嵌入式系统概述1课件

嵌入式基础及接口技术前言(1)课程设置的必要性应用需求日趋复杂微处理器技术长足发展嵌入式软件技术成为核心课程涉及的主要内容阐述嵌入式系统的要素介绍嵌入式系统软硬件设计基础介绍嵌入式系统最新设计理念项目开发流程与自由实验前言(2)课程设置的预期目标使学生对嵌入式系统设计技术有比较全面的了解，并具备一定的设计实践能力，为深入开展相关研究奠定良好的基础。理解并掌握实时操作系统和实时软件开发技术实验平台计算机系统的三大领域服务器利润最大的市场可用性可扩展性有效带宽桌面最广阔的市场嵌入式潜力最大的市场1.嵌入式系统介绍计算机系统PCLaptopMainframeServer移动电脑(PDA)手机其它，MP3播放机，数码相机等。嵌入式系统的核心----嵌入式微处理器实时多任务存储区保护可扩展的处理器结构功耗低1.1计算机工业的分类以往计算机分类：大型计算机、中型机、小型机和微计算机目前计算机分类：超级计算机，大型计算机、工作站、微计算机、亚微计算机亚微计算机(嵌入式计算机)是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中1.2嵌入式系统的定义英国电机工程师学会的定义:

“嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或甚至工厂操作的装置”通常执行特定功能以微电脑和外围构成核心严格的时序和稳定性要求全自动操作循环嵌入式系统的基本组成嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”嵌入式系统的组成要素（4个）嵌入式处理器及其硬件平台嵌入式软件系统嵌入式操作系统（可选）----实时操作系统RTOSI/O接口系统以嵌入式处理器为核心的硬件平台嵌入式操作系统嵌入式应用软件系统应用系统的I/O接口典型嵌入式系统基本组成－硬件典型嵌入式系统基本组成－软件

51单片机的初始化代码与PC机的BIOS（二）在我们所熟知的X86的PC体系结构中，PC机的引导加载程序由BIOS来完成的，所说的BIOS就是一种存贮在一片EEPROM中的一段配置代码程序，主要完成PC机外设的硬件检测和系统资源的分配，然后将硬盘中MBR主分区中操作系统启动程序读取到RAM中，并将控制权交给操作系统的启动程序，从而启动操作系统。由此可见51单片机系统的初始化是靠数行汇编语句来完成，而PC机的初始化是靠存贮在固定芯片中的BIOS程序代码来实现。51单片机的初始化代码与PC机的BIOS（三）接下我们研究一下PC的启动，PC的启动流程如下图示

51单片机的初始化代码与PC机的BIOS（四）从现象来看，PC的BIOS更象是一种Boot程序，当Boot将控制权交给操作系统启动程序后，我们在PC的键盘按下F5或F8后，会看到系统提示我们是否正常启动还是进行到安全模式，如果我们安装有双操作系统，比如XP和Linux共同安装在同一台PC上，那可能就会提示，进入到那个操作系统，这种带有交互功能的Boot启动程序就可以定义为成是BootLoader了，这个BootLoader就存于主引导分区中，只是BootLoader体现的相对较弱。因此在PC系统中Boot和BootLoader共存于同一系统中，只是分属和位置不同而已。PC的BootLoader与操作系统密切相关，并侧重于与系统的交互装载引导功能，而Boot更侧重于引导功能，在非PC架构下的应用系统中，当Boot将控制权交给操作系统后，就无法再干预操作系统启动了，这也就是Boot与BootLoader的主要区别。Boot与BootLoader区别Boot是与CPU最小核心系统（SDRAM和FLASH）密切相关的，其功能上应该分为两种，一种是主要负责最小核心系统的配置，并把BootLoader或操作系统从固态存储器复制到内存中，并将控制权交给BootLoader。而另一种就是较为复杂的Boot，要全面配置适应操作系统的环境，然后把控制权直接交给操作系统，相当于BootLoader功能的载减。BootLoader可以说是首先含有Boot功能，但属于功能简单型，同时增加的交互功能和为适应操作系统启动的进一步配置功能，其与嵌入式操作系统有直接的关系，一些网络设备的启动都要在BootLoader下才能完成。Boot侧重于引导，BootLoader侧重于引导和交互，很多情况下BootLoader就完全完全当做Boot使用，但Boot一定不具有BootLoader的功能BootLoader几个关键点(一)

1.BootLoader与最小核心系统硬件平台的关系

每种不同的CPU体系结构都有不同的BootLoader。有些BootLoader也支持多种体系结构的CPU，比如U-Boot就同时支持ARM体系结构和MIPS体系结构。除了依赖于CPU的体系结构外，BootLoader实际上也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。这也就是说，对于两块不同的嵌入式板而言，即使它们是基于同一种CPU而构建的，要想让运行在一块板子上的BootLoader程序也能运行在另一块板子上，通常也都需要修改BootLoader的源程序。例如：我们把核心系统板上的内存加大一倍，那相应的BootLoader就要重新改动。重点介绍：嵌入式微处理器基本知识嵌入式微处理器的特点、分类嵌入式系统软件基本知识嵌入式操作系统嵌入式微处理器

嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点:对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW级。嵌入式微处理器的特点

嵌入式微处理器的分类又称单片机

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。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。嵌入式微控制器（MCU）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等。另外还有许多半通用系列如：支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，它在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、谱线分析等方面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处理器上。现在的DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。嵌入式DSP处理器

嵌入式微处理器（MPU），典型代表就是ARM处理器，它是由通用计算机中的CPU演变而来的，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。

嵌入式微处理器（MPU）和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、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等。其中基于ARM技术的32位微处理器，市场的占有率目前已达到80%。在所有ARM处理器系列中，ARM7处理器系列应用最广，采用ARM7处理器作为内核生产芯片的公司最多。SoC，就是SystemonChip在一个硅片上实现一个复杂的系统

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电路板将变得很简洁

嵌入式片上系统(SOC)SOC可以分为通用和专用两类：通用系列包括Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SOC一般专用于某个或某类系统中。有代表性的产品是Philips的SmartXA重点介绍：嵌入式微处理器基本知识微处理器的特点、分类嵌入式系统软件操作系统的基本概念以及分类嵌入式实时操作系统操作系统的基本概念OS是一段嵌入在目标代码中的软件，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。操作系统的分类

（1）顺序执行系统：系统内只含有一个程序，独占CPU的运行时间，按语句顺序执行该程序，直至执行完毕，另一程序才能启动运行。如DOS操作系统。（2）分时操作系统：系统内同时可以有多个程序运行，把CPU的时间分按顺序分成若干片，每个时间片内执行不同的程序。如UNIX（3）实时操作系统：系统内有多个程序运行，每个程序有不同的优先级，只有最高优先级的任务才能占有CPU的控制权。按实时性分类：具有强实时特点的嵌入式操作系统具有弱实特点的嵌入式操作系统没有实时特点的嵌入式操作系统1.强实时系统，其系统响应时间在毫秒或微秒级（数控机床）；2.一般实时系统，其系统响应时间在毫秒－几秒的数量级上，其实时性的要求比强实时系统要差一些（电子菜谱的查询）；3.弱实时系统，其系统响应时间约为数十秒或更长（工程机械控制器）。嵌入式操作系统由于通常具有实时性的要求，又称为实时操作系统RTOS（Real-TimeOperatingSystem）为什么使用RTOS？支持多任务简化应用软件的开发难度实时操作系统（RTOS）

RTOS的基本特征：高效的任务管理快速灵活的任务间通信高度的可剪裁性动态链接与部件增量加载快速有效的中断和异常事件处理优化的浮点支持动态内存管理系统时钟和定时器几种最常见的RTOS软实时RTOS嵌入式LinuxWinCE硬实时RTOSVxWorksOSENuclear著名的openRTOSuC/OS-IIRTEMS自主知识产权的RTOSHOPENDeltaOS

关于嵌入式操作系统的进一步的学习包括理论的学习以及嵌入式操作系统的移植都将在后面的课程中给予详细的讲解。3嵌入式系统的发展趋势高集成度微处理器微控制器系统芯片(SOC)软硬件协同设计成熟的设计流程4嵌入式软件技术发展现状与趋势4.1近十年来，嵌入式操作系统发展飞速，支持处理器不断丰富，功能不断增强。嵌入式操作系统支持微处理器：芯片从8位到16位、32位甚至64位。从支持单一品种的CPU芯片到支持多品种的。支持强大的核外功能，如文件系统，TCP/IP网络系统，窗口图形系统等。未来五年，嵌入式操作系统内核向微型化、高可靠可信、强实时、构件组件化发展；支撑开发环境向集成化、可调试化、支持模型驱动设计发展；支持无线通信和能源管理功能将日益重要4.2行业性开放系统日趋流行；面向领域特制的嵌入式操作系统走向开放、标准规范化、平台化行业嵌入式软件形成了不同行业的标准，例如中国手机软件联盟制定了手机API标准。统一的行业标准具有开放、设计技术共享、软硬件重用、构件兼容、维护方便和合作生产的特点，是增强行业性产品竞争能力的有效手段，例如，欧共体汽车产业联盟规定以OSEK标准。4.3自由开源的软件技术在嵌入式应用上尤其备受青睐，Linux渐成主流之一；以J2ME/JINI为代表的嵌入式技术