嵌入式系统概述

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嵌入式系统AnIntroductiontoEmbeddedSystem第一课嵌入式系统概述2

课程大纲课程概述嵌入式系统定义嵌入式系统发展历程嵌入式系统构成要素独特的嵌入式软件技术嵌入式系统应用领域3课程概述计算机应用领域的划分桌面通用型高端服务型小型专用型4课程设置的预期目标对嵌入式系统设计技术有比较全面的了解，具备一定的设计实践能力，为进一步深入开展相关工作奠定基础。理解并掌握嵌入式系统中的硬件设计与软件部分，包括ARM处理器、ATOM处理器、嵌入式调试嵌入式实时操作系统、嵌入式软件开发理论、方法与技术。熟悉基于嵌入式Linux的嵌入式系统开发技术。5课程教材理论教材：嵌入式系统技术，张晓林，高等教育出版社，2008.10，ISBN：7040247206实验教材：嵌入式系统开发原理与实践，陈文智，清华大学出版社，2005.8，ISBN:7302116002009年本课程的PPT参考了北航张晓林、杨昕欣两位老师的课件，特此感谢6参考书目嵌入式系统ARM嵌入式系统基础教程(第2版)，周立功，北京航空航天大学出版社(2008-09出版)嵌入式系统设计的艺术(英文版.第2版)，Jackganssle，人民邮电出版社(2009-03出版)ARM嵌入式系统结构与编程，邱铁，清华大学出版社(2009-03出版)操作系统嵌入式Linux应用开发完全手册，韦东山，人民邮电出版社(2008-08出版)ARM嵌入式Linux系统开发技术详解，杨水清等，电子工业出版社(2008-11出版)WindowsCE嵌入式系统何宗键，北京航空航天大学出版社(2006-09出版)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,王田苗，清华大学(2007-07出版)嵌入式软件嵌入式软件调试技术，陈云川，电子工业出版社(2009-01出版)嵌入式图形系统设计，怯肇乾，北京航空航天大学出版社(2009-03出版)7实验平台SAMSUNGS3C2410实验板，英蓓特，2009年ATOMZ530实验板，闻亭公司，2009年8

课程大纲课程概述嵌入式系统定义嵌入式系统发展历程嵌入式系统构成要素独特的嵌入式软件技术嵌入式系统应用领域9什么是嵌入式系统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:devicesusedtocontrol，monitor，orassisttheoperationofequipment，machineryorplants。）10嵌入式系统的含义含义通俗的说，嵌入系统就是将计算机的硬件或软件嵌入其它机、电设备或应用系统中去，所构成了一种新的系统，即嵌入式系统。构造原则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，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。11嵌入式系统适用场合检测、控制小型化、微型化器件、设备大吞吐量信号处理移动媒体信息处理多机电协同工作数控机床、单机电、仪表通讯、医疗、移动办公视频流处理DV、MP4、MID汽车电子、航空电子12嵌入式系统与桌面通用系统的区别(1/7)嵌入式系统中运行的任务是专用且比较确定的心脏监视器只需运行信号输入、信号处理、心电图显示任务如要更改任务，需要对整个系统进行重新设计或在线维护升级桌面通用系统需要支持大量的、需求多样的应用程序：对系统中运行的程序不作假设程序升级、更新等方便13嵌入式系统与桌面通用系统的区别(2/7)嵌入式系统往往对实时性提出较高的要求。实时系统：指系统能够在限定的响应时间内提供所需水平的服务。（POSIX1003.b

）嵌入式实时系统可分为：强实时型：响应时间μs～ms级；一般实时：响应时间ms～s级；弱实时型：响应时间s级以上。桌面通用系统：以性能、价格的最优为追求原则面向多任务性能均衡14嵌入式系统与桌面通用系统的区别(3/7)嵌入式系统中使用的操作系统一般是实时操作系统嵌入式实时操作系统数量众多，如：VxWorks、WindowsCE、pSOS、QNX、uc/OS嵌入式Linux、RTLinux国产嵌入式实时操作系统，如：HOPENDeltaOSSmartOS(/smartos)桌面操作系统Linux、Windows系列15嵌入式系统与桌面通用系统的区别(4/7)嵌入式系统运行需要高可靠性保障，比桌面系统的故障容忍能力弱很多嵌入式系统需要忍受长时间、无人值守条件下的运行嵌入式系统运行的环境恶劣16嵌入式系统与桌面通用系统的区别(5/7)嵌入式系统大都有功耗约束如：珍贵文物微气象环境监测要求1分钟采样一次，每个采样节点采用电池供电，1年更新一次。采用常规的方法，能量只能持续工作5天！引入间歇工作方式，从而降低功耗，节省能量WSN（无线传感网）节点一般能工作1-2年17嵌入式系统与桌面通用系统的区别(6/7)嵌入式系统比桌面通用系统可用资源少得多为降低系统成本，降低功耗，嵌入式系统的资源配置遵循够用就行！因此早年的嵌入式系统的主题是“裁剪”随着集成化模块化趋势，目前某些领域的嵌入式系统，如刀片式路由器，其可用资源接近甚至超过桌面通用系统嵌入式系统的开发需要专用工具和特殊方法：开发：交叉编译、交叉链接调试：仿真器、虚拟机更新：在线升级等18嵌入式系统与桌面通用系统的区别(7/7)

嵌入式系统开发是一项综合的计算机应用技术系统结构：状态控制器、中断控制器处理汇编语言：操纵外围设备、端口操作系统：设置运行任务、通讯、互斥编译原理：交叉编译、bootloader加载19

课程大纲课程概述嵌入式系统定义嵌入式系统发展历程嵌入式系统构成要素独特的嵌入式软件技术嵌入式系统应用领域20嵌入式系统的发展历程嵌入式系统出现于20世纪60年代，40多年来随着计算机技术、电子信息技术的发展，嵌入式系统的各项技术蓬勃发展，市场迅猛扩大，已深入生产和生活的各个角落。嵌入式系统发展的三个阶段嵌入式系统的出现和兴起（1960－1970）嵌入式系统走向繁荣，软件、硬件日臻完善（1971－1989）嵌入式系统应用走向纵深化发展，富有挑战（1990－至今）21嵌入式系统的出现和兴起第一代电子管计算机(1946～1957年)，无法满足嵌入式计算所要求的体积小、重量轻、耗电少、可靠性高、实时性强等一系列要求。第一个被大家认可的现代嵌入式系统麻省理工学院仪器研究室的查尔斯·斯塔克·德雷珀开发的阿波罗导航计算机。在两次月球飞行中他们在太空驾驶舱和月球登陆舱都是用了这种惯性制导系统。在计划刚开始的时候，阿波罗导航计算机被认为是阿波罗计划风险最大的部分。为了减小尺寸和重量而使用的当时最新的单片集成电路加大了这种风险。22嵌入式系统的出现和兴起60年代，第二代晶体管计算机系统开始应用：第一台机载专用数字计算机是美国海军舰载轰炸机“民团团员”号研制的多功能数字分析器(Verdan)。第一款大批量生产的嵌入式系统1961年发布的民兵I导弹上的D-17自动导航控制计算机。是由独立的晶体管逻辑电路建造的，带有一个作为主内存的硬盘。民兵II导弹在1966年开始生产，D-17第一次使用大量集成电路的计算机。民兵计算机:制导算法能够在项目后期重新编程以获得更高的导弹精度，并且计算机能够测试导弹，从而节省电缆和接头的重量。1962年美国乙烯厂实现了工业装置中的第一个直接数字控制。1965～1970年，第三代集成电路化计算机系统应用：第一次使用机载数字计算机控制：1965年发射的Gemini3号第一次通过容错来提高可靠性：1968年阿波罗4号、土星5号。23嵌入式系统走向繁荣，软、硬件日臻完善嵌入式系统的大发展是在微处理问世之后：1971年11月，Intel公司推出了第一片微处理器Intel4004。

人们再也不必为设计一台专用机而研制专用的电路、专用的运算器了，只需以微处理器为基础进行设计。1976年，第一个单片机Intel8048出现。微控制器：许多以前是外部系统的元件被集成到同一个处理器芯片。1美元以下，使得嵌入式系统的大规模应用成为可能1982年，第一个DSP出现，比同期的CPU快10～50倍。80年代后期，第三代DSP芯片出现。八十年代末期，嵌入式系统已经出现在几乎所有的电子设备软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善：早期嵌入式系统：采用汇编语言，基本不采用操作系统随着硬件的提升、软件技术发展：高级语言+操作系统24嵌入式系统应用走向纵深化发展应用充分普及：工业控制、数字化通讯、数字化家电汽车：50个到300个嵌入式微处理器飞机：70个以上嵌入式系统嵌入式微处理器32位、64位、128位嵌入式实时操作系统使用比率越来越高早期：10％；90年代初：30％；目前：80～90％嵌入式系统开发工具越来越丰富嵌入式系统产业链形成嵌入式系统时效性越来越明显25嵌入式系统产业链26嵌入式系统市场规模及平均增长率（2003－2006）27嵌入式软件系统生命周期发展28嵌入式系统发展趋势软硬件系统整合SOC设计：体积小、散热好、低功耗、可靠性高应用领域拓展：传感器网络、普适计算内容服务增加29嵌入式系统目前的挑战出现挑战的起因嵌入式系统的目的：适应计算机向传统电子产品迅速推进原因一：嵌入式系统发展与计算机技术发展越行越远嵌入式系统与计算机技术，走了两条独立的道路嵌入式系统将计算机技术实用化，电子化，产品化嵌入式系统依赖于硬件推进带动软件升级，嵌入式软件构件化困难形成两类技术路线ARM为基础的嵌入式硬件技术，定制软件X86为基础的计算机硬件技术，通用软件两者之间共享性极差，成果难以共享人员培养的困难，互相交集很少嵌入式工程师，一般通晓软硬件；国内出现嵌入式系计算机工程师、架构师、程序员/软件工程师，分工细致；30嵌入式系统目前的挑战原因二：计算机技术逐步以通用化战胜专用化通用处理器模块化降低了成本超级计算机大规模使用通用处理器通用处理器可以IP复用甚至开源SUN开源了2款通用处理器源码通用处理器功耗已经到0.65瓦，逼近0.5瓦的门槛通用处理器也走RISC路线与SOC路线，降低了功耗接口丰富虚拟化技术、云计算，抹平了硬件差异性通用计算机以USB对抗GPIO，丰富外围设备接口开发通用设备硬件资源虽然浪费，但是硬件开发成本低软件成本更低，人力成本、软件复用31嵌入式系统目前的挑战原因三：嵌入式技术逐步桌面化软件Linux操作系统嵌入式WindowsXP硬件通用处理器用于MID、UMPC多核厂家计算机厂家、互联网厂家介入嵌入式产品以手机革命为例2007年：苹果iPhone2008年：谷歌gPhone革了谁的命?桌面也在嵌入式化移动计算机32

课程大纲课程概述嵌入式系统定义嵌入式系统发展历程嵌入式系统构成要素独特的嵌入式软件技术嵌入式系统应用领域33嵌入式系统结构嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统（可选），以及用户的应用软件系统等四个部分组成

34一个典型的嵌入式系统应用35嵌入式微处理器1000多种硬件处理器，分为MCU、DSP、MPU、SOCARMRISC（ARM）TMS320DSP（TI）Trimedia（Philips）StrongARM（Intel）Xscale（Intel）MIPSRISC（MIPS）DragonBall（Motorola）36外围硬件设备（1/2）片外总线：连接系统各个部件，进行互连和传输信息的信号线。ESIA总线、SCSI总线、PCI总线AMBA总线：ARM研发的总线规范专用总线CompactPCI总线：工业控制CAN总线：汽车电子总线1553B总线：航空工业总线电子盘：采用flash芯片存储数据，体积小、功耗低、抗震DOC：DiskonChipDOM：IDE电子盘CF：CompactFlashSM：SmartMediaMS：MemoryStickSSD：RAID方式的FLASH37外围硬件设备（2/2）I/O设备A/D、D/A中断控制器UARTLCD通讯设备有线通讯：IEEE1394、USB无线通讯：IrDA、Bluetooth、802.11b/g38嵌入式实时操作系统典型的嵌入式实时操作系统（RTOS）近200种操作系统，VxWorks、QNX、WinCE、PalmOS面向SOC的操作系统：Symbian的Epoc、ExpressLogic的ThreadX、ATI的Nucleus开放源码的操作系统：Linux系列、uC/OSII典型性能指标内核大小：几K～几百K；调度时间片：1ms；实时任务响应时间：20～40微妙一般任务响应时间：20微妙～几百毫秒39

课程大纲课程概述嵌入式系统定义嵌入式系统发展历程嵌入式系统构成要素独特的嵌入式软件技术嵌入式系统应用领域40混合编程模式嵌入式软件经常需要直接控制外设、进行寄存器操作等，因而较多使用高级语言、汇编语言混合编程：嵌入式汇编直接汇编调用汇编调用C语言41固定内存地址访问嵌入式系统经常要求去访问某特定的内存位置，如：

unsignedshortx;unsignedshort*io_regs;

io_regs=(unsignedshort*)0x400000000;x=*io_regs[10];42存储限定符volatile编译器优化工作的一个假设在多任务共享变量、中断与任务共享变量时，必须使用volatile限定符，强制读取内存中的值。

voidmain(void){

volatileint*p_status;int*p_data;

p_status=(int*)0x4001;p_data=(int*)0x4000;do{}while((*p_status&0x01)==0);……}43代码共享与可重入在嵌入式系统中，多个任务使用子程序的一个单一拷贝是很常见，这些子程序称为共享代码。由于实时系统的任务是可抢占的，因而必须保证共享代码同时被几个任务调用而不发生冲突，这就是代码的可重入。char*strcpy(char*des,constchar*src){

staticchar*save=des;while((*des++=*src++)!=‘\0’);return(save);}任务1执行时间优先级任务2strcpystrcpy任务1strcpy44按位操作嵌入式系统经常要求对变量或寄存器进行位操作。例如：给定一个整型变量a，写两段代码，第一个设置a的bit3，第二个清除a的bit3。在以上两个操作中，要保持其它位不变。#defineBIT3(0x1<<3)voidset_bit3(int*a){*a|=BIT3;}voidclear_bit3(int*a){*a&=～BIT3;}45看门狗定时器对于要求高可靠性的嵌入式应用场合，系统往往提供看门狗（WATCHDOG）机制，以防止用户程序进入死循环。程序能够生成一个看门狗，并交付执行动作，如果应用程序在指定的时间内不能将看门狗置位，将触发指定的程序。看门狗执行动作包括：系统重启、任务重启、跳出循环46

课程大纲课程概述嵌入式系统定义嵌入式系统发展历程嵌入式系统构成要素独特的嵌入式软件技术嵌入式系统应用领域47计算机系统的创新：

桌面计算机平板计算机个人电脑ModBook平板电脑Toshiba平板电脑ClickStartMyFirstComputerViewsonic无线遥控平板人人电脑计划(OLPC)「双屏幕」笔记本电脑SamsungU200一体机48计算机系统的创新：UMPCUltra-MobilePC网络、GPS、键盘或屏幕手写NetbookMID:MobileInternetDeviceHTCAthena大同UMPCoQoSony49嵌入式系统：PDA个人信息助理掌上电脑导航产品与谷歌地图PDA手机+GPS导航＝DopodU1000，且支持SkyPEMap-Star的GPS定位设备华硕GPS导航器SONYGPS导航器Nokia6110四频HSDPA/GPS导航器50嵌入式系统：手机普通手机智能手机与PDA结合网络手机gphone韩国电信手机/电视遥控器二合一产品SonyEricsson超小型手机电脑手机放在底座上成为电脑Nokia手机户外音响内置DVB-H移动电视手机51嵌入式系统：PMPiLuv可即时将视频录制到iPod/闪存卡上，与以前技术相反Sony家用影音综合设备XtremeMac开发的iPod音箱IPEVO支持Skype电话Nike的

iPod帽MeizuM8IpodnanoArchos带Wifi的704PortableMediaPlayer52嵌入式系统：办公用品录音笔FLY数字笔能“看懂”在专用纸上所写的内容能“阅读”写作和纠正语法错误完成简单的算术运算将英文互相翻译成西班牙文等Genius数字便笺存储100页便笺2000LPI分辨率可通过USB连接电脑笔迹识别软件PolymerVision手机书使用可卷电子纸的电子书阅读器53嵌入式系统：手表MartinFrey手表日程表和手机联动获取网络连接和GPS定位信息手表手机：M3001英寸的显示屏USB接口可播放音乐支持蓝牙Nike的Speed+手表结合iPod和运动计测韩国防性罪犯的电子手镯可追踪罪犯的定位和坐标爱国者视频MP4手表电子墨水表54嵌入式系统：运动玩具游戏GTX公司定位的运动跑鞋内置的GPS接收器和可充电电池遥控蜻蜓防止犯罪的蜻蜓街灯次世代三大主流三款主机Xbox360，WII，PS3GameCubeXboX360PS3Wii,手柄,手套,枪Scarpar坦克滑板55嵌入式系统：摄像器材数码相机DV3D摄影机56智能家电智能冰箱（有时称为网络冰箱）在冰箱内部装有摄像头、RFID接收器或者条码扫描器可以通过这些设备采集冰箱内部存货的信息，并通过网络进行传输信息对冰箱的温度控制韩国一家公司的“网络冰箱”，门上有一个15英寸液晶显示器，用户可以通过冰箱上网、打可视电话和观看影片网络微波炉、网络电饭煲、网络空调等家电功能现对简单，可以通过网络下载食谱，可以通过网络进行控制57嵌入式系统：智能家居智能家具智能家电Roto-Rooter公司马桶组合笔记本/ipod/冰箱/Xbox360/健身高科技的捕鼠器遮断红外线光束掉下笼子DangerBomb闹钟不起床就爆炸啰配备电子食谱的锅铲coo.boo智能型垃圾桶i.Master浙江大学显示营养智能果汁机58智能割草机、扫地机器人59主要特点

通过显示屏显示榨出的果汁的主要营养成分

根据水果的软硬程度自动调整转速，最大程度保存营养成分

联网实时更新程序，享受科技的进步，不会贬值的果汁机

根据不断变化的个人特点给与实时的营养建议智能营养果汁机60嵌入式系统：多媒体终端IP电话视频会议可视电话基于视频电话的小型视频会议系统(MCU)语音识别电话基于H.323协议族的网络视频电话61嵌入式系统：家庭音响引入计算机技术的音响配备B&O与Core2Duo的P.Guerra家庭影院SonosZP80无线音响LGHDDVD/蓝光播放器Motorola支持M卡的HDDVR录像机iPhoneKineticHD家用多媒体播放HTPC机Corei7超强CPU处理器，4个TV调谐，802.11a/b/g/nWiFi无线，一个CreativeX-Fi钛金属概念声卡和WindowsVista系统62嵌入式系统：电视高清电视数字电视立体显示技术LG内置数字录像机的LCDTVAppleTV:IntelPentiumM1.0GHz2MBofL2高速缓存nVidiaG72M显示卡

64MBDDR2内存内置的40GB硬盘播放iTunes能输出1080p高画质影像的iPodDock数字电视机顶盒63家居家庭相册小心病毒远程宠物喂养器远程观看到宠物的行动跟它对话远程喂养宠物嵌入式枕头64嵌入式系统：通讯设备有计算机能力的各种通讯设备路由器/交换机/防火墙等Buffalo路由器/USB网卡套装VPN产品千兆网关防火墙

65嵌入式系统：仪器仪表DCG(动态心电图仪)便携式多参数监护仪中医指套传感器脉象虚拟仪器推拿手法测试仪电动机故障状态监测保护系统血压计手持仪监控仪66嵌入式系统：交通相关汽车电子处理器个数可达三位数车载:娱乐，定位等车控:ABS、EBD等其他中国版月球车汽车立体声音响HDRadio扩展包改装遮阳板DVD/TV/MP3月球机器人67嵌入式系统：军工武器控制系统数字化单兵系统有苛刻要求尺寸和重量功率消耗震动和冲击温度和湿度21世纪部队旅及旅以下作战指挥系统夜视扫描、全球定位、指挥通信68嵌入式系统：机器人智能机械手CHARLI机器人机械臂首台中国菜肴烹饪机器人机器人滑板69嵌入式系统：新兴硬件无线静脉识别龙芯上网本服用的RFID芯片IntelTolapai计划要把南北桥做在芯片中AMDSwift