第一讲嵌入式系统概述教材

通信学院代新冠Mobile-mail:28125083@1嵌入式系统

第一章:嵌入式系统概述

提纲

嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的定义与特点嵌入式系统发展历程及其与单片机系统之间的关系

嵌入式系统的构成要素韩国电信手机/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移动电视手机普通手机智能手机与PDA结合嵌入式技术的应用－手机嵌入式技术的应用－PDA个人信息助理掌上电脑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iLuv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704PortableMediaPlayer嵌入式技术的应用－PMP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32MB板载内存可通过USB连接电脑笔迹识别软件PolymerVision手机书嵌入式技术的应用－办公用品嵌入式技术的应用－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手表嵌入式技术的应用－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次世代三大主流三款主机Xbox360，WII，PS3GameCubeXboX360PS3Wii,手柄,手套,枪嵌入式技术的应用－摄像器材数码相机DV嵌入式技术的应用－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嵌入式技术的应用－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数字电视机顶盒嵌入式技术的应用－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

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监控仪手持仪嵌入式技术的应用－仪器仪表嵌入式技术的应用－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嵌入式技术的应用－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

提纲

嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的定义与特点嵌入式系统发展历程及其与单片机系统之间的关系

嵌入式系统的构成要素IEEE（国际电气和电子工程师协会）

给出的定义：嵌入式系统是用于控制、监视或者辅助装置、机器或者设备运行的装置。

Devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants.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定义（1）嵌入式系统的定义（2）按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入式系统可以定义为：“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。嵌入式系统的特点“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”：“嵌入性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境要求，如物理环境（小型）、电气/气氛环境（可靠）、成本（价廉）等要求。“专用性”的相关特点：软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬件配置等。“计算机系统”的相关特点：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。

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而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。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：VxWorksWindowsCEpSOSQNX国产嵌入式实时操作系统，如：HOPENDeltaOS。。。OS嵌入式系统与桌面通用系统的区别(3/7)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嵌入式系统与桌面通用系统的区别(4/7)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。嵌入式系统与桌面通用系统的区别(5/7)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！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：在线升级等嵌入式系统与桌面通用系统的区别(6/7)

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加载嵌入式系统与桌面通用系统的区别(7/7)

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嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的定义与特点嵌入式系统发展历程及其与单片机系统之间的关系

嵌入式系统的构成要素嵌入式系统出现于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）-MCS51嵌入式系统应用走向纵深化发展-ARM处理器（1990－至今）嵌入式系统的发展历程现代计算机技术的两大分支由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制，因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向：通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。单片机开创了嵌入式系统独立发展道路在探索单片机的发展道路上的“∑模式”与“创新模式”：“∑模式”本质上是通用计算机直接芯片化的模式，它将通用计算机系统中的基本单元进行裁剪后，集成在一个芯片上，构成单片微型计算机；“创新模式”则完全按嵌入式应用要求设计全新的，满足嵌入式应用要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式等。Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照创新模式发展起来的单片形态的嵌入式系统（单片微型计算机）。MCS-51是在MCS-48探索基础上，进行全面完善的嵌入式系统。历史证明，“创新模式”是嵌入式系统独立发展的正确道路，MCS-51的体系结构也因此成为单片嵌入式系统的典型结构体系。单片机的技术发展史

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段：SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。单片机的技术发展史

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段：SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。单片机的技术发展史（续）

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段：单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC（SystemonChip）化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。嵌入式系统的两种应用模式嵌入式系统的嵌入式应用特点，决定了它的多学科交叉特点。作为计算机的内含，要求计算机领域人员介入其体系结构、软件技术、工程应用方面的研究。然而，了解对象系统的控制要求，实现系统控制模式必须具备对象领域的专业知识。因此，从嵌入式系统发展的历史过程，以及嵌入式应用的多样性中，可以了解到客观上形成的两种应用模式:电子系统应用模式计算机应用设计模式嵌入式系统的两种应用模式嵌入式系统的两种应用模式:电子系统应用模式-

嵌入式计算机系统起源于微型机时代，但很快就进入到独立发展的单片机时代。在单片机时代，嵌入式系统以器件形态迅速进入到传统电子技术领域中，以电子技术应用工程师为主体，实现传统电子系统的智能化，而计算机专业队伍并没有真正进入单片机应用领域。因此，电子技术应用工程师以自己习惯性的电子技术应用模式，从事单片机的应用开发。这种应用模式最重要的特点是：软、硬件的底层性和随意性；对象系统专业技术的密切相关性；缺少计算机工程设计方法。计算机应用设计模式嵌入式系统的两种应用模式嵌入式系统的两种应用模式:电子系统应用模式计算机应用设计模式-虽然在单片机时代，计算机专业淡出了嵌入式系统领域，但随着后PC时代的到来，网络、通信技术得以发展；同时，嵌入式系统软、硬件技术有了很大的提升，为计算机专业人士介入嵌入式系统应用开辟了广阔天地。计算机专业人士的介入，形成的计算机应用模式带有明显的计算机的工程应用特点，即基于嵌入式系统软、硬件平台，以网络、通信为主的非嵌入式底层应用。两种应用模式的并存与互补由于嵌入式系统最大、最广、最底层的应用是传统电子技术领域的智能化改造，因此，以通晓对象专业的电子技术队伍为主，用最少的嵌入式系统软、硬件开销，以8位机为主，带有浓重的电子系统设计色彩的电子系统应用模式会长期存在下去。计算机专业人士会愈来愈多地介入嵌入式系统应用，但囿于对象专业知识的隔阂，其应用领域会集中在网络、通信、多媒体、商务电子等方面，不可能替代原来电子工程师在控制、仪器仪表、机械电子等方面的嵌入式应用。客观存在的两种应用模式会长期并存下去，在不同的领域中相互补充。电子系统设计模式应从计算机应用设计模式中，学习计算机工程方法和嵌入式系统软件技术；计算机应用设计模式应从电子系统设计模式中，了解嵌入式系统应用的电路系统特性、基本的外围电路设计方法和对象系统的基本要求等。嵌入式系统应用的高低端不少从事单片机应用的人，不了解单片机与嵌入式系统的关系，在谈到“嵌入式系统”领域时，往往理解成计算机专业领域的，基于32位嵌入式处理器，从事网络、通信、多媒体等的应用。这样，“单片机”与“嵌入式系统”形成了嵌入式系统中常见的两个独立的名词。“单片机”是典型的、独立发展起来的嵌入式系统，从学科建设的角度出发，应该把它统一成“嵌入式系统”。考虑到原来单片机的电子系统底层应用特点，可以把嵌入式系统应用分成高端与低端，把原来的单片机应用理解成嵌入式系统的低端应用，含义为它的底层性以及与对象系统的紧耦合。应用充分普及：工业控制、数字化通讯、数字化家电汽车：50个以上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应用走向纵深化发展

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嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的定义与特点嵌入式系统发展历程及其与单片机系统之间的关系

嵌入式系统的构成要素嵌入式系统结构嵌入式系统一般由嵌入式处理器、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。嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统的核心。嵌入式处理器一般都具有较高的集成度。1000多种硬件处理器，分为MPU

、MCU、DSP、SOCARMRISC（ARM）TMS320DSP（TI）Trimedia（Philips）StrongARM（Intel）Xscale（Intel）MIPSRISC（MIPS）DragonBall（Motorola）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。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。CPUROMRAM外设1外设2单板计算机嵌入式微处理器（MPU）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、总线等各种必要功能和外设。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，是目前嵌入式系统工业的主流，占嵌入式系统约70％的市场份额。嵌入式微控制器（MCU）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。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TI的TMS320系列和Freescale的DSP56000系列。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，特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品。嵌入式DSP处理器（DSP）嵌入式片上系统（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，这就是SystemOnChip(SOC)。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。SoC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon的TriCore、Freescale的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Freescale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。外围硬件外围硬件是嵌入式系统处理器以外的硬件，它为系统提供了运行条件和部分功能。在运行条件方面，最基础的是时钟和电源部件，它们不可能集成到处理器内部，但它们对于处理器运转是必需的。外围硬件也将提供在系统中需要，但是微处理器内部不具有的功能，如：内存、各种通讯端口、AD/DA等。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：航空工业总线外围硬件设备（1/3）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：MemoryStick外围硬件设备（2/3）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/g外围硬件设备（3/3）嵌入式操作系统的作用一般只是为了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。嵌入式系统和系统的硬件基础关系紧密，一般都需要移植和配置才可以使用。嵌入式操作系统让嵌入式系统的开发利用通用的功能模块，这可以让开发更加高效。嵌入式操作系统

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/OS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：20～40μs一般任务响应时间：20μs～几百ms嵌入式实时操作系统

μClinux是一个完全符合GNU/GPL公约的操作系统，完全开放代码。μClinux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(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。——嵌入式Linux常见的嵌入式操作系统（1/4）

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。

常见的嵌入式操作系统（2/4）

——WinCEVxWorks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、弹道制导、飞机导航等，甚至在1997年4月登陆火星表面的火星探测器上也使用到了VxWorks。

常见的嵌入式操作系统（3/4）

——VxW