用软件（QQ等）++CPU+存储器1、研究嵌入式系统的定义2、嵌入式系统中的硬件3、嵌入式操作系统4、应用软件的编程本课程的研究对象第1章嵌入式系统概述13254嵌入式系统基本概念嵌入式系统的组成嵌入式应用软件嵌入式处理器嵌入式操作系统1 嵌入式系统基本概念1)嵌入式系统的定义 2)嵌入式系统与PC的区别3)嵌入式系统与单片机系统的区别4)嵌入式系统的特征 5)嵌入式系统的应用 1)嵌入式系统的定义 计算机工业的分类传统分类：按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模分为大型计算机、中型机、小型机和微型计算机，并以此来组织学科和产业分工，这种分类沿袭了约40年。现代分类：按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将其分为通用计算机和嵌入式计算机。通用计算机即通常所说的个人计算机(PC)，嵌入式计算机即是指嵌入式系统。1)嵌入式系统的定义 嵌入式系统的定义

嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。微波炉、空调、小汽车、数码相机等都由一个计算机系统来控制，或者说计算机系统嵌入在其中。微波炉中的计算机系统—一种嵌入式系统微波炉—一种具体的嵌入式系统1)嵌入式系统的定义 IEEE（国际电气和电子工程师协会）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”（原文为devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。

2)嵌入式系统与PC的区别嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计、“量体裁衣”、去除冗余，力争在较少的资源上实现更高的性能；PC的软硬件都很庞大、臃肿。嵌入式系统的目标代码通常是固化在非易失性存储器（ROM，EPROM，EEPROM，FLASH）芯片中；PＣ放在硬盘中。2)嵌入式系统与PC的区别嵌入式系统使用的操作系统一般是实时操作系统（RTOS），系统有实时性约束；PC无此限制。嵌入式系统需要专用开发工具和方法进行设计——交叉开发；PC直接开发。PC为通用计算机系统，嵌入式系统为专用计算机系统通用PC软、硬件技术高度垄断；嵌入式系统技术不容易被垄断。3)嵌入式系统与

单片机系统的区别嵌入式系统通常指基于32位微处理器设计的系统（往往带操作系统）；单片机系统指基于4位、8位与16位微处理器设计（不使用操作系统）的系统。嵌入式系统设计的核心是软件设计，约占70%左右的工作量，硬件只占30%；单片机系统软硬件设计工作所占比例基本相同，即约为1：13)嵌入式系统与

单片机系统的区别嵌入式软件职位与硬件职位的需求比约为7:3，单片机系统约为1：1，甚至软硬件职位不分。单片机系统可看作是低端嵌入式系统，而以32位微处理器为代表的嵌入式系统则是中、高端嵌入式系统。4)嵌入式系统的特征嵌入式系统中至少有一片微处理器，是一专用计算机系统；嵌入式系统软、硬件根据需要进行定制，一般有功耗低、体积小、集成度高、成本低、可靠性高、时时性强等要求。具体要求随应用环境而异。嵌入式系统采取交叉开发方式进行开发5)嵌入式系统的应用消费电子嵌入式应用信息家电智能玩具军事电子通信设备移动存贮工控设备智能仪表汽车电子网络设备工业军事国防电子商务网络国防工业、军事工业、兵器工业：各种武器控制（火炮控制、导弹控制、智能炸弹制导引爆装置）、坦克、舰艇、轰炸机等陆海空各种军用电子装备，雷达、电子对抗军事通信装备，野战指挥作战用各种专用设备等。我国嵌入式计算机最早用于导弹控制。5)嵌入式系统的应用信息家电、民用设备：各种信息家电产品，如数字电视机、机顶盒，数码相机，VCD、DVD音响设备，可视电话，家庭网络设备，洗衣机，网络冰箱，网络空调，智能玩具，其他消费类电子产品等。5)嵌入式系统的应用工业：各种智能测量仪表、智能卡、数控装置、可编程控制器、控制机、分布式控制系统、现场总线仪表及控制系统、工业机器人、智能机器人、智能传感器、机电一体化机械设备、车载导航器、汽车电子设备、车辆与交通工程等。5)嵌入式系统的应用商业：各类收款机、电子秤、条形码阅读机、商用终端、银行点钞机、IC卡输入设备、取款机、自动柜员机、自动服务终端、防盗系统、各种银行专业外围设备、智能金融器具、远程教育。5)嵌入式系统的应用办公自动化：复印机、打印机、传真机、扫描仪、其他计算机外围设备、掌上电脑、激光照排系统、安全监控设备、媒体手机、移动电话、寻呼机、个人数字助理（PDA）、变频空调设备、通信终端、程控交换机、网络浏览器、网络设备（路由器、交换机、Webserver、网络接入盒等）、网络工程、录音录象及电视会议设备、数字音频广播系统等。5)嵌入式系统的应用5)嵌入式系统的应用交通管理、环境监测中的应用：

车辆导航、流量控制、信息监测、汽载GPS设备；水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全、地震监测网、实时气象信息网、水源和空气污染监测。加油站停车场管理……医疗保健设备：各种医疗电子仪器，X光机、超声诊断仪、计算机断层成像系统、心脏起博器、监护仪、辅助诊断系统、远程医疗、专家系统等。其他领域：农业技术、光学系统、气象预报、卫星通信网、数字通信、移动数据库、语音处理。5)嵌入式系统的应用第1章嵌入式系统概述13254嵌入式系统基本概念嵌入式系统的组成嵌入式应用软件嵌入式处理器嵌入式操作系统软件硬件2嵌入式系统的组成操作系统硬件2嵌入式系统的组成应用软件普通微机的组成或操作系统硬件2嵌入式系统的组成应用软件中间芯片为:ARM嵌入式操作系统：UC/OS或者linux等在嵌入式系统上编程--应用程序2嵌入式系统的组成中间芯片为:ARM嵌入式操作系统：UC/OS或者linux等在嵌入式系统上编程--应用程序1、嵌入式操作系统的内核存放在flash存储器中（移植）2、内核中需要添加设备驱动程序3、flash中需要存放系统引导bootloader2嵌入式系统的组成

嵌入式系统为一个专用计算机系统，具有普通计算机系统的共同特征，可看作由硬件系统与软件系统组成。基于S3C44B0X嵌入式结构1)嵌入式系统硬件MPU微处理器电源模块时钟复位RAMROMUSBLCDKeyboard外围电路Other外设I/O1)嵌入式系统硬件外围电路RAM：随机存取存储器，

SRAM：静态随机存储器，速度高，体积大，成本高，无需刷新，片上用

DRAM：动态随机存储器，速度低，体积小，成本低，需刷新，片外用ROM：只读存储器FLASH，闪存EEPROM，电可擦除的只读存储器1)嵌入式系统硬件电源模块：提供嵌入式系统所需电源，一般为±3/5VDC时钟：提供嵌入式系统所需时钟信号，可由一外部时钟源或一晶振电路产生复位电路：提供嵌入式系统复位信号，可由专用芯片产生I/O：输入/输出接口，提供嵌入式处理器与外设之间连接所需的控制信号及数据通道，是嵌入式系统中最庞大的部分外设：外部设备，键盘、LCD、USB接口等1)嵌入式系统硬件微处理器：嵌入式系统最关键的部分ARM7系列ARM9系列ARM9E系列ARM10E系列SecurCore系列Inter的XscaleInter的StrongARMARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，目前最新的系列已经是ARM11。2)嵌入式系统软件应用软件系统软件-操作系统启动程序（BootLoader）2)嵌入式系统软件BootLoader是什么？BootLoader是嵌入式系统上电复位后执行的第一个程序-开机程序，负责初始化硬件、装载代码到RAM等工作。PC机中类似工作由BIOS（BasicInput/OutputSystem）完成，嵌入式系统中无通用BIOS，用户必须自行编写BootLoader程序。嵌入式系统的启动通常有两种方式，一种是直接从Flash启动，另一种是可以将压缩的内存映像文件从Flash中复制、解压到RAM，再从RAM启动。2)嵌入式系统软件BootLoader完成基本软硬件环境初始化后，若有操作系统，则将控制权转交操作系统；若没有操作系统，则直接执行应用程序或等待用户命令第1章嵌入式系统概述13254嵌入式系统基本概念嵌入式系统的组成嵌入式应用软件嵌入式处理器嵌入式操作系统3嵌入式处理器3嵌入式处理器嵌入式微控制器MCU（MicrocontrolUnit）嵌入式微控制器主要用于控制领域，典型代表是8051系列、PIC系列的4位、８位及16单片机。单片机芯片内部集成ROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A等各种适宜控制用的功能模块和外设。MCU用于低端嵌入式系统3嵌入式处理器嵌入式DSP（DigitalSignalProcessor）

DSP是专门用于信号处理方面的处理器，在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计。如采用哈佛体系结构（如下图），硬件乘法器、硬件乘累加器。在数字滤波、FFT、谱分析、音视频处理等各种仪器上获得了大规模的应用。

DSP芯片商有TI（德州仪器）、Motorloa、Lucent等。DSP主要用于需进行音视频处理的嵌入式系统3嵌入式处理器嵌入式微处理器MPU(MicroProcessorUnit)MPU是由通用计算机中的CPU演变而来的，主要类型有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、Sparc、ARM/StrongARM等系列MPU用于中高端嵌入式系统中，为通用嵌入式处理器3嵌入式处理器嵌入式片上系统SoC（SystemonChip）SoC将许多功能模块做在一个芯片上。如将USB、TCP/IP、GPRS、GSM、IEEE1394、蓝牙等模块都集成在一块芯片上，而这些单元以往都是一个个独立的IC。3嵌入式处理器SoC在声音、图像、影视、网络等应用领域中将发挥重要作用。嵌入式系统微处理器在中国的发展：中国龙芯，多媒体处理芯片珠海矩力的MP3/4，音频处理SoC，欧比特的S698，税控机用SoC上海交大和上海高清的HD2802A、HD2201A，数字高清晰度电视系列芯片。SoC的变种SoPC

(SystemOnProgrammableChip)，即可编程片上系统，其结合了SoC和PLD/FPGA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，极大的提高了系统的在线升级、换代能力。嵌入式处理器的以上划分是历史上形成的，并不一定合理，实际上有时很难将一款嵌入式处理器归为以上的哪一类。所以往往不加区分地统统称为嵌入式处理器。3嵌入式处理器第1章嵌入式系统概述13254嵌入式系统基本概念嵌入式系统的组成嵌入式应用软件嵌入式处理器嵌入式操作系统4嵌入式操作系统

1)嵌入式操作系统概述2)典型嵌入式操作系统介绍1)嵌入式操作系统概述嵌入式操作系统一般仅指操作系统的内核（或者微内核），其他部分（如窗口界面、文件、以及通讯协议等模块）则不被包括，可以另外选择。嵌入式操作系统通常提供以下管理功能多任务管理存储管理周边资源管理中断管理1)嵌入式操作系统概述大多嵌入式系统应用在实时环境中，因此嵌入式操作系统跟实时（Real-Time）操作系统密切联系在一起，但嵌入式操作系统并非都是实时系统。实时操作系统可再分为硬实时与软实时两类

2)典型嵌入式操作系统介绍嵌入式操作系统有近百种，典型的有：Linux、

WindowsCE、VxWorks、Psos、PalmOS、OS-9LynxOS、QNX、LYNX、µC/OS-II。2)典型嵌入式操作系统介绍VxWorks美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地。显著特点是：可靠性、实时性和可裁减性好。支持多种处理器，如x86、i960、SunSparc、MotorolaMC68xxx、MIPS、POWERPC等。2)典型嵌入式操作系统介绍WindowsCE微软开发的一种针对小容量、移动式、智能化32位设备的模块化实时嵌入式操作系统。主要用于手机、掌上电脑、GPS等不够实时，属于软实时操作系统，由于其Windows背景，界面比较统一认可。操作系统的基本内核需要至少200K的ROM。2)典型嵌入式操作系统介绍PalmOS著名的网络设备制造商3COM旗下的PalmComputing掌上电脑公司的产品。PalmOS在PDA市场上占有很大的市场份额，PalmOS的市场份额占到将近90%，最近下降70％，目前主要与WINCE进行激烈竞争。2)典型嵌入式操作系统介绍

QNX加拿大QNX公司的产品QNX是一个实时的、可扩充的操作系统，它部分遵循POSIX相关标准，由于QNX具有强大的图形界面功能，因此很适合作为机顶盒、手持设备（手掌电脑、手机）、GPS设备的实时操作系统使用。2)典型嵌入式操作系统介绍uC/OS-II

源码开放、可裁剪、结构小巧、抢先式、实时、多任务（64个任务，分0~63级）。内核最小可达2K，包括信号量、消息队列及相关函数等全部功能的内核仅为6~10k.已移植到40多种处理器上。不支持文件系统,无GUI。适用于小型控制系统。经过美国联帮航空管理局认证,可用于商用飞机.2)典型嵌入式操作系统介绍Linux源码开放、网络功能强、内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高，易于定制剪裁、不仅支持x86CPU，还可以支持其他数十种CPU芯片，故在嵌入式领得到广泛应用。在嵌入式领域应用的Linux通常有以下几种：Linux，通用操作系统、非实时，服务器用得多RTLinux（RealTimeLinux)，针对实时应用开发的LinuxClinux(MicroControlLinux)，针对无MMU的微处理器开发的Linux2)典型嵌入式操作系统介绍Andriod：针对手机应用开发的，由内核、中间件、用户界面和应用软件组成的开发平台。BruceScharlau,UniversityofAberdeen,2010中间件层：由函数库和Android运行时构成函数库。主要提供一组基于C/C++函数库，包括：SurfaceManager，支持显示子系统的访问，提供应用程序与2D、3D图像层的平滑连接MediaFramework，实现音视频的播放和录制功能SQLite，轻量级的关系数据库引擎OpenGLES，基于3D图像加速FreeType，位图与矢量字体渲染WebKit，Web浏览器引擎SGL,2D图像引擎SSL，数据加密与安全传输的函数库Libc，标准C运行库，Linux系统中底层应用程序开发接口2)典型嵌入式操作系统介绍2)典型嵌入式操作系统介绍Android运行时构成核心库，提供Android系统的特有函数功能和Java语言函数功能Dalvik虚拟机，实现基于Linux内核的线程管理和底层内存管理2)典型嵌入式操作系统介绍应用程序框架ResourceManager，允许应用程序使用非代码资源LocationManager，管理与地图相关的服务功能NotificationManager，允许应用程序在状态栏中显示提示信息2)典型嵌入式操作系统介绍应用程序提供一系列的核心应用程序包括电子邮件客户端、浏览器、通讯录和日历等第1章嵌入式系统概述13254嵌入式系统基本概念嵌入式系统的组成嵌入式应用软件嵌入式微处理器嵌入式操作系统5嵌入式应用软件1)嵌入式软件交叉开发环境

2)嵌入式应用软件开发的基本流程 3)嵌入式软件的可移植性1)嵌入式软件交叉开发环境交叉开发是指在一台通用计算机上进行软件的编辑、编译及连接，然后下载到嵌入式设备中进行调试的开发方法。通用PC称为宿主机，嵌入式设备称为目标机。交叉开发环境通常用包括:集成开发环境IDE（IntergratedDevelopmentEnvironment）调试仿真器评估板。PCIDE一般为一个整合了编辑、编译、汇编、链接、调试、工程管理及函数库等功能模块的软件平台ARM公司ADS、SDTIDE，Embest公司EmbestIDE等。1)嵌入式软件交叉开发环境调试仿真器指令集模拟器:一种利用PC机端的仿真开发软件进行模拟调试的方法----软件仿真器。JTAG仿真器:基于JTAG的ICD（In-CircuitDebugger）,