第1章 嵌入式系统基础(2013-8-2)

第1章

嵌入式系统基础

§1.1嵌入式系统简介§1.2嵌入式处理器§1.3嵌入式系统开发过程§1.4嵌入式LINUX操作系统10/18/20231ARM9嵌入式系统设计与开发教程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）。2第1章嵌入式系统设计基础简单地讲·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就是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:由三要素引出3第1章嵌入式系统设计基础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。即以应用为中心、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。嵌入式系统发展的最高形式——片上系统（SOC）

4第1章嵌入式系统设计基础嵌入式系统的组成

复位及振荡电路处理器定时器ROMRAM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图1.1嵌入式系统的硬件组成嵌入式系统一般有3个主要的组成部分：5第1章嵌入式系统设计基础

硬件。处理器；存储器（ROM、RAM）；输入输出设备；其他部分辅助系统完成功能。

应用软件

实时操作系统（Real-TimeOperatingSystem，RTOS）。该系统用来管理应用软件，并提供一种机制，使得处理器分时地执行各个任务并完成一定的时限要求。

6第1章嵌入式系统设计基础2．嵌入式微处理器的特点

●对实时多任务有很强的支持能力。●具有功能很强的存储区保护功能。●可扩展的处理器结构。●嵌入式微处理器必须功耗很低7第1章嵌入式系统设计基础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、军事国防、网络设备等领域都有嵌入式系统的应用8第1章嵌入式系统设计基础嵌入式技术刺激了许多新的应用需求嵌入式技术发展又在不断刺激新的技术产生－信息家电、医疗电子病历、微小型智能武器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9第1章嵌入式系统设计基础工业控制、工业设备是机电产品中最大一类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。10第1章嵌入式系统设计基础嵌入式系统的应用领域11第1章嵌入式系统设计基础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。12第1章嵌入式系统设计基础嵌入式系统的应用领域13第1章嵌入式系统设计基础嵌入式系统的应用领域14第1章嵌入式系统设计基础消费类电子—智能玩具、手持通讯的核心15第1章嵌入式系统设计基础交通管理、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16第1章嵌入式系统设计基础嵌入式Internet应用17第1章嵌入式系统设计基础军事国防领域18第1章嵌入式系统设计基础航天领域19第1章嵌入式系统设计基础未来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）20第1章嵌入式系统设计基础嵌入式系统的分类▲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▲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）按表现形式分（硬件范畴）：按实时性要求分（软件范畴）：1.2嵌入式处理器21第1章嵌入式系统设计基础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）22第1章嵌入式系统设计基础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。23第1章嵌入式系统设计基础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。24第1章嵌入式系统设计基础MPU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。25第1章嵌入式系统设计基础DSPDSP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。26第1章嵌入式系统设计基础SOCSOC（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。27第1章嵌入式系统设计基础SOPC

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。28第1章嵌入式系统设计基础ARM处理器

ARM（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。29第1章嵌入式系统设计基础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。30第1章嵌入式系统设计基础ARM微处理器的特点采用RISC指令集低功耗、低成本、高性能使用大量的寄存器ARM/THUMB指令支持三/五级流水线31第1章嵌入式系统设计基础ARM微处理器的特点—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。32第1章嵌入式系统设计基础ARM微处理器的特点—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。33第1章嵌入式系统设计基础ARM微处理器的特点—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。34第1章嵌入式系统设计基础ARM微处理器的特点—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。35第1章嵌入式系统设计基础1.3嵌入式系统开发过程1.3.1嵌入式系统的总体结构36第1章嵌入式系统设计基础1.硬件层由嵌入式微处理器、外围电路和外设组成。外围电路有：电源电路、复位电路、调试接口和存储器电路，就构成一个嵌入式核心控制模块。操作系统和应用程序都可以固化在ROM或者Flash中。有些嵌入式系统还包括：

LCD、键盘、USB接口，以及其他一些功能的扩展电路。37第1章嵌入式系统设计基础2.中间层硬件层与软件层之间为中间层，也称为BSP（BoardSupportPackage，板级支持包）。作用：将系统软件与底层硬件部分隔离，使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关；功能：具有相关硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置等功能。BSP是主板硬件环境和操作系统的中间接口，是软件平台中具有硬件依赖性的那一部分，主要目的是为了支持操作系统，使之能够更好地运行于硬件主板上。38第1章嵌入式系统设计基础3.软件层

主要是操作系统，有的还包括文件系统、图形用户接口和网络系统等。操作系统是一个标准的内核，将中断、I/O、定时器等资源都封装起来，以方便用户使用。4.功能层由基于操作系统开发的应用程序组成，用来完成对被控对象的控制功能。功能层是面向被控对象和用户的，为了方便用户操作，往往需要具有友好的人机界面。39第1章嵌入式系统设计基础1.3.2嵌入式系统的开发特点1．采用宿主机/目标机方式2．为了保证稳定性和实时性，选用RTOS开发平台3．生成代码需要固态化存储4．软件代码具有高质量、高可靠性40第1章嵌入式系统设计基础1.3.3嵌入式系统的开发流程嵌入式系统的应用开发一般由5个阶段构成：

需求分析、

体系结构设计、

硬件/软件设计、

系统集成

代码固化。各个阶段之间往往要求不断地反复和修改，直到完成最终完成设计目标。41第1章嵌入式系统设计基础1.3.4调试嵌入式系统

系统的调试有如下几种：1．源程序模拟器(Simulator)2．实时在线仿真系统ICE(In-CircuitEmulator)方式3．监控器方式4．在线调试器方式5．高级语言编译器(CompilerTools)

42第1章嵌入式系统设计基础1.4嵌入式Linux操作系统1.4.1Linux的特征及组成1.4.2Linux内核分析 1.4.3常用的嵌入式Linux操作系统10/18/202343ARM9嵌入式系统设计与开发教程1.4.1Linux的特征及组成Linux操作系统及其历史

Linux系统的特点和组成

Linux的内核版本与发行版本44第1章嵌入式系统设计基础1.4.1Linux的特征及组成

Linux操作系统及其历史1990年底到1991年的几个月中:芬兰赫尔辛基大学计算机系大学生LinusTorvalds为了他自己的操作系统课程和后来的上网用途而陆续编写的，在他自己买的Intel386PC机上，利用Tanenbaum教授自行设计的微型UNIX操作系统Minix作为开发平台。到1992年1月止，全世界大约只有100个左右的人在使用Linux，但由于它是在Internet发布的，网上的任何人在任何地方都可以得到Linux的基本文件，并可通过电子邮件发表评论或者提供修正代码，这些Linux的热心者有将之作为学习和研究对象的大专院校的学生和科研机构的科研人员，也有网络黑客等，他们所提供的所有初期上载代码和评论，后来证明对Linux的发展至关重要。正是在这众多热心者的努力下，使Linux在不到三年的时间里成为了一个功能完善、稳定可靠的操作系统。45第1章嵌入式系统设计基础在Linux诞生不久之后，LinusTorvalds将其贡献给了自由软件社区，Linus本人认为“使Linux成为GPL的一员是我一生中所做过的最漂亮的一件事”。Linux操作系统可以说是UNIX操作系统的一个克隆体，自LinusTorvalds创建创立Linux开始，Linus就允许其他人免费地自由运用该系统源代码，并且鼓励其他人进一步对其进行开发。Linux操作系统继承了UNIX操作系统超过二十五年的经验、源代码以及技术支持，它在短短的几年内，得到了非常迅猛的发展，很快成为最受人喜爱的操作系统之一，而这一点正是与它本身具有的良好特性分不开的。46第1章嵌入式系统设计基础

Linux系统的特点和组成

1．Linux系统的特点（1）开放性（2）多用户（3）出色的速度性能（4）良好的用户界面（5）提供了丰富的网络功能（6）可靠的系统安全（7）良好的可移植性（8）具有标准兼容性47第1章嵌入式系统设计基础2．Linux系统的组成Linux一般有4个主要部分：内核、Shell、文件系统和应用程序。内核、Shell和文件系统一起形成了基本的操作系统结构。它们使得用户可以运行程序，管理文件并使用系统。(1)Linux内核：内核（Kernel）是系统的心脏，实现操作系统的基本功能。内核需要两个方面的技持，即硬件方面和软件方面。①在硬件方面：控制硬件设备，管理内存，提供硬件接口，处理基本I/O。②在软件方面：管理文件系统，为程序分配内存和CPU时间等。48第1章嵌入式系统设计基础（2）LinuxShell：Shell是系统的用户界面，提供用户与内核进行交互操作的一种接口。Shell是一个命令解释器。Shell编程语言具有普通编程语言的很多特点，用这种编程语言编写Shell程序与其他应用程序具有同样的效果。目前常见的Shell有BourneShell（sh）、KornShell（ksh）、CShell（csh）、Bourne-againShell（bash）。（3）Linux应用程序：标准的Linux系统都有一套称为应用程序的程序集，包括文本编辑器、编程语言、XWindow、办公套件、Internet工具、数据库等。还有用户自己编写的具有特定功能的应用程序。（4）Linux文件系统：文件系统是文件存放在磁盘等存储设备上的组织方法。通常是按照目录层次的方式进行组织。每个目录可以包括多个子目录以及文件，系统以“/”为根目录。系统中的所有数据都存储在文件系统上以便用户读取、查询和写入。Linux能支持多种目前流行的文件系统，如ext2、ext3、fat、vfat、ISO9660、nfs等。49第1章嵌入式系统设计基础

Linux的内核版本与发行版本Linux有内核（Kernel）版本和发行（Distri