嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)-李秀娟-課件-第1章

1嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)2第1章嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)你所要知道的嵌入式系統(tǒng)，就在你的身邊，就在你的手頭本章內(nèi)容31.1嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介11.2嵌入式系統(tǒng)的歷史與發(fā)展21.3嵌入式操作系統(tǒng)31.4嵌入式操作系統(tǒng)的選型原則44本章主要內(nèi)容主要內(nèi)容：什么是嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史與應(yīng)用領(lǐng)域常見的幾種典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹如何進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)選型的?；疽螅赫J(rèn)識(shí)、理解嵌入式系統(tǒng)無處不在的特點(diǎn)，初步掌握嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，激發(fā)學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的興趣。本章主要內(nèi)容51.1嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介什么是嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)的分類嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)的區(qū)別1.1嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介61.1.1什么是嵌入式系統(tǒng)（1）廣義上對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義：凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可以稱為嵌入式系統(tǒng)。（2）根據(jù)IEEE(國際電氣電子工程師協(xié)會(huì))對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義：“用于控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器或甚至工廠操作的裝置”（原文為：DevicesUsedtoControl,MonitororAssisttheOperationofEquipment,MachineryorPlants）。（3）國內(nèi)普遍認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)的定義：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適合于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)其功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。（4）應(yīng)用上對(duì)嵌入式系統(tǒng)通俗的定義：嵌入式系統(tǒng)是一種專用于某個(gè)應(yīng)用或者產(chǎn)品的基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以結(jié)合處理器的系統(tǒng)電路和專屬軟件，成為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)或者更大的系統(tǒng)的一部分。71.1.2嵌入式系統(tǒng)的組成從宏觀上講，嵌入式系統(tǒng)也是由硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)組成。硬件結(jié)構(gòu)包括核心處理器、定時(shí)器、存儲(chǔ)器等一系列微電子芯片與器件，軟件結(jié)構(gòu)是由嵌入在存儲(chǔ)器中的嵌入式操作系統(tǒng)（EmbeddedOperatingSystem，簡(jiǎn)稱EOS）和控制應(yīng)用軟件組成。從應(yīng)用上講，嵌入式系統(tǒng)是硬件和軟件結(jié)構(gòu)相結(jié)合的綜合體，共同實(shí)現(xiàn)諸如實(shí)時(shí)控制、監(jiān)視、管理、移動(dòng)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理等各種自動(dòng)處理任務(wù)。簡(jiǎn)言之，嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成，它是可獨(dú)立工作的“器件”。1.1.2嵌入式系統(tǒng)的組成8嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)9嵌入式系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的核心是嵌入式處理器，其作用是控制、輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單元。嵌入式處理器分為：嵌入式微處理器(MicroProcessorUnit，MPU)嵌入式微控制器(Micro

ControllerUnit，

MCU)嵌入式DSP(DigitalSignalProcessor)嵌入式片上系統(tǒng)（SystemOnChip，SOC）10嵌入式處理器分類11（1）嵌入式微處理器（MPU）相同點(diǎn)：MPU的作用與通用計(jì)算機(jī)中的CPU類似不同點(diǎn)：在具體應(yīng)用時(shí)只保留了與嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除了冗余功能在實(shí)際應(yīng)用中，MPU裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上俗稱“核心板”優(yōu)點(diǎn)體積小、重量輕、成本低、可靠性高流行類型有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等。12（2）嵌入式微控制器（MCU）MCU俗稱單片機(jī)，是將微處理器、存儲(chǔ)器(少量的RAM，

ROM或兩者都有)和其它外設(shè)封裝在同一片集成電路內(nèi)MCU的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。有代表性微控制器有MCS-8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167系列以及

MCU8XC930/931、C540、C541系列，還有支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。13（3）嵌入式DSPDSP是專門用于信號(hào)處理方面的嵌入式處理器DSP特點(diǎn)是對(duì)離散時(shí)間信號(hào)進(jìn)行極快地處理與計(jì)算，提高了編譯效率和執(zhí)行速度。DSP已經(jīng)在數(shù)字濾波、FFT、譜分析、圖像處理等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。廣泛應(yīng)用的是TI公司的TMS320C2000/C5000／C6000系列，Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應(yīng)用對(duì)象。14（4）嵌入式片上系統(tǒng)（SOC）SOC指的是在單個(gè)芯片上集成嵌入式處理器內(nèi)核、存儲(chǔ)器以及外圍電路等構(gòu)成一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)，包含了嵌入式軟件的全部內(nèi)容。SOC最大特點(diǎn)是直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊，成功實(shí)現(xiàn)了軟硬件無縫結(jié)合，系統(tǒng)特別簡(jiǎn)潔。SOC芯片在聲音、圖像、影視、網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)邏輯等應(yīng)用領(lǐng)域中的作用巨大典型的SOC產(chǎn)品是Philips的SmartXA，Siemens的TriCore，Motorola的M-Core等。15嵌入式處理器小結(jié)硬件可裁減特性，方便擴(kuò)展處理器結(jié)構(gòu)，軟件固化特性，具有很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，避免了在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤，同時(shí)也有利于軟件診斷；支持實(shí)時(shí)和多任務(wù)能力，較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，內(nèi)部代碼運(yùn)行時(shí)間和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間可減少到最低限度；低功耗，功耗能達(dá)到mW級(jí)。16ARM簡(jiǎn)介ARM（AdvancedRISCMachines）是嵌入式系統(tǒng)業(yè)界著名品牌和技術(shù)。專門從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計(jì)開發(fā)的公司名字，該公司主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。在全世界有幾十家大的半導(dǎo)體公司都使用ARM公司的授權(quán)，也代表了嵌入式處理技術(shù)。ARM技術(shù)獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，使整個(gè)系統(tǒng)成本降低，產(chǎn)品更容易進(jìn)入市場(chǎng)被消費(fèi)者所接受，具有競(jìng)爭(zhēng)力。ARM微處理器約占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場(chǎng)份額。ARM微處理器已遍及消費(fèi)類電子產(chǎn)品、工業(yè)控制、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場(chǎng)。17嵌入式系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。嵌入式操作系統(tǒng)不僅起到管理協(xié)調(diào)嵌入式處理器、存儲(chǔ)器、電源等硬件資源的作用，還為應(yīng)用軟件提供統(tǒng)一服務(wù)。嵌入式應(yīng)用軟件則是根據(jù)對(duì)象設(shè)備或產(chǎn)品編制出來的解決具體任務(wù)的專用代碼，由用戶直接開發(fā)或提出開發(fā)要求。嵌入式系統(tǒng)上的應(yīng)用軟件通常是暫時(shí)不變的，所以常稱為“固件”。181.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)嵌入性。是指在某個(gè)對(duì)象體系中嵌入了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)核。

專用性。是指嵌入式系統(tǒng)只是被用于解決一項(xiàng)或者幾項(xiàng)特殊任務(wù)，每個(gè)嵌入式系統(tǒng)都面向一個(gè)特定應(yīng)用?？刹眉粜浴Ｊ擒浻布O(shè)計(jì)高效、可裁減的完整的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。集成性。是各種先進(jìn)技術(shù)和各行業(yè)具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。精簡(jiǎn)性。系統(tǒng)內(nèi)核小，沒有明顯的系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件區(qū)分。交叉編譯。不具備自舉開發(fā)能力，需要開發(fā)工具和環(huán)境支持。開發(fā)過程中利用宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)思想。生命周期長。嵌入式系統(tǒng)與具體應(yīng)用有機(jī)結(jié)合在一起，產(chǎn)品升級(jí)換代也是同步進(jìn)行。1.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)191.1.4嵌入式系統(tǒng)的分類根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜度將嵌入式系統(tǒng)分為小型嵌入式系統(tǒng)、中型嵌入式系統(tǒng)和復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)。小型嵌入式系統(tǒng)一般采用8位或者16位微控制器設(shè)計(jì)，硬件與軟件復(fù)雜度很小，需要進(jìn)行板級(jí)設(shè)計(jì)，可以電池驅(qū)動(dòng)。軟件開發(fā)時(shí)可以使用控制器自帶專用編輯器、匯編器和交叉匯編器。像各類智能IC卡、醫(yī)用電子器械、鼠標(biāo)、打印機(jī)控制器、工業(yè)溫度記錄儀等。1.1.4嵌入式系統(tǒng)的分類201.1.4嵌入式系統(tǒng)的分類中型嵌入式系統(tǒng)是采用一個(gè)16位或者32位的微控制器、微處理器ARM或者DSP設(shè)計(jì)，硬件與軟件復(fù)雜度都比較大，硬件擴(kuò)充了總線接口、網(wǎng)絡(luò)接口，以解決硬件復(fù)雜性的問題。對(duì)于軟件開發(fā)如物理和虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、任務(wù)調(diào)度優(yōu)化、中斷處理機(jī)制等程序，可以使用專用的編程工具如C語言、RTOS、源代碼設(shè)計(jì)工具、調(diào)試器和集成開發(fā)環(huán)境(ODE)和軟件調(diào)試工具。像計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)上的各種路由器、交換機(jī)、中繼器，圖像處理、模式識(shí)別機(jī)，手持設(shè)備PAD，上網(wǎng)筆記本、銀行系統(tǒng)的ATM機(jī)等。211.1.4嵌入式系統(tǒng)的分類復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的軟件與硬件都非常復(fù)雜，采用可升級(jí)的處理器或者片上系統(tǒng)SOC和可編程邏輯陣列FPGA，需要硬件和軟件協(xié)同設(shè)計(jì)?？绍浖不缂用芎徒饷芩惴ā㈦x散余弦變換和逆變換算法，TCP/IP協(xié)議棧和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序功能；也可將某些硬件資源的功能用軟件實(shí)現(xiàn)。除了必要的編程工具如C語言、RTOS和其他編程工具等外，這樣的系統(tǒng)還需要十分昂貴開發(fā)工具，甚至還必須為這些系統(tǒng)開發(fā)專門的編譯器。像實(shí)時(shí)視頻嵌入式系統(tǒng)、高速網(wǎng)絡(luò)接口、無線LAN設(shè)備、太空救生艙等。221.1.5嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)的區(qū)別最根本的區(qū)別是嵌入式系統(tǒng)是專用系統(tǒng)，而PC機(jī)是公共平臺(tái)。在系統(tǒng)資源方面，嵌入式系統(tǒng)資源緊缺，沒有編譯器等相關(guān)開發(fā)工具；而PC機(jī)系統(tǒng)資源充足，有豐富的編譯器、集成開發(fā)環(huán)境、調(diào)試器等。在組成結(jié)構(gòu)上，嵌入式系統(tǒng)是面向特定應(yīng)用的處理器，總線和外設(shè)一般集成在處理器內(nèi)部，軟硬件緊密結(jié)合；而PC機(jī)是通用處理器、標(biāo)準(zhǔn)總線和外設(shè)，軟硬件相對(duì)獨(dú)立。在軟件危機(jī)方面，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件一般不能重新編程開發(fā)，而PC機(jī)應(yīng)用程序可以重新編程。嵌入式系統(tǒng)軟件故障導(dǎo)致的故障后果比PC大得多。1.1.5嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)的區(qū)別231.1.5嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)的區(qū)別在效率性能方面，嵌入式系統(tǒng)大都有成本、功耗和實(shí)時(shí)性要求，而PC機(jī)一般沒有實(shí)時(shí)性要求；在開發(fā)平臺(tái)與開發(fā)方式方面，嵌入式系統(tǒng)需要專用的開發(fā)工具，采用交叉編譯方式，開發(fā)平臺(tái)一般是通用計(jì)算機(jī)，運(yùn)行平臺(tái)是嵌入式系統(tǒng)；而PC機(jī)開發(fā)平臺(tái)和運(yùn)行平臺(tái)都是通用計(jì)算機(jī)。在外觀形式類型上，嵌入式系統(tǒng)是“看不見”的嵌入了計(jì)算智能的電子裝置或設(shè)備，且形式多樣、應(yīng)用領(lǐng)域廣，以應(yīng)用領(lǐng)域分類；而PC機(jī)是實(shí)實(shí)在在的計(jì)算機(jī)，按其體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)算速度和規(guī)?？煞譃榇笮蜋C(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微機(jī)。241.2嵌入式系統(tǒng)的歷史與發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的歷史嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)1.2嵌入式系統(tǒng)的歷史與發(fā)展251.2.1嵌入式系統(tǒng)的歷史嵌入式系統(tǒng)誕生于微型機(jī)時(shí)代，可以追溯到20世紀(jì)七十年代單片機(jī)的產(chǎn)生時(shí)期；1976年Intel公司生產(chǎn)出了第一個(gè)單片機(jī)8048開始，Motorola公司同時(shí)推出了68HC05，Zilog公司也推出了Z80系列，嵌入式系統(tǒng)時(shí)期；到了80年代初，Intel成功研制了MCS-51單片機(jī)，開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展時(shí)代；90年代以后，隨著嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的提高和軟件規(guī)模的不斷上升，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）逐步成為國際嵌入式系統(tǒng)的主流。1.2.1嵌入式系統(tǒng)的歷史261.2.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域信息家電家庭智能管理系統(tǒng)POS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)工業(yè)控制交通管理環(huán)境工程與自然機(jī)器人1.2.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域271.2.3嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)嵌入式系統(tǒng)智能化自然友好的人機(jī)界面規(guī)模化跨行業(yè)協(xié)作進(jìn)一步的網(wǎng)絡(luò)支持小尺寸、微功耗、低成本物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用1.2.3嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)28嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的趨勢(shì)291.3嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式軟件系統(tǒng)是將所有程序，包括操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序等等的程序代碼全部都燒進(jìn)一個(gè)RAM里，即固化。因此，有人把嵌入式軟件系統(tǒng)形象的比喻為庫(Library)函數(shù)，可以在系統(tǒng)執(zhí)行過程中直接調(diào)用，不能修改操作系統(tǒng)的作用301.3嵌入式操作系統(tǒng)Android系統(tǒng)中文俗稱安卓。Android操作系統(tǒng)的內(nèi)核屬于Linux內(nèi)核的一個(gè)分支，具有典型的Linux周期和功能，是半開源操作系統(tǒng)。

Google公司免費(fèi)開源代碼。Android從高層到低四層架構(gòu)體系：應(yīng)用程序?qū)?。包含了許多應(yīng)用程序。應(yīng)用程序框架層。Android開發(fā)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)運(yùn)行庫層。系統(tǒng)庫、核心庫與Dalvik虛擬機(jī)。系統(tǒng)庫包含一些C/C++庫，通過

Android應(yīng)用程序框架為開發(fā)者提供服務(wù)。Android運(yùn)行時(shí)的核心庫是Android的一些核心API，Dalvik虛擬機(jī)被設(shè)計(jì)一個(gè)設(shè)備，每一個(gè)Android應(yīng)用程序都擁有一個(gè)獨(dú)立的Dalvik虛擬機(jī)實(shí)例。linux核心層。Android是基于Linux2.6內(nèi)核，其核心系統(tǒng)服務(wù)如安全性、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、網(wǎng)路協(xié)議以及驅(qū)動(dòng)模型都依賴于Linux內(nèi)核。Android311.3嵌入式操作系統(tǒng)Linux是是自由和開放源碼的類Unix操作系統(tǒng)，用C語言寫成，目前存在著多種Linux版本都是基于Linux內(nèi)核。Linux內(nèi)核提供對(duì)多種處理器的支持，支持跨平臺(tái)，支持多用戶、多任務(wù)，是一個(gè)先進(jìn)的操作系統(tǒng)。世界上運(yùn)算最快的10臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)行的都是Linux操作系統(tǒng)，Linux也可以安裝在各種嵌入式系統(tǒng)設(shè)備中。Linux321.3嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II是專門為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

μC/OS-II絕大部分的代碼是用C語言編寫的，包含一小部分匯編代碼，使之可供不同架構(gòu)的微處理器使用。

μC/OS-II也是源碼公開，便于移植和維護(hù)。μC/OS-II331.3嵌入式操作系統(tǒng)WindowsCE是微軟公司嵌入式移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)的基礎(chǔ)，也是一個(gè)可定制，可裁剪的嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作系統(tǒng)。WindowsCE不開源?；赪indowsCE構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)大致可以分為四個(gè)層次，其中硬件層和OEM層由硬件OEM廠商提供，操作系統(tǒng)層由微軟公司提供，應(yīng)用層由獨(dú)立軟件開發(fā)商提供。自底層向上依次是：硬件層OEM層操作系統(tǒng)層應(yīng)用層341.3嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一款嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是由400多個(gè)相對(duì)獨(dú)立、短小精悍的目標(biāo)模塊組成，其核心模塊甚至可以微縮到8KB。

VxWorks具有可裁剪微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，高效的任務(wù)管理與通訊，支持多種物理介質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)的、完整的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。VxWorks操作系統(tǒng)本身以及開發(fā)環(huán)境都是專有的，價(jià)格一般都比較高。早期主要用于軍事領(lǐng)域。VxWorks351.3嵌入式操作系統(tǒng)PalmOS是一種32位的嵌入式操作系統(tǒng)，早期由U.S.Robotics研制的專門用于掌上電腦產(chǎn)品Palm的操作系統(tǒng)，后來IBM、Sony、Handspring等廠商取得授權(quán)，在各自旗下產(chǎn)品中使用。PalmOS運(yùn)行要求內(nèi)存與處理器資源較小，速度也很快，但不支持多線程，長遠(yuǎn)發(fā)展受到限制。PalmOS361.4嵌入式系統(tǒng)的選型原則嵌入式系統(tǒng)選型主要依據(jù)它們?cè)谟布?、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件及適用場(chǎng)合等方面進(jìn)