第1章嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)(張思民)

1、第第1 1章章嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)1.11.1嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介 嵌入式系統(tǒng)定義嵌入式系統(tǒng)定義 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件是可裁剪機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件是可裁剪的，適用于對(duì)功能、可靠性、成本、的，適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。機(jī)系統(tǒng)。圖圖1.11.1嵌入式系統(tǒng)設(shè)備嵌入式系統(tǒng)設(shè)備圖1.2嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板1.1.2 嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1、硬件設(shè)備、硬件設(shè)備 硬件設(shè)備包括嵌入式處理器和外圍設(shè)硬件設(shè)備包括嵌入式處理器和外圍設(shè)備。備

2、。 嵌入式處理器（嵌入式處理器（CPU）是嵌入式系統(tǒng)）是嵌入式系統(tǒng)的核心部分。的核心部分。 外圍設(shè)備是嵌入式系統(tǒng)中用于完成存外圍設(shè)備是嵌入式系統(tǒng)中用于完成存儲(chǔ)、通信、調(diào)試、顯示等輔助功能的儲(chǔ)、通信、調(diào)試、顯示等輔助功能的其他部件。嵌入式外圍設(shè)備按功能可其他部件。嵌入式外圍設(shè)備按功能可以分為存儲(chǔ)設(shè)備、通信設(shè)備和顯示設(shè)以分為存儲(chǔ)設(shè)備、通信設(shè)備和顯示設(shè)備三類(lèi)。備三類(lèi)。 存儲(chǔ)設(shè)備主要用于各類(lèi)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，存儲(chǔ)設(shè)備主要用于各類(lèi)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，常用的有靜態(tài)易失型存儲(chǔ)器（常用的有靜態(tài)易失型存儲(chǔ)器（RAM、SRAM）、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（）、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（DRAM）和）和非易失型存儲(chǔ)器（非易失型存儲(chǔ)器（ROM、EPROM、E

3、EPROM、FLASH）三種。）三種。 其中其中FLASH憑借其可擦寫(xiě)次數(shù)多、存憑借其可擦寫(xiě)次數(shù)多、存儲(chǔ)速度快、存儲(chǔ)容量大、價(jià)格便宜等儲(chǔ)速度快、存儲(chǔ)容量大、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在嵌入式領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)優(yōu)點(diǎn)，在嵌入式領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。用。 應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中的通信設(shè)備包括應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中的通信設(shè)備包括RS-232接口（串行通信接口）、接口（串行通信接口）、SPI（串行外圍設(shè)備接口）、（串行外圍設(shè)備接口）、IrDA（紅外（紅外線接口）、線接口）、I2C（現(xiàn)場(chǎng)總線）、（現(xiàn)場(chǎng)總線）、USB（通用串行總線接口）、（通用串行總線接口）、Ethernet（以太網(wǎng)接口）等。（以太網(wǎng)接口）等。 應(yīng)用于嵌入式

4、系統(tǒng)中的外圍顯示設(shè)備應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中的外圍顯示設(shè)備通常是陰極射線管（通常是陰極射線管（CRT）、液晶顯）、液晶顯示器（示器（LCD）和觸摸板（）和觸摸板（Touch Panel）等。）等。2、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的一般功能，如向上提供對(duì)用戶(hù)的接口一般功能，如向上提供對(duì)用戶(hù)的接口（如圖形界面、庫(kù)函數(shù)（如圖形界面、庫(kù)函數(shù)API等），向下等），向下提供與硬件設(shè)備交互的接口（如硬件提供與硬件設(shè)備交互的接口（如硬件驅(qū)動(dòng)程序等），管理復(fù)雜的系統(tǒng)資源，驅(qū)動(dòng)程序等），管理復(fù)雜的系統(tǒng)資源，同時(shí)，它還在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、硬件依賴(lài)同時(shí)，它還在系統(tǒng)

5、實(shí)時(shí)性、硬件依賴(lài)性、軟件固化性以及應(yīng)用專(zhuān)用性等方性、軟件固化性以及應(yīng)用專(zhuān)用性等方面，具有更加鮮明的特點(diǎn)。面，具有更加鮮明的特點(diǎn)。3、應(yīng)用軟件、應(yīng)用軟件 應(yīng)用軟件是針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域，基于應(yīng)用軟件是針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域，基于某一固定的硬件平臺(tái)，用來(lái)達(dá)到完成某一固定的硬件平臺(tái)，用來(lái)達(dá)到完成預(yù)期目標(biāo)的計(jì)算機(jī)軟件。由于嵌入式預(yù)期目標(biāo)的計(jì)算機(jī)軟件。由于嵌入式系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，決定了嵌入式系統(tǒng)系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，決定了嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件不僅要求達(dá)到準(zhǔn)確、安全的應(yīng)用軟件不僅要求達(dá)到準(zhǔn)確、安全和穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，而且還要進(jìn)行代碼精和穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，而且還要進(jìn)行代碼精簡(jiǎn)，以減少對(duì)系統(tǒng)資源的消耗，降低簡(jiǎn)，以減少對(duì)系統(tǒng)資源的消耗，降低

6、硬件成本。硬件成本。1.2 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用領(lǐng)域1.2.1 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史 1、始于微型機(jī)時(shí)代的嵌入式應(yīng)用、始于微型機(jī)時(shí)代的嵌入式應(yīng)用 2、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的兩大分支、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的兩大分支 3、兩大分支發(fā)展的里程碑事件、兩大分支發(fā)展的里程碑事件嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 1946年誕生了大型昂貴電子數(shù)字計(jì)算機(jī)。年誕生了大型昂貴電子數(shù)字計(jì)算機(jī)。 20世紀(jì)世紀(jì)70年代，微處理器的出現(xiàn)，產(chǎn)生了年代，微處理器的出現(xiàn)，產(chǎn)生了小型、價(jià)廉的微型機(jī)。小型、價(jià)廉的微型機(jī)。 把嵌入到對(duì)象體系中，實(shí)現(xiàn)智能化控制的把嵌入到對(duì)象體系中，實(shí)現(xiàn)智能化控制的計(jì)

7、算機(jī)，稱(chēng)作嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)，稱(chēng)作嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 將計(jì)算機(jī)嵌入到一個(gè)對(duì)象體系中，這是理將計(jì)算機(jī)嵌入到一個(gè)對(duì)象體系中，這是理解嵌入式系統(tǒng)的基本出發(fā)點(diǎn)。解嵌入式系統(tǒng)的基本出發(fā)點(diǎn)。 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的兩大分支現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的兩大分支 通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)要求是高速、海量通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)要求是高速、海量的數(shù)值計(jì)算；技術(shù)發(fā)展方向是總線速度的的數(shù)值計(jì)算；技術(shù)發(fā)展方向是總線速度的無(wú)限提升，存儲(chǔ)容量的無(wú)限擴(kuò)大。無(wú)限提升，存儲(chǔ)容量的無(wú)限擴(kuò)大。 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)要求則是對(duì)象的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)要求則是對(duì)象的智能化控制能力；技術(shù)

8、發(fā)展方向是與對(duì)象智能化控制能力；技術(shù)發(fā)展方向是與對(duì)象系統(tǒng)密切相關(guān)的嵌入性能、控制能力與控系統(tǒng)密切相關(guān)的嵌入性能、控制能力與控制的可靠性。制的可靠性。 1.2.2 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展前景及趨勢(shì)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展前景及趨勢(shì) 1.3 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)1.3.1 嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展 第一階段：無(wú)操作系統(tǒng)的嵌入算法階段，第一階段：無(wú)操作系統(tǒng)的嵌入算法階段，以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)，以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)，具有與監(jiān)測(cè)、伺服、指示設(shè)備相配合的功能。具有與監(jiān)測(cè)、伺服、指示設(shè)備相配合的功能。 第二階段：以嵌人式第二階段：以嵌人式CPU為基礎(chǔ)、簡(jiǎn)單操作為

9、基礎(chǔ)、簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。 第三階段：通用的嵌人式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段，第三階段：通用的嵌人式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段，以嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。以嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。 第四階段：以基于第四階段：以基于Internet為標(biāo)志的嵌入式為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。系統(tǒng)。 1.3.2 幾種有代表性的嵌入式操作系統(tǒng)幾種有代表性的嵌入式操作系統(tǒng) 1、VxWorks 2、Windows CE 3、嵌入式、嵌入式Linux 4、C/OS一一 5、Android1.4嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程圖圖l.5嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程各模塊的說(shuō)明各

10、模塊的說(shuō)明 1、系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)需求分析 2、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3、硬件、硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)軟件協(xié)同設(shè)計(jì) 4、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)集成 5、完成測(cè)試并形成產(chǎn)品、完成測(cè)試并形成產(chǎn)品1.5嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用方案嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用方案1.5.1 基于嵌入式的基于嵌入式的視頻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)視頻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng) 1、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)2、 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) （1） 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)以嵌入式本系統(tǒng)以嵌入式Linux為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)計(jì)的嵌入式目標(biāo)板編寫(xiě)相應(yīng)的的嵌入式目標(biāo)板編寫(xiě)相應(yīng)的BootLoader程程序，然后裁剪出合適的內(nèi)核和文件系統(tǒng)。序，然后裁剪出合適的內(nèi)核和文件系統(tǒng)。目

11、標(biāo)板的目標(biāo)板的CPU采用嵌入式處理器采用嵌入式處理器S3C2410。它只需很少的外圍芯片就可以實(shí)現(xiàn)它只需很少的外圍芯片就可以實(shí)現(xiàn)RS-232串行口和串行口和100/10M的以太網(wǎng)接口。能夠與的以太網(wǎng)接口。能夠與常用的外圍設(shè)備常用的外圍設(shè)備(如如SDRAM、ISDN收發(fā)器收發(fā)器)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，從而簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，從而簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)，降低了產(chǎn)品成本、體積和功耗。計(jì)，降低了產(chǎn)品成本、體積和功耗。（2）軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)）軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)采用的是瀏覽器服視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)采用的是瀏覽器服務(wù)器務(wù)器(BS)網(wǎng)絡(luò)模型，即由客戶(hù)端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模型，即由客戶(hù)端通過(guò)Web向服務(wù)

12、器提出請(qǐng)求，服務(wù)器對(duì)請(qǐng)求做向服務(wù)器提出請(qǐng)求，服務(wù)器對(duì)請(qǐng)求做出確認(rèn)響應(yīng)并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)出確認(rèn)響應(yīng)并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)(如向客戶(hù)端如向客戶(hù)端發(fā)送組播地址、圖像格式、壓縮格式等發(fā)送組播地址、圖像格式、壓縮格式等)，建立連接后就可以在客戶(hù)端監(jiān)控被控點(diǎn)，建立連接后就可以在客戶(hù)端監(jiān)控被控點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。服務(wù)器從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。服務(wù)器(Web Server)端即現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控點(diǎn)的軟件結(jié)構(gòu)包括采端即現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控點(diǎn)的軟件結(jié)構(gòu)包括采集模塊、壓縮編碼模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、集模塊、壓縮編碼模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、控制模塊等，如圖控制模塊等，如圖1.7所示。所示。 圖1.7 服務(wù)器軟件結(jié)構(gòu) 1.5.2基于嵌入式系統(tǒng)的基于嵌入

13、式系統(tǒng)的鍋爐控制方案鍋爐控制方案1、引言、引言 鍋爐微計(jì)算機(jī)控制，是近年開(kāi)發(fā)的一鍋爐微計(jì)算機(jī)控制，是近年開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)，它是微型計(jì)算機(jī)軟硬件、項(xiàng)新技術(shù)，它是微型計(jì)算機(jī)軟硬件、自動(dòng)控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊密自動(dòng)控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。結(jié)合的產(chǎn)物。 鍋爐微機(jī)控制系統(tǒng)，一般由以下幾部分組成，即由鍋爐本體、一次儀表、微機(jī)、手自動(dòng)切換操作、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及閥、滑差電機(jī)等部分組成。一次儀表將鍋爐的溫度、壓力、流量、氧量、轉(zhuǎn)速等量轉(zhuǎn)換成電壓、電流等送入微機(jī);手自動(dòng)切換操作部分，手動(dòng)時(shí)由操作人員手動(dòng)控制，用操作器控制水泵、吹風(fēng)機(jī)及各種閥門(mén)等，自動(dòng)時(shí)對(duì)微機(jī)發(fā)出控制信號(hào)經(jīng)執(zhí)行部件進(jìn)行自動(dòng)操作。微機(jī)對(duì)

14、整個(gè)鍋爐的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測(cè)、報(bào)警、控制以保證鍋爐正常、可靠地運(yùn)行。除此以外為保證鍋爐運(yùn)行的安全，在進(jìn)行微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)鍋爐水位、鍋爐汽包壓力等重要參數(shù)設(shè)置常規(guī)儀表及報(bào)警裝置，以保證水位和汽包壓力有雙重甚至三重報(bào)警裝置，以免鍋爐發(fā)生重大事故。2、基于單片機(jī)的基于單片機(jī)的鍋爐控制系統(tǒng)的解決方案鍋爐控制系統(tǒng)的解決方案 現(xiàn)在有一些生產(chǎn)企業(yè)使用基于單片機(jī)的鍋現(xiàn)在有一些生產(chǎn)企業(yè)使用基于單片機(jī)的鍋爐控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)由爐控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)由8位位MCU、控制執(zhí)、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、行機(jī)構(gòu)、LED數(shù)碼管、發(fā)光二極管、按鍵數(shù)碼管、發(fā)光二極管、按鍵等組成，完成以下功能：實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)鍋等組成，完成以下功能：實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)鍋爐

15、的運(yùn)行參數(shù)；綜合分析及時(shí)發(fā)出控制指爐的運(yùn)行參數(shù)；綜合分析及時(shí)發(fā)出控制指令；診斷故障與報(bào)警管理令；診斷故障與報(bào)警管理;歷史記錄運(yùn)行參歷史記錄運(yùn)行參數(shù)；計(jì)算運(yùn)行參數(shù)，保證鍋爐的安全、穩(wěn)數(shù)；計(jì)算運(yùn)行參數(shù)，保證鍋爐的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。定運(yùn)行?；谇度胧较到y(tǒng)的解決方案基于嵌入式系統(tǒng)的解決方案 本小節(jié)介紹一個(gè)基于嵌入式平臺(tái)對(duì)鍋爐控制器功能進(jìn)行多方面擴(kuò)展的解決方案。本方案在硬件上采用ARM9芯片，大大提升處理能力。以LCD顯示器和觸摸屏為用戶(hù)提供友善易用的人機(jī)交互界面。增加USB接口，方便導(dǎo)入導(dǎo)出數(shù)據(jù)。增加RS232（或RS485）和以太網(wǎng)接口，增強(qiáng)鍋爐基于網(wǎng)絡(luò)的信息管理功能。軟件上采用嵌入式Linux操作系

16、統(tǒng)，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性;嵌入數(shù)據(jù)庫(kù)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)管理功能;以MiniGUI作為圖形用戶(hù)界面支持系統(tǒng)，使圖形用戶(hù)界面美觀易用。3、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖1.8總體設(shè)計(jì)1.5.3基于嵌入式系統(tǒng)的基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)方案網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)方案1、引言、引言在工業(yè)控制和通訊設(shè)備中，很多是符合在工業(yè)控制和通訊設(shè)備中，很多是符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的串行口設(shè)備。如何將串行口標(biāo)準(zhǔn)的串行口設(shè)備。如何將串行口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸便成了一個(gè)亟待解決制、數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸便成了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。本節(jié)介紹種基于嵌入式系統(tǒng)來(lái)實(shí)的問(wèn)題。本節(jié)介紹種基于嵌入式系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)串口和網(wǎng)口之間的數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)發(fā)的方現(xiàn)串口和網(wǎng)口之間的數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)發(fā)的方案。案。 2、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖1.12軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本章小結(jié)本章小結(jié) 本章介紹了嵌入式系統(tǒng)的基本概念，包括本章介紹了嵌入式系統(tǒng)的基本概念，包括嵌入式系統(tǒng)的定義、特點(diǎn)和體系結(jié)構(gòu)，介嵌入式系統(tǒng)的定義、特點(diǎn)和體系結(jié)構(gòu)，介紹了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史和未來(lái)發(fā)展趨紹了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，介紹了有代表性的嵌入式操作系統(tǒng)。勢(shì)，介紹了有代表性的嵌入式操作系統(tǒng)。在這里，重點(diǎn)要掌握嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)在這里，重點(diǎn)要掌握嵌入式系統(tǒng)的