第1章 嵌入式系统概述

嵌入式系统及应用南京邮电大学电气工程系课程简介

课程性质（考试-闭卷）课时安排：28(授课)+12(上机)+16(线上自学)成绩评定：

期末（60%）＋平时（40%）教材：顾亦然，《嵌入式系统及应用》，人民邮电出版社.参考书：高锋，《单片微型计算机原理与接口技术》(第3版)，科学出版社课程内容

第一部分基础篇嵌入式系统概述嵌入系统硬件设计基础

第二部分MCS51技术篇

MCS51单片机基本结构单片机指令系统单片机功能模块80C51功能扩展第三部分STM32技术篇基于Contex-M3的STM32的基本结构

Contex-M3指令系统与编程技术

STM32的主要功能模块第1章嵌入式系统概述1.1嵌入式系统的基本概念1.1.1嵌入式系统的定义1.1.2嵌入式系统的特点1.1.3嵌入式系统的组成1.1.4嵌入式系统的分类1.2嵌入式系统的应用领域1.3本章小结、习题1.1嵌入式系统的基本概念嵌入式系统的定义嵌入式系统的特点嵌入式系统的组成计算机系统分为嵌入式计算机系统（简称嵌入式系统）和通用计算机系统。通用计算机系统具有计算机的标准形态，可以安装不同的应用软件，应用在社会的各个方面，其典型产品为PC（PersonalComputer，个人计算机）。嵌入式计算机系统则是以嵌入式的形式隐藏在各种装置、产品和系统中，如Kindle、iPad和Tesla汽车。正是“看不见”这一特性将嵌入式计算机系统与通用计算机系统区分了开来。1.1嵌入式系统的基本概念1.1.1嵌入式系统的定义1．IEEE的定义【定义1-1】嵌入式系统是一种用于控制、监视或者辅助操作机器设备的装置（Devicesusedtocontrol，monitor，orassisttheoperationofequipment，machineryorplants）【定义1-2】嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统，可分为系统级、板级、片级。系统级：各种类型的工控机板级：各种类型的带CPU的主板、PC104片级：各种以单片机、DSP、微处理器为核心的产品2．微机学会的定义【定义1-3】嵌入式系统（EmbeddedSystem）是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。3．一般定义可从以下几个方面来理解：（1）嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势，即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。（2）嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。（3）嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁减，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。通常，带有微处理器的专用软硬件系统都可以称之为嵌入式系统。嵌入式系统融合了计算机软硬件技术、通信技术和半导体微电子技术，采用“量体裁衣”的方式把所需的功能嵌入各种应用系统中。嵌入式的概念反映了嵌入式系统通常是更大系统中的一个完整的部分，更大系统称为“嵌入的系统”，“嵌入的系统”中可以共存多个嵌入式系统。嵌入式系统的构架可以分成4个部分：处理器、存储器、输入/输出（Input/Output，I/O）和软件。1.1.2嵌入式系统的特点小型化与有限资源与应用密切相关系统软硬件设计的协同一体化软件开发需要交叉开发环境1.1.3嵌入式系统的组成1．嵌入式系统的体系系统架构图1-1嵌入式系统体系结构框架

2．嵌入式系统的组成图1-2嵌入式系统组成

1．嵌入式系统的硬件层硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（RAM、ROM、Flash）、USB和A/D、D/A等。硬件层通常是一个以嵌入式处理器为中心的，包含电源电路、时钟电路和存储器电路的电路模块，其中操作系统和应用程序都固化在模块的ROM中。2．嵌入式系统的组成2．嵌入式系统的中间层硬件层与系统软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（HardwareAbstractLayer，HAL）或板级支持包（BoardSupportPackage，BSP），它将上层系统软件与底层硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无须关心底层硬件的具体情况，根据中间层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。2．嵌入式系统的组成中间层特点：①硬件相关性：因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，而作为上层软件与硬件平台之间的接口，中间层需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。②操作系统相关性：不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此，不同的操作系统具有特定的硬件接口形式。2．嵌入式系统的组成设计一个完整的中间层需要完成两个部分的工作：（1）嵌入式系统的硬件初始化

嵌入式系统初始化过程可以分为3个主要环节，按照自底向上、从硬件到软件的次序依次为片级、板级和系统级初始化。（2）设计硬件相关的设备驱动

中间层的另一个主要功能是设计硬件相关的设备驱动。硬件相关的设备驱动程序的初始化通常是一个从高到低的过程。与硬件相关的驱动程序是中间层设计与开发中另一个非常关键的环节。2．嵌入式系统的组成系统软件层由嵌入式实时操作系统（Real-timeOperationSystem，RTOS）、文件系统、图形用户接口（GraphicUserInterface，GUI）、网络系统及通用组件模块等组成。RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。3．嵌入式系统的系统软件层（1）嵌入式操作系统

嵌入式操作系统在系统实时性、高效性、硬件相关依赖性、软件固化以及应用专用性等方面具有较为突出特点。

嵌入式操作系统是相对于一般操作系统而言的，它除了具有一般操作系统最基本的功能，例如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等外，还有以下特点：★可裁减性；★强实时性；★操作方便、简单且友好的图形用户界面，易学易用；★强大的网络功能；★强稳定性，弱交互性；★固化代码；★良好的移植性。3．嵌入式系统的系统软件层（2）文件系统操作系统中负责管理和存储文件信息的软件机构称为文件管理系统，简称文件系统。文件系统由3个部分组成：与文件管理有关的软件、被管理的文件以及实施文件管理所需的数据结构。（3）图形用户接口图形用户接口（又称图形用户界面）是指采用图形方式显示的计算机用户操作接口。嵌入式图形用户界面系统具有以下几个方面的基本设计要求：轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等。3．嵌入式系统的系统软件层（4）应用软件层应用软件层由基于实时系统开发的应用程序组成，用来实现对被控对象的控制功能。应用软件是在嵌入式操作系统支持下通过调用API（ApplicationProgrammingInterface，应用程序接口）函数，结合实际应用编制的用户软件，例如智能家居、线上支付等软件。4．嵌入式系统的应用软件层1.1.4嵌入式系统的分类

按实时性能分类按软件结构分类

按实时性能分类按是否具有实时性能分为嵌入式非实时系统嵌入式实时系统(1)嵌入式非实时系统嵌入式非实时系统的正确性仅仅依赖于计算处理的逻辑结果，与结果产生的时间无关这类系统主要应用于科学计算和一般实时性要求不高的场合，如掌上电脑、电子词典等(2)嵌入式实时系统嵌入式实时系统是能够对外部事件在限定时间内做出及时响应的嵌入式系统这类系统在嵌入式系统中占有很大比例，如过程控制、数据采集、通信等领域嵌入式实时系统除具有嵌入式系统的基本特征外，还具有以下重要特点：①实时性②可靠性①实时性衡量嵌入式实时系统的性能主要有以下性能指标：确定性（Determinism）确定性要求系统对外部事件的响应时间必须是确定的和可重复的，不管当时系统内部状态如何，都是可预测的。该性能指标反映系统对运行情况的最好和最坏等情况做出精确估计的能力。它是实时系统最重要的性能指标之一。

响应时间（ResponseTime）

系统从识别一个外部事件到做出响应的时间。是最重要的性能指标之一。对不同的控制过程有不同的响应时间要求：对于慢变化过程，具有几分钟甚至更长的响应时间都可以认为是实时的对于快速过程，其响应时间可能要求达到毫秒、微秒、纳秒级甚至更短。

生存时间（SurvivalTime）是数据有效等待时间，在这段时间里数据是有效的吞吐量（Throughput）

是在一段给定时间内，系统可以处理的事件总数为实现以上实时性能的要求，嵌入式系统一般采用如下方式：采用高速硬件。如高速处理器、高速A/D、D/A等

利用嵌入式处理器提供的中断功能

需要嵌入式实时操作系统（RTOS）的支持

应用程序代码量小、执行速度快②

可靠性

硬件平台的可靠性 体现在对硬件平台的EMC电磁兼容性能、防震性能、防水性能的要求。例如：往往选择工业级甚至军品级嵌入式处理器

软件采用固态化存储只读存储器或电子盘而不是磁盘等机械类访问载体FLASH高密度、高效率、高可靠性

减小体积、提高速度、防震性能和使用寿命

软件具有出错处理和自动复位功能应用程序采用特殊的容错和出错处理措施具有故障诊断和修复能力在运行死机之后自动恢复先前的运行状态。

按软件结构分类按软件结构分类为嵌入式单线程系统嵌入式循环轮询系统有限状态机嵌入式事件驱动系统嵌入式前后台系统嵌入式多任务系统嵌入式多处理器系统嵌入式单线程系统包括循环轮询系统有限状态机适用场合：常见于小型、简单的嵌入式应用，其编程简单且易于理解，但系统的确定性不能保证(1)嵌入式单线程系统（EmbededSingle-threadSystem）①嵌入式循环轮询(PollingLoop)系统在该系统中，程序依次检查系统的每一个输入条件，一旦条件成立就进行相应的处理。状态转换图：图1-21有限状态机示意图

②有限状态机(FSM，FiniteStateMachine)

是能对外部事件直接响应的系统包括:

嵌入式前后台系统嵌入式多任务系统嵌入式多处理器系统(2)嵌入式事件驱动系统（EmbededEvent-drivenSystem）①嵌入式前后台(Foreground/Backgroud)系统该系统又称为嵌入式中断驱动系统系统组成后台是一个循环轮询系统，一直处于运行状态，通常又称主程序；前台是由一些中断处理过程组成的。

运行方式图1-22嵌入式前后台系统运行方式

当有一前台事件

(外部事件)发生时将引起中断，暂时中止后台运行，转入进行前台处理，处理完成后又回到后台继续运行。②嵌入式多任务（Multitask）系统

适用场合对于一个复杂的嵌入式系统而言，当采用中断处理程序加一个后台主程序这种软件结构难以实时、准确、可靠地完成系统功能时，或存在一些相关或不相关的过程需要在一个系统中同时处理时，就需要采用嵌入式多任务系统。

运行机制图1-23嵌入式前多任务系统示意图

系统由多个任务、中断处理过程和嵌入式操作系统组成。每个任务按顺序或优先级执行的，并行性、任务间的相互通信和同步需要操作系统的支持完成

适用场合当某些工作用单个处理器来处理难以完成时，就需要使用多个处理器同时处理运行机制多个任务可以分别放在不同的处理器上执行，宏观上看是并发的，微观上看也是并发的③嵌入式多处理器/多核系统1.2嵌入式系统的应用领域

1．在应用数量上嵌入式系统远远超过了通用计算机系统平均每个家庭使用40个嵌入式处理器平均每个汽车需要35个嵌入式处理器

2001年，Gartner估计存在70亿嵌入式处理器

70亿嵌入式处理器占据了94%处理器市场

IntelPentium、MotorolaPowerPC等通用处理器，仅占6%的处理器市场1.1.2嵌入式系统的应用领域2．在应用领域方面图1-5常见消费类产品

消费产品(ConsumerProduct)

图1-6智能消费类产品图1-7工程机械智能控制器

工业控制

(IndustryControl)图1-8汽车电子产品图1-9地震中救命的通信设备

通信设备

(Telecommunication)图1-10穿刺肿瘤医疗仪器

智能仪器(IntelligentInstrument)图1-8智能玩具机器人机器人(Robot)

图1-11基于WinCE的移动机器人平台图1-12基于RTLinux的仿人机器人图1-131997年4月在火星表面登陆的火星探测器（基于VxWorks）图1-142004年“勇气号”再次登陆火星图1-15阿富汗战争中的军事电子设备

军事电子设备和现代武器图1-16军用机器人（2002