嵌入式系统基础

第一章嵌入式系统基础如：PC机、服务器、大型计算机等。通用计算机－看得见的计算机显示器主机鼠标键盘硬件诸如主机、显示器、键盘、鼠标等看得见部件软件应用程序可按用户需要随时改变,即重新编制。通用计算机－看得见的计算机1.1嵌入式系统概念

在后PC时代，嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业商业、人们的日常生活等方方面面。嵌入式系统带来的工业年产值已超过1万亿美元。嵌入式系统主要应用领域1国防工业、军事工业、兵器工业：

各种武器控制（火炮控制、导弹控制、智能炸弹制导引爆装置）、坦克、舰艇、轰炸机等陆海空各种军用电子装备，雷达、电子对抗军事通信装备，野战指挥作战用各种专用设备等。

我国嵌入式计算机最早用于导弹控制。嵌入式系统主要应用领域2信息家电、民用设备：

各种信息家电产品，如数字电视机、机顶盒，数码相机，VCD、DVD音响设备，可视电话，家庭网络设备，洗衣机，网络冰箱，网络空调，智能玩具，其他消费类电子产品等。嵌入式系统主要应用领域3工业：

各种智能测量仪表、智能卡、数控装置、可编程控制器、控制机、分布式控制系统、现场总线仪表及控制系统、工业机器人、智能机器人、智能传感器、机电一体化机械设备、车载导航器、汽车电子设备、车辆与交通工程等。嵌入式系统主要应用领域4商业：

各类收款机、电子秤、条形码阅读机、商用终端、银行点钞机、IC卡输入设备、取款机、自动柜员机、自动服务终端、防盗系统、各种银行专业外围设备、智能金融器具、远程教育。办公自动化：

复印机、打印机、传真机、扫描仪、其他计算机外围设备、掌上电脑、激光照排系统、安全监控设备、媒体手机、移动电话、寻呼机、个人数字助理（PDA）、变频空调设备、通信终端、程控交换机、网络浏览器、网络设备（路由器、交换机、Webserver、网络接入盒等）、网络工程、录音录象及电视会议设备、数字音频广播系统等。嵌入式系统主要应用领域5嵌入式系统主要应用领域6医疗保健设备：

各种医疗电子仪器，X光机、超声诊断仪、计算机断层成像系统、心脏起博器、监护仪、辅助诊断系统、远程医疗、专家系统等。其他领域：

农业技术、光学系统、气象预报、卫星通信网、数字通信、移动数据库、语音处理。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。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——汽车控制系统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BMW745i美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的‘计算能力’已超过了IBM”，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。

WindowsCEOS53个8-bit嵌入式处理器7个16-bit嵌入式处理器1个32-bit嵌入式处理器多种网络技术嵌入式系统前景广阔社会新的电子产品，尤其消费电子产品发展及其迅速！嵌入式市场广阔，但人才短缺学生嵌入式系统需要硬软件综合知识需要更全面的系统知识和领域知识更容易找到工作嵌入式系统组成嵌入式系统由嵌入式硬件与嵌入式软件组成。嵌入式硬件以芯片、模板、组件、控制器形式埋藏于设备内部。嵌入式软件是实时多任务操作系统和各种专用软件，一般固化在ROM或闪存中。嵌入式系统软硬兼施，融为一体，成为产品，但在开发过程中需要一些开发工具进行辅助开发。在嵌入式系统的组成中，其核心是嵌入式处理器嵌入式处理器

早期的嵌入式系统通常使用普通个人计算机（PC）中的通用处理器。近年来，随着大量先进的微处理器制造技术的发展，越来越多的嵌入式系统用嵌入式处理器建造，而不是用通用目的的处理器。这些嵌入式处理器可以大致分为以下几类：——概述

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

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，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。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。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，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。如STD-BUS、PC104等。——嵌入式微处理器CPUROMRAM外设1外设2单板计算机嵌入式微处理器制造商：摩托罗拉、英特尔、IBM、日立、NEC、东芝、AMD、国家半导体、Zilog、IDT、富士通、Atmel、太阳、微系统、夏普、Oki、飞利浦等。主要的嵌入式微处理器包括：MotorolaPowerPC、IntelPentium、Motorola68000、strongARM、MIPS、AMDX86系列等等。嵌入式处理器

嵌入式微控制器又称单片机，它是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。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及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。和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，因此称微控制器。嵌入式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、数目众多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系统约70％的市场份额。——嵌入式微控制器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核嵌入式微控制器制造商：摩托罗拉、英特尔、英飞凌科技、Atmel、日立、NEC、三菱、东芝、松下、Microchip、富士、飞利浦、德州仪器、三星、三洋、索尼、Oki、凌阳科技等。主要的嵌入式微控制器包括：MCS-51、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K、Z8、C540、PIC、AVR等系列。嵌入式处理器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。

DSP内部采用程序和数据分开存储和传输的哈佛结构，具有专门硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可用来快速的实现各种数字信号处理算法，加之集成电路的优化设计，速度甚至比最快的CPU还快数倍。——嵌入式DSP处理器嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola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结构低成本、低功耗技术上制造的R.E.A.LDSP处理器，应用目标是大批量消费类产品。嵌入式处理器

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，这就是SystemOnChip(SOC)。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样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，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。

——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，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。嵌入式处理器单片机和soc设计方法的区别: MCU(微控制器)所有的开发都是基于已经存在的系统架构，应用者要做的就是开发软件程序和加外部设备。

SOC，是个整体的设计方法概念，它指的是一种芯片设计方法，集成了各种功能模块，每一种功能都是由硬件描述语言设计程序，然后在SOC内由电路实现的；如果不满意硬件架构设计，想要加一个存储器，或是减少一个接口都可以通过程序直接更改，这一点，MCU的设计方法是无法实现的，MCU的方法中，硬件架构是固定的，是不可更改的，多了只能浪费，少了也只能在软件上想办法或是再加硬件。 如果硬件调试成功后直接投片生产成“固定结构的芯片”，则其为普通的SOC；如果其硬件就是基于FPGA的，也就是说它是“用FPGA做为最终实现”的，它在以后也可以随时进行硬件升级与调试的，我们就叫它为SOPC的设计方法，所以说SOPC是SOC的一种解决方案。

SOPC设计灵活、高效，且具有成品的硬件可重构特性。但它的价格可能会比批量生产的固定结构IC要贵得多！——嵌入式片上系统(SOC)1.3嵌入式操作系统概述

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即多道批处理操作系统、分时操作系统以及实时操作系统。1.3嵌入式操作系统概述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1.3嵌入式操作系统基本概念操作系统（OS）的基本思想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。应用程序通过这一接口实现对硬件的使用和控制，不必考虑不同硬件操作方式的差异。主要任务：内存管理，多任务管理，外围设备管理。——操作系统硬件硬件驱动操作系统用户程序1.3嵌入式操作系统基本概念

多道-在内存中同时存放多个作业，使之同时处于运行状态，这些作业共享CPU和外部设备等资源。

成批-用户和他的作业之间没有交互性。用户自己不能干预自己的作业的运行，发现作业错误不能及时改正。

通常用在以科学计算为主的大中型计算机上，由于多道程序能交替使用CPU，提高了CPU及其他系统资源的利用率，同时也提高了系统的效率。多道批处理系统的缺点是延长了作业的周转时间，用户不能进行直接干预，缺少交互性，不利于程序的开发与调试。批处理系统的目的是提高系统吞吐量和资源的利用率。——多道批处理操作系统1.3嵌入式操作系统基本概念

使一台计算机同时为几个、几十个甚至几百个用户服务的一种操作系统。把计算机与许多终端用户连接起来，分时操作系统将系统处理机时间与内存空间按一定的时间间隔，轮流地切换给各终端用户的程序使用。由于时间间隔很短，每个用户的感觉就像他独占计算机一样。分时操作系统的特点是可有效增加资源的使用率。例如UNIX系统就采用剥夺式动态优先的CPU调度，有力地支持分时操作。

——分时操作系统1.3嵌入式操作系统基本概念

是指当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统作出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。因而，提供及时响应和高可靠性是其主要特点。实时操作系统有硬实时和软实时之分，

硬实时要求在规定的时间内必须完成操作，这是在操作系统设计时保证的；

软实时则只要按照任务的优先级，尽可能快地完成操作即可。我们通常使用的操作系统在经过一定改变之后就可以变成实时操作系统。——实时操作系统（RTOS）1.3嵌入式操作系统概述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1.3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内存锁定连续文件同步1.3嵌入式操作系统实时操作系统的特点

总的来说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：一般实时操作系统和嵌入式实时操作系统。1.3嵌入式操作系统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。(WindowsNT)

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是不一致。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

。嵌入式实时操作系统特点

1．微内核结构一般来说，操作系统内核只提供基本的功能，如建立和管理进程、管理设备等。但是，一些桌面操作系统，如Windows等，将许多功能引入内核，操作系统的内核变得越来越大。内核变大使得占用的资源增多，剪裁起来很麻烦。嵌入式操作系统采用微内核结构，内核只提供基本的功能，比如：任务的调度、任务之间的通信与同步、内存管理、时钟管理等。其它的应用组件，比如网络功能、文件系统等均工作在用户态，以系统进程或函数调用的方式工作。因而系统都是可裁减的，用户可以根据自己的需要选用相应的组件。嵌入式实时操作系统特点

2．任务调度任务的调度有三种方式：可抢占式调度、不可抢占式调度和时间片轮转调度。不可抢占式调度：一个任务一旦获得CPU就独占CPU运行，除非由于某种原因，它决定放弃CPU的使用权；可抢占式调度：基于任务优先级，当前正在运行的任务可以随时让位给优先级更高的处于就绪态的其它任务；时间片轮转调度：当两个或两个以上任务有同样的优先级，不同任务轮转地使用CPU，直到系统分配的CPU时间片用完。目前，大多数嵌入式操作系统对不同优先级的任务采用基于优先级的抢占式调度法，对相同优先级的任务则采用时间片轮转调度法。嵌入式实时操作系统特点

3．硬实时和软实时多数嵌入式系统对时间的要求较高，称之为实时系统。有两种类型的实时系统：硬实时系统和软实时系统。软实时系统并不要求限定某一任务必须在一定的时间内完成，只要求各任务运行得越快越好；硬实时系统对系统响应时间有严格要求，一旦系统响应时间不能满足，就可能会引起系统崩溃或致命的错误，一般在工业控制中应用较多