第1章-嵌入式系统概述

1嵌入式技术基础主讲:王超中南民大计算机科学学院2ARM嵌入式系统-课程特点专业技术基础课硬件系列课程之一计算机组成原理微机原理及接口技术嵌入式系统计算机体系结构指定选修课以技术为主面向应用软硬件相结合课程特点3ARM嵌入式系统-先修课程计算机文化课基础(全面了解)数字逻辑提供硬件基础计算机组成原理确立计算机部件功能掌握计算机工作原理高级语言程序设计熟悉C语言程序设计的方法掌握基本程序设计思想先修课程41.嵌入式系统2.嵌入式系统组成3.嵌入式处理器4.嵌入式操作系统嵌入式系统概述51.1嵌入式系统1.1.1现实中的嵌入式系统嵌入式系统的应用：工业自动化、国防、运输和航天领域。

例如神州飞船和长征火箭中嵌入式系统，导弹的制导系统中的嵌入式系统，高档汽车中也有多达几十个嵌入式系统。

在日常生活中，几乎所有带有一点“智能”的家电（全自动洗衣机、电脑电饭煲…）都是嵌入式系统。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。

嵌入式系统的诞生于微型计算机时代，随其诞生现代计算机领域中出现了通用计算机与嵌入式计算机的两大分支。通用计算机：按照高速、海量的技术发展；

嵌入式计算机系统：则为满足对象系统嵌入式智能化控制要求发展。6现实中的嵌入式系统7

嵌入式技术无处不在处理文档、进行工作管理和生产控制的计算机嵌入式技术的电子产品，如：MP3、PDA、手机、智能玩具，网络家电、智能家电、车载电子设备等在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式8嵌入式系统示例——汽车控制系统9马达控制器车灯嵌入式系统示例——汽车控制系统尾灯控制系统后车门控制系统前车门控制系统座椅控制系统发动器控制系统所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统10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嵌入式系统的应用领域11工业控制、工业设备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。

需要性能更高的控制系统。12嵌入式系统应用领域－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。13嵌入式系统应用领域－消费类电子14消费类电子—智能玩具、手持通讯的核心15机器人16波士顿动力公司为美军研制的世界最先进人形机器人“阿特拉斯”（希腊神话中的大力神）。该机器人高1.83米，重149.7公斤，铝钛合金材质，可执行多种动作，包括走路、体操和操作者编程的动作。1722岁的法国患者FlorianLopes在试用仿生手。Lopes在一次事故中失去了三根手指，他是第一位试用该仿生手的法国人，它的造价是4.2万欧元。18法国南部的Velaxu城，在国际应急管理学会的年会上，一部MVF-5多功能机器人灭火系统正在向一辆燃烧的汽车喷水。192013年3月19日，法国里昂，在机器人峰会Innorobo2013展会上，一名男子拿着一个TelenoidR1远端临场机器人。20美国“大狗”机器人，由波士顿动力公司为美国军方研制。机器人的长度为1米，高70厘米，重量为75千克，机动性强，可在战场的复杂地形中携带重物奔跑。21日本东京的一家机器人主题餐厅内，一个机器人在表演。224月13日，一台特殊武器与战术（SWAT）机器人在美国Sanford城展出。23美国新奥尔良大学应届毕业生拿着自己发明的机器人鳗鱼。该机器可以进入危险水域而几乎不会产生噪音。这让它可以躲避敌方的雷达，侦测水雷。244月22日，在白宫举办的科技展上，美国总统奥巴马与学生发明家发明的机械手握手。251月24日，德国，一条巨龙向圣诞树喷火。266月20日，在一场汽车拉力赛上，摄像机器人在拍摄驶过的赛车。279月24日，美国弗吉尼亚州海军基地，机器人移动靶子。281月12日，哈尔滨，机器人服务员。这家机器人餐厅的服务员是20台这样的机器人。29美国洛克希德·马丁公司研发的移动鱼类围栏系统。该系统用于检测水质和海床变化带来的影响，装备有卫星通信系统、指挥控制和情境感知软件。302月15日，日本横滨，东芝公司研发的除污机器人在一座核电站内工作。318月16日，丹麦科学家HenrikScharfe（右）展示自己的复制品、最逼真的人形机器人Geminoid-DK，该机器人可远程操作。323月26日，美国宇航局公布的图片：国际空间站准备释放一颗SpaceXDragon-2飞船。该飞船的溅落点将在加州海岸的太平洋上。332012年11月4日，美国芝加哥，31岁的美国工程师ZacVawter打算用世界上首个神经控制仿生腿攀爬WillsTower的第103楼。341月26日，科威特骆驼赛跑俱乐部装有机器人骑手的骆驼在赛跑。355月10日，美国宇航局最新的地球车GROVER在格陵兰岛最高处进行科学探测活动。367月26日，德国东部，机器人招待Carl向顾客打招呼。37美国X-47B无人机在乔治·华盛顿号航母上完成了第一次降落，随后起飞。38阿特拉斯在打太极396月13日，日内瓦机场的领路机器人。40美国宇航局的“机遇”号火星车已经在火星上服役将近十年。411月15日，工厂自动化系统公司的合伙人兼总裁RosserPryor坐在一台高性能的工业机器人旁边。金融危机以来，该公司已经裁员40%，但现在利润却更高。425月15日，北京，37岁的中国发明家陶向礼用废品做成了一个机器人。机器人能作出抬腿、挥手扭脖子等各种动作，甚至连它的眼睛都能眨动。当陶相礼在机器人前方作出不同的动作时，机器人也能跟着模仿。43东芝公司展示其四腿救灾机器人。该机器人能在不平整的路面上行走，避开障碍物，内置摄像头和辐射仪。444月22日，在墨西哥城北约60公里的特奥蒂瓦坎古城遗址，一部机器人在废墟中考察。这是拉美国家第一次将机器人用于考古领域，它的名字叫TlalocII，它在废墟底部发现了一个古老密室。4510月17日，“不可思议的仿生人”亮相美国华盛顿史密森国家航空航天博物馆。这是世界上第一台使用了假肢和人造器官的仿生机器人。46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47嵌入式在Internet中的应用48军事国防领域49航天领域50·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三要素：嵌入、专用、计算机嵌入式系统的特点:由三要素引出1.1.2嵌入式系统的定义及特点根据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）。简单讲，就是嵌入到对象体中的专用计算机系统。51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、软件硬件可裁剪、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：嵌入式系统是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。52嵌入式系统的历史

单片机模式和计算机模式53嵌入式系统的相关技术与发展趋势互联网的普及半导体技术的改善3C（Compute,Communication,ConsumerElectronic

）技术的快速融合使用者的需求信息服务应用生活化相关技术：多学科交叉，计算机、电子技术、微电子技术、集成电路设计等54未来嵌入式系统的发展趋势551.嵌入式系统2.嵌入式系统组成3.嵌入式处理器4.嵌入式操作系统嵌入式系统概述561.2嵌入式系统的组成微处理器、外围硬件、嵌入式操作系统、应用程序以及开发环境(软件分3层：HW/FM/AP，HW硬件驱动或接口操作；FM中间层；AP应用层）57外围硬件:

嵌入式系统处理器以外的硬件，为系统提供运行条件(时钟和电源部件)和部分功能(内存、各种通讯端口等)。1.2

嵌入式系统的组成微处理器：是嵌入式系统的核心。嵌入式微处理器一般都具有较高的集成度。嵌入式操作系统:：为应用程序提供必要运行环境（任务调度），附加任务通讯、内存管理等功能。需移植和配置方可使用。嵌入式应用程序：在没有操作系统的情况下，嵌入式的应用程序需要直接访问寄存器或者设备的地址来操作硬件。开发环境：开发过程中起着至关重要的作用，并不是嵌入式系统产品的一部分，不同嵌入式系统开发环境不同。581.3嵌入式处理器

嵌入式处理器分为以下几大类：嵌入式微处理器；嵌入式微控制器；嵌入式DSP处理器；嵌入式片上系统（SOC）。嵌入式处理器按应用分：注重嵌入式处理器的尺寸、能耗和价格。应用于PDA等不注重计算的设备；注重嵌入式处理器的性能。应用于路由器等计算密集型的设备；注重嵌入式处理器的性能、尺寸、能耗和价格。应用于蜂窝电话等设备；59嵌入式微处理器（EMPU）EmbededMicroprocessorUnit(EMPU),在应用中，为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。嵌入式微处理器优点:体积小、重量轻、成本低、可靠性高，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。CPUROMRAM外设1外设2单板计算机60嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)

嵌入式微控制器又称单片机，一般以某一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、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。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，因此称微控制器。嵌入式微控制器种类多，括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300、数目众多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系统约70％的市场份额。复位部件看门狗部件晶振部件I/O部件中断部件ROM部件SRAM部件定时器部件CPU核61嵌入式DSP处理器（数字信号处理）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Texas，如DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等。PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造的R.E.A.LDSP处理器，62嵌入式片上系统(SystemOnChip,SOC)随着EDA的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，即SOC，除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去。应用系统变得简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。SoC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件等。专用SoC一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是Philips的SmartXA，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载JAVA或C语言的专用的SOC，可用于公众互联网如Internet安全方面。SOC下一步向片上网络（NetworkonChip，NoC）发展631.嵌入式系统2.嵌入式系统组成3.嵌入式处理器4.嵌入式操作系统嵌入式系统概述641.4嵌入式操作系统概述

计算机系统由硬件和软件组成，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、软件资源也愈来愈丰富，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)。发展到现在，广泛使用的有三种操作系统：多道批处理操作系统分时操作系统实时操作系统651.4嵌入式操作系统监控程序操作系统实时操作系统分时操作系统多道批处理操作系统

时间先后适用于多个用户共享系统资源适用于计算中心等较大的计算机系统适用于嵌入式设备和有实时性要求的系统中实时操作系统是我们介绍的重点661.4嵌入式操作系统实时操作系统的特点IEEE的实时UNIX分委会认为实时操作系统应具备以下的几点:异步的事件响应（随机性）切换时间和中断延迟时间确定优先级中断和调度抢占式调度（高优先级任务可抢占CPU）内存锁定（将程序或部分程序锁定在内存）连续文件（把数据存储在连续的文件上）同步（协调执行）67实时操作系统的特点实时操作系统是事件驱动的，能对来自外界的作用和信号在限定的时间范围内作出响应。它强调的是实时性、可靠性和灵活性,与实时应用软件相结合成为有机的整体起着核心作用,由它来管理和协调各项工作,为应用软件提供良好的运行软件环境及开发环境。从实时系统的应用特点来看实时操作系统可以分为两种：一般实时操作系统嵌入式实时操作系统。68实时操作系统的特点

一般实时操作系统应用于实时处理系统的上位机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统，并且提供了开发、调试、运用一致的环境。

嵌入式实时操作系统应用于实时性要求高的实时控制系统，而且应用程序的开发过程是通过交叉开发来完成的，即开发环境与运行环境不一致。嵌入式实时操作系统具有规模小(一般在几K～几十K内)、

可固化使用实时性强(在毫秒或微秒数量级上)的特点。691.4嵌入式操作系统基本概念

对基于芯片的开发来说，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。后台系统：循环中调用相应的函数完成相应的操作，属于任务级；前台系统：中断或异步事件，属于中断级；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，平时微处理器处在停机状态，所有事都靠中断服务来完成。——前后台系统70基本概念

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。

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。ISRISRISRISR后台前台中断服务程序时间——前后台系统711.4嵌入式操作系统基本概念

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，提高资源利用率；操作系统提供用户接口，方便用户使用；操作系统为用户扩展新的系统功能提供软件平台。——操作系统硬件硬件驱动操作系统用户程序721.4嵌入式操作系统基本概念

实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是运行于RTOS之上的各个任务，RTOS根据各个任务的要求，进行资源管理(包括CPU、存储器、外设等)、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在RTOS支持的系统中，每个任务均有一个优先级，RTOS根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。

——实时操作系统（RealTimeOperatingSystem,RTOS）731.4嵌入式操作系统基本概念

多任务系统中，内核负责管理各个任务，为每个任务分配CPU时间，并且负责任务之间的通信。内核提供的基本服务是任务切换。使用实时内核可以大大简化应用系统的设计，是因为实时内核允许将应用分成若干个任务，由实时内核来管理它们。内核需要消耗一定的系统资源，比如2％～5％的CPU运行时间、RAM和ROM等。内核提供必不可少的系统服务，如信号量、消息队列、延时等。——内核741.4嵌入式操作系统基本概念

调度是内核的主要职责之一。调度就是决定该轮到哪个任务运行了。多数实时内核是基于优先级调度法的。每个任务根据其重要程序的不同被赋予一定的优先级。基于优先级的调度法指CPU总是让处在就绪态的优先级最高的任务先运行。然而究竟何时让高优先级任务掌握CPU的使用权，有两种不同的情况，这要看用的是什么类型的内核，是非占先式的还是占先式的内核。——调度751.4嵌入式操作系统

非占先式内核要求每个任务自我放弃CPU的所有权。非占先式调度法也称作合作型多任务，各个任务彼此合作共享一个CPU。不按优先级安排。——非占先式内核

当系统响应时间很重要时，要使用占先式内核。因此绝大多数商业上销售的实时内核都是占先式内核。最高优先级的任务一旦就绪，总能得到CPU的控制权。按优先级安排。——占先式内核761.4嵌入式操作系统

任务的优先级是表示任务被调度的优先程度。每个任务都具有优先级。任务越重要，赋予的优先级应越高，越容易被调度而进入运行态。——任务优先级

中断是一种硬件机制，用于通知CPU有个异步事件发生了。中断一旦被识别，CPU保存部分（或全部）上下文即部分或全部寄存器的值，跳转到专门的子程序，称为中断服务子程序（ISR）。中断服务子程序做事件处理，处理完成后，程序回到：1.在前后台系统中，程序回到后台程序；2.对非占先式内核而言，程序回到被中断了的任务；3.对占先式内核而言，让进入就绪态的优先级最高的任务开始运行。——中断77前后台系统1.4嵌入式操作系统——中断ISR任务ISR非占先操作系统任务A任务B任务CISR占先操作系统任务A任务B任务C781.4嵌入式操作系统

时钟节拍是特定的周期性中断。可看作是系统心脏的脉动。中断之间的时间间隔取决于不同应用，一般在10ms到200ms之间。时钟节拍率越快，系统的额外开销就越大。——时钟节拍使用实时操作系统的必要性

嵌入式实时操作系统在功能复杂、系统庞大的应用中显得愈来愈重要。在嵌入式应用中，只有把CPU嵌入到系统中，同时又把操作系统嵌入进去，才是真正的计算机嵌入式应用。使用实时操作系统主要有以下几个因素：嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。

提高了开发效率，缩短了开发周期。

嵌入式实时操作系统发挥了32位CPU的多任务潜力。

791.4嵌入式操作系统实时操作系统的优缺点

优点：在嵌入式实时操作系统环境下开发实时应用程序使程序的设计和扩展变得容易，不需要大的改动就可以增加新的功能。通过将应用程序分割成若干独立的任务模块，简化了设计；对实时性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的处理。通过有效的系统服务，嵌入式实时操作系统使得系统资源得到更好的利用。缺点：但是，使用嵌入式实时操作系统还需要额外的ROM/RAM开销，2~5%的CPU额外负荷，以及内核的费用。80uClinux是一个完全符合GNU/GPL公约的操作系统，完全开放代码。uClinux从Linux

2.0/2.4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内存管理单元(MemoryManageUnit,MMU)的处理器，例如ARM7TDMI。它通常用于具有很少内存或Flash的嵌入式系统。它保留了Linux的大部分优点：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。1.4嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统——嵌入式Linux811.4嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统

WindowsCE是微软开发的一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备操作，它是精简的Windows95。WindowsCE的图形用户界面相当出色。WinCE具有模块化、结构化和基于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）、使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在WindowsCE平台上继续使用。

——WinCE821.4嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统——VxWorksVxWorks操作系统是美国公司于1983年设计开发的一种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地应用在通信、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、