第1章 嵌入式系统概述

1.嵌入式系统嵌入式系统概述2.嵌入式处理器3.嵌入式操作系统1.1嵌入式系统·概述

经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度上改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变还在加速。嵌入式系统具有无数的种类，每种都具有自己独特的个性。例如，MP3、数码相机与打印机就有很大的不同。汽车中更是具有多个嵌入式系统，使汽车更轻快、更干净、更容易驾驶。

即使不可见，嵌入式系统也无处不在。嵌入式系统在很多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些产业，包括工业自动化、国防、运输和航天领域。例如神舟飞船和长征火箭中有很多嵌入式系统，导弹的制导系统也是嵌入式系统，高档汽车也有多达几十个嵌入式系统。在日常生活中，人们使用各种嵌入式系统，但未必知道它们。事实上，几乎所有带有一点“智能”的家电（全自动洗衣机、电脑电饭煲）都有嵌入式系统。嵌入式系统广泛的适应能力和多样性，使得视听、工作场所甚至健身设备中到处都有嵌入式系统·现实中的嵌入式系统·现实中的嵌入式系统·嵌入式系统的概念目前，对嵌入式系统的定义多种多样，但没有一种定义是全面的。下面给出两种比较合理的定义：

从技术的角度定义：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可剪裁、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。

从系统的角度定义：嵌入式系统的设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。·嵌入式系统示例——NEST温控器·嵌入式系统示例——

咕咚智能手环·嵌入式系统示例——

咕咚智能手环1.嵌入式系统嵌入式系统概述2.嵌入式处理器3.嵌入式操作系统1.2嵌入式处理器·分类嵌入式处理器可以分为以下几类：1.嵌入式微处理器；2.嵌入式微控制器；3.嵌入式DSP处理器；·嵌入式微处理器

嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留与嵌入式应用相关的母版功能，这样可以大幅减小系统的体积和功耗。虽然嵌入式微处理器在功能上与标准微处理器基本上是一样的，但为了满足嵌入式应用的特殊要求，在其工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低及可靠性高等优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口，各种外设等器件，外设安装在一块电路板上，称为单板计算机，如STD-bus、PC104等。·嵌入式微控制器

嵌入式微控制器又称单片机，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等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置和封装。这样可以使单片机最大限度的和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。

与嵌入式微处理器相比，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。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。

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和数目众多的ARM芯片等。目前MCU约占嵌入式系统70%的市场份额。·嵌入式DSP处理器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处理器比较有代表性的产品是TexasInstrument的TMS320系列和Motorala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。另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结构的采用低成本、低功耗技术制造的R.E.A.LDSP处理器，特点是具有双哈佛结构和双乘/累加单元，应用目标是大批量的消费类产品。1.嵌入式系统嵌入式系统概述2.嵌入式处理器3.嵌入式操作系统1.3嵌入式操作系统计算机系统由硬件和软件组成，在发展初期没有操作系统这个概念，用户使用监控程序来使用计算机。随着计算机技术的发展，计算机系统的硬件、软件资源也越来越丰富，监控程序已不能适应计算机应用的要求。于是在六十年代中期监控程序又进一步发展形成了操作系统（OperatingSystem）。·概述1.3嵌入式操作系统基本概念—前后台系统

对于芯片的开发来说，应用程序一般是一个无限的循环，可称为前后台系统或超循环系统。

很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计，例如微波炉、电话机、玩具等。在另外一些基于微处理器应用中。从省电的角度出发，平时微处理器在停机状态，所有事都靠中断服务来完成。1.3嵌入式操作系统基本概念—前后台系统循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看成后台行为，后台也可以叫做任务级。这种系统在处理的及时性上比实际可以做到的要差中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为，前台也叫中断级。时间相关性很强的关键操作一定是靠中断服务程序来保证的。1.3嵌入式操作系统基本概念—操作系统

操作系统是计算机中最基本的程序。操作系统负责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与协调等并发的活动；操作系统提供用户接口，使用户获得良好的工作环境；操作系统为用户扩展新的系统功能提供软件平台。1.3嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统——嵌入式LinuxuClinux是一个完全符合GUN/GPL公约的操作系统，完全开放代码。uClinux从Linux2.0/2.4内核派生而来，沿袭了主流Linux的绝大部分特性。它是专门针对没有MMU的CPU，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。适用于没有虚拟内存或MMU的处理器，例如ARM7TDMI。通常用于具有很少内存或Flash的嵌入式系统。保留了Linux的大多数优点：稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持以及标准丰富的API等1.3嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统——WinCEWindowsCE是微软开发的一个开发的、可升级的32为嵌入式操作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备操作，它是精简的Windows95。WindowsCE的图形界面相当出色。具有模块化、结构化、基于Win32应用程序接口以及与处理器无关等特点。WinCE不仅继承了传统的Windows图形界面，并且在WinCE平台上可以使用Windows95/98上的编程工具（如VisualBasic、VisualC++等），绝大多数的应用软件只需要简单地修改和移植就可以在WinCE平台上继续使用。1.3嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统——VxWorksVxWorks操作系统是美国WINDRIVER公司于1983年设计开发的移植嵌入式实时操作系统（RTOS）,是嵌入式开发环境的关键组成部分。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占据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛的应用于在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等，甚至在1997年4月登陆火星表面的火星探测器上也使用到了VxWorks1.3嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统——uC/OS-ⅡuC/OS-Ⅱ是一个码源公开、可移植、可固化、可裁剪、占先式的实时多任务操作系统。其绝大部分源码是用ANSIC写的，使其可以方便的移植并支持大多数类型的处理器。uC/OS-Ⅱ通过了联邦航空局（FAA）商用航行器认证。自1992年问世以来，uC/OS-Ⅱ已经被应用到数以百计的产品中。uC/OS-Ⅱ占用很少的系统资源，并且在高校教学使用是不需要申请许可证。1.3嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统——CoOS

CoOS是一款针对ARMCortex-M系列芯片而设计的实时系统内核。它起源于武汉理工大学UPTeam的研究项目，该内核具有以下特点：免费并开源ARMCortexM系列定制操作系统高度可裁剪性，最小系统内核仅974Byte支持优先级抢占和时间片轮转自适应任务调度算法中断延时时间趋近于零信号量、邮箱、队列、事件标志、互斥等同步通信方式支持多种编译器：ICCARM、ARMCC、GCC1.3嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统——RT-Thread

实时线操作系统（RT-Thread）是一款来自国内的开源实时操作系统，并且商业许可证非常宽松，由国内RT-Thread开发团队进行开发与维护。它不仅是一款高效、稳定的实行操作系统内核，也是一套面向嵌入式系统的软件平台。RT-Thread起初只有一个实时的内核，但在发展过程中，得到了来自全国嵌入式开发工程师的鼎力支持，为RT-Thread添砖加瓦，现在它已慢慢变成一个完善的、全功能的操作系统。目前，RT-Thread已经被国内十多所企业所采用，被证明是一款能够稳定持续运行的操作系统。RT-Thread不仅是一个单一的实时操作系统内核，它也是一个完整的应用系统，包含了嵌入式系统相关的各个组件：TCP/IP协议栈，文件系统，图形用户界面RTGUI等。1.3嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统——FreeRTOS

FreeRTOS是一个迷你操作系统内核的小型嵌入式系统。作为一个轻量级的操作系统，功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能等，可基本满足较小系统的需要。

相对μC/OS-II等商业操作系统，FreeRTOS操作系统是完全免费的操作系统，具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的特点，可以方便地移植到各种单片机上运行，其最新版本为8.0.0版。1.3嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统——RL-RTX

RL-RTX操作系统是一个实时内核，它由德国Keil公司(先已被ARM公司收购)开发，配套于RealViewMDK（RealView

Microcontroller

Development

Kit）开发工具使用，用户可以直接在工程中使用，可用于ARM7、ARM9和Cortex-M系列的微控制器。它支持时间片轮转和优先级轮转，提供了信号量、互斥量、定时器、事件标志和邮箱等系统服务。由于RL-RTX直接集成在RealViewMDK开发工具中，不需要进行操作系统移植，用户可以把大量的精力放在应用程序的开发上，同时该内核简单易学，功能完善，源码公开，是初学者学习嵌入式操作系统编程方法的一个入门内核。嵌入式系统的市场份额嵌入式概论补充嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义：以应用为中心，以计算机技术为基础，且软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗的严格要求的专用计算机系统嵌入式系统的定义广义的嵌入式系统凡是带有微处理器的专用系统都可以称为嵌入式系统。如单片机系统和带OS的ARM系统。各类单片机系统，在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点。但是由于他们没有操作系统，所以管理硬件和软件的能力有限，在实现复杂的多任务功能时往往困难重重，甚至无法实现。嵌入式系统的定义狭义的嵌入式系统是指那些使用嵌入式微处理器构成的独立系统，具有操作系统,完成特定功能，用于特定场合嵌入式系统的组成总体上嵌入式系统可以划分成硬件和软件两部分硬件一般由高性能的微处理器和外围的接口电路组成软件一般由实时操作系统和其上运行的应用软件构成嵌入式系统的特点与PC机在硬件开发平台上对比设备名称嵌入式系统PCCPU嵌入式处理器（ARM，MIPS,Score+）CPU（Intel、AMD等）内存SDRAM芯片SDRAM或DDR内存条存储设备Flash芯片硬盘输入设备触摸屏，按键鼠标、键盘、麦克等输出设备LCD显示器其它设备音频芯片、USB芯片、网卡芯片等主板集成或外接卡嵌入式系统的特点与PC机在软件开发平台上对比名称嵌入式系统PC引导代码Bootloader引导，针对不同电路进行移植主板的BIOS引导，无须改动操作系统Linux、WinCE、VxWorks等，需要移植Windows、Linux等，无需移植驱动程序每个设备驱动针对电路板进行开发或移植，一般不能直接下载使用操作系统含有大多数驱动程序,或下载直接使用开发环境交叉编译本机编译协议栈需要移植操作系统或第三方提供嵌入式系统的特点系统内核小嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多专用性强嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植系统精简

嵌入式系统一般不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于系统安全实时性操作系统

这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固化存储，以提高速度，软件代码要求高质量和高可靠性、实时性专用的开发工具和开发环境嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成硬件部分：嵌入式微处理器外围硬件设备软件部分：嵌入式操作系统特定的应用程序嵌入式处理器外围硬件设备外围设备是指在一个嵌入式系统当中，嵌入式处理器以外的完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其它部件，根据外围设备的功能可分为以下3类：存储器：SRAM、DRAM、NANDFLASH、NORFLASH等接口：并口、RS232串口、SPI串行接口、USB通用串行总线、以太网接口等人机接口：LCD、触摸屏、键盘等嵌入式操作系统用户的其它应用程序都建立在OS之上OS将CPU时间、中断、I/O、定时器等资源都包装起来，留给用户一个标准的API，并根据各个任务的优先级，合理地在不同任务之间分配CPU时间主要功能：