第1章 嵌入式系统

第1章嵌入式系统概述

2023/2/4教学要点嵌入式系统概述嵌入式处理器分类嵌入式操作系统计算机发展的三大阶段第一阶段：始于50年代的由IBM,Burroughs,Honeywell等公司率先研制的大型机。第二阶段：始于70年代的个人计算机（PC机）。第三阶段：计算机正迈入下一个充满机遇的阶段—“后PC时代”或“无处不在的计算机”阶段。计算的发展过程

分时系统批处理系统单用户系统大型机分布式计算小型机基于网络的个人计算

微型机协同计算基于开放系统的客户/服务器普适计算

普适计算终端资源使用的灵活性计算的自由性无处不在的计算机施乐公司PaloAlto研究中心主任MarkWeiser认为：“从长远来看，PC机和计算机工作站将衰落，因为计算机变得无处不在：例如在墙里、在手腕上、在手写电脑中(象手写纸一样)等等，随用随取、伸手可及”。无处不在的计算机全世界的计算机科学家正在形成一种共识:计算机不会成为科幻电影中的那种贪婪的怪物,而是将变得小巧玲珑,无处不在.他们藏身在任何地方,又消失在所有地方,功能强大,确有无影无踪.人们将这种思想命名为:“无所不在的计算机”。彼此互连无处不在的计算机面对6万年才有一次的机会，科学家们积极行动起来———从6月开始，先后有欧洲的“火星快车”、美国“勇气号”和“机遇号”等三颗火星探测器飞往火星，而日本一颗本已在太空“迷失方向”的火星探测器也在关键时刻及时“醒”来，开始了久违的火星之旅。火星与地球，这一对在星空中遥遥相望的“兄弟”，迎来6万年来“最亲密的接触”，在2003年8月27日这一天，火星距离地球最近达到55756622(5千多万)公里。勇气号“小鹰”号标准排水量为60100吨，满载排水量达81123吨，舰长323.6米，舰宽39.6米，吃水11.4米，是世界上最大的常规动力航空母舰。舰员2930名，其中军官155名；航空人员2480名，其中军官320名。飞机：F-14D战斗机20架，F/A-18战斗机36架，E-2C预警机和EA-6B电子干扰机各4架，6架S-3B反潜机，6架直升机，2架ES-3A。WearableComputing嵌入式设备无处不在，

但桌面系统还依然有用无处不在的计算机是计算机与使用者的比率达到和超过100:1的阶段无处不在的计算机包括通用计算机和嵌入式计算机系统在100:1比例中95%以上都是嵌入式计算机系统，并非通用计算机通用计算机－看得见的计算机如：PC机、服务器、大型计算机等。显示器主机鼠标键盘硬件软件通用计算机－看得见的计算机通常，将嵌入式计算机系统简称为嵌入式系统。1嵌入式系统概述

嵌入式系统的定义嵌入式系统的特点嵌入式系统的组成嵌入式系统的应用嵌入式系统的发展1.1什么是嵌入式系统根据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” （原文为devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）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与各个行业的具体应用相结合后的产物。简单地讲嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求；专用性：软、硬件按对象要求裁减；计算机：实现对象的智能化功能。嵌入到对象体中的专用计算机系统。三要素：嵌入、专用、计算机。嵌入式系统的特点：广义地说一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件集合体。嵌入式系统，是以应用为中心，以计算机技术为基础，采用可剪裁软硬件，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统发展的最高形式——片上系统（SOC）历史与现状无操作系统阶段：20世纪70年代汇编语言直接控制简单操作系统阶段：20世纪80年代基于简单的OS开发嵌入式应用软件实时操作系统阶段：20世纪90年代实时多任务操作系统面向Internet阶段：进入21世纪嵌入式设备与Internet结合嵌入式硬件平台：嵌入式处理器；存储器（ROM、RAM）；输入输出设备；嵌入式外围设备。嵌入式操作系统（EmbeddedOS，EOS）：负责嵌入式系统全部软、硬件资源的分配、调度、控制、协调；能够通过加载/卸载某些模块来达到系统所要求的功能。嵌入式应用软件1.2嵌入式系统的体系结构复位及振荡电路处理器定时器ROM、RAM串行口中断控制并口输入/输出设备接口及驱动电路系统专用电路嵌入式系统硬件组成1.3应用领域社会经济的发展产生了一些新的需求，同时促进了嵌入式技术的广泛应用。中国正在成为世界制造大国，在消费电子、工业应用、军事、网络设备等领域都有嵌入式系统的应用。嵌入式技术刺激了许多新的应用需求，如信息家电、电子病历、微小型智能武器等。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(1)机电产品过去在工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统等方面，大部分低端型设备主要采用是８位单片机。随着技术发展，目前许多设备除了进行实时控制，还须将设备状态，传感器的信息等在显示屏上实时显示。

(2)信息家电信息家电将成为嵌入式系统最大的应用领域。只有按钮、开关的电器显然已经不能满足人们的日常需求。具有用户界面，能远程控制，智能管理的电器是未来的发展趋势，如冰箱、空调等的网络化、智能化等。(3)消费类电子智能玩具手持通讯机器人马拉松机器人马拉松机器人马拉松(4)交通管理、环境监测交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭。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。(5)嵌入式Internet应用(6)军事领域(7)航天领域1.4嵌入式系统的发展趋势联网成为必然趋势小尺寸、微功耗和低成本提供精巧的多媒体人机界面“无所不在的智能”（AmbientIntelligence，AmI）2嵌入式处理器

嵌入式系统的分类嵌入式处理器的分类和现状

ARM微处理器按表现形式分（硬件范畴）：芯片级嵌入（含程序或算法的处理器）模块级嵌入（系统中的某个核心模块）系统级嵌入按实时性要求分（软件范畴）：

非实时系统（PDA）

软实时系统（消费类产品）

硬实时系统（工业和军工系统）2.1嵌入式系统的分类2.2嵌入式处理器的分类和现状微控制器（MCU）数字信号处理器（DSP）片上系统（SOC）可编程片上系统（SOPC）MCU嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种８位的电子器件，目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、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、Flash、EEPROM等各种必要功能和外设。MCU处理能力非常有限。MCU微控制器总线宽度一般为4位、8位或16位，处理速度有限，一般在几个MIPS，进行一些复杂的应用很困难，运行操作系统就更难。嵌入式微处理器（MicroProcessorUnit)MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的，80386/80387与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。MPUDSP处理器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，在数字滤波、FFT、频谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。DSP是运算密集处理器，一般用在快速执行算法，做控制比较困难。为了追求高执行效率，不适合运行操作系统，核心代码使用汇编。DSPSOC（片上系统）是IC设计的发展趋势。采用SOC设计技术，可以大幅度地提高系统的可靠性，减少系统的面积和功耗，降低系统成本，极大地提高系统的性能价格比。SOC芯片已经成为提高移动通信、网络、信息家电、高速计算、多媒体应用及军用电子系统性能的核心器件。SOC用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。SOPCARM（AdvancedRISCMachines），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。2.3ARM处理器ARM公司的Chipless模式世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75％以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。我国的中兴集成电路、大唐电讯、中芯国际和上海华虹，以及国外的一些公司如德州仪器、意法半导体、Philips、Intel、Samsung等都推出了自己设计的基于ARM核的处理器。低功耗、低成本、高性能采用RISC指令集使用大量的寄存器ARM/Thumb指令支持三/五级流水线ARM微处理器的特点ARM微处理器系列通用处理器系列ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11SecurCore系列 安全产品应用Intel的StrongARM

ARMv4；消费类电子Intel的Xscale

ARMv5TE；DSP采用RISC体系结构采用RISC架构的ARM处理器一般具有如下特点：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；使用单周期指令，便于流水线操作执行；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。大量使用寄存器ARM处理器共有37个寄存器，被分为若干个组，这些寄存器包括：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；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。高效的指令系统ARM微处理器支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。ARM指令为32位的长度，Thumb指令为16位长度。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比较，可节省30％～40％以上的存储空间，同时具备32位代码的所有优点。ARM微处理器的其他技术除此以外，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：所有的ARM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。可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。3嵌入式操作系统LinuxC/OSWindowsCE

Symbian

VxWorksQNX部分遵循POSIX标准操作系统（OS，OperatingSystem）：是隐藏底层不同硬件的差异，向在其上运行的应用程序提供一个统一的调用接口。操作系统主要完成三项任务：内存管理、多任务管理和外围设备管理。应用程序操作系统系统界面驱动程序硬件硬件硬件硬件操作系统的概念和分类嵌入式操作系统（EmbeddedOS，EOS）负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度、控制、协调；能够通过加载/卸载某些模块来达到系统所要求的功能。EOS是相对于一般操作系统而言的，它除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等外，还有以下特点:强稳定性，弱交互性：具有很强的稳定性；较强的实时性：可伸缩性：开放、可伸缩性的体系结构；外设接口的统一性：提供各种设备驱动接口。操作系统提供的系统服务供应用程序调用，包括：文件系统、内存分配、I/O存取服务、中断服务、任务（Task）服务、时间（Timer）服务等，设备驱动程序（DeviceDriver）则是要建立在I/O存取和中断服务上的。有些嵌入式操作系统也会提供多种通信协议，以及用户接口函数库等。实时操作系统（Real-TimeOperatingSystem，RTOS），是指操作系统本身要能在一个固定时限内对程序调用（或外部事件）做出正确的反应，亦即对时序与稳定性的要求十分严格。目前国际较为知名的有：VxWorks(WindRiver)、NeutrinoRTOS(QNX)、NucleusPlus(ATI)、MicrowareOS-9(RadiSys)、VRTX、LinuxOS，RTLinux、BlueCatRT等。通用型操作系统：执行性能与反应速度比起实时操作系统，相对没有那么严格。目前较知名的有：WindowsCE、PalmOS、TimeSysLinux/GPL、BlueCatLinux等。嵌入式操作系统的性能通常取决于核心程序，而核心的工作主要在任务管理（TaskManagement）、任务调度（TaskScheduling）、进程间的通信（IPC）、内存管理（MemoryManagement）。嵌入式Linux具有适合于嵌入式系统的特点:内核精简，高性能、稳定；良好的多任务支持；适用于不同的CPU体系架构：支持多种体系架构，如X86、ARM、MIPS、ALPHA、SPARC等；可伸缩的结构：可伸缩的结构使Linux适合于从简单到复杂的各种嵌入式应用；外设接口统一：以设备驱动程序的方式为应用提供统一的外设接口；开放源码，软件资源丰富：广泛的软件开发者的支持，价格低廉，结构灵活，适用面广；完整的技术文档，便于用户的二次开发。LinuxC/OS-Ⅱ是JeanJ.Labrosse在1990年前后编写的一个实时操作系统内核。名称C/OS-II来源于术语Micro-ControllerOperatingSystem（微控制器操作系统）。它通常也称为MUCOS或者UCOS。C/OS-Ⅱ只是一个实时操作系统内核，其特点：提供任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间通信和同步等基本功能；没有提供输入输出管理、文件管理、网络等额外的服务；源码开放及可扩展。C/OS-Ⅱ基于优先级调度的抢占式实时内核，在内核之上提供最基本的系统服务，例如：信号量、邮箱、消息队列、内存管理、中断管理等。应用领域包括便携式电话、运动控制卡、自动支付终端、交换机等。C/OS-Ⅱ具有良好的可移植性。C/OS-Ⅱ的大部分代码都是用C语言写成的，只有与处理器的硬件相关的一部分代码用汇编语言编写。目前C/OS-Ⅱ支持ARM、PowerPC、MIPS、68k/ColdFire和x86等多种体系结构。从多年前发表WindowsCE开始，微软就开始涉足嵌入式操作系统领域，如