第1章 嵌入式系統(tǒng)概述

丁賢慶：ahhfdxq@163.com嵌入式系統(tǒng)實踐課程的主教材主教材：《嵌入式系統(tǒng)原理與應用設計》

編著：王光學出版社：電子工業(yè)出版社普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材課程的輔助教材輔助教材：1、《嵌入式系統(tǒng)原理與設計》陳文智,王總輝編著清華大學出版社2、《嵌入式系統(tǒng)原理與設計》李宗伯等著；王志英編高等教育出版社課程的輔助學習網(wǎng)站輔助學習網(wǎng)站：1、嵌入式資訊網(wǎng)，/2、嵌入式365網(wǎng)，/3、嵌入式聯(lián)盟，/main.asp4、嵌入式開發(fā)論壇，/bbs/課程的目錄和學時分配第1章嵌入式系統(tǒng)概述第2章ARM編程模型第3章ARM指令系統(tǒng)第4章ARM匯編程序設計第5章嵌入式操作系統(tǒng)第6章嵌入式系統(tǒng)架構第7章嵌入式系統(tǒng)硬件與底層驅動第8章嵌入式系統(tǒng)應用程序設計2-4學時2學時2-4學時2學時2-4學時2學時1學時3-5學時課程的考核課程成績＝平時成績＋實驗成績＋期末考試成績平時成績:

20分，其中作業(yè)10分，課堂點名和測驗10分實驗成績:

20分，平時上機10分，上機考試10分期末考試：閉卷考試60分，第八周左右本課程的研究對象手持測試儀本課程的研究對象導航儀本課程的研究對象平板本課程的研究對象加油機本課程的研究對象手機？本課程的研究對象手機手機操作系統(tǒng)應用軟件（QQ等）++CPU+存儲器1、研究嵌入式系統(tǒng)的定義2、嵌入式系統(tǒng)中的硬件3、嵌入式操作系統(tǒng)4、應用軟件的編程本課程的研究對象第1章嵌入式系統(tǒng)概述13254嵌入式系統(tǒng)基本概念嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式應用軟件嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)1 嵌入式系統(tǒng)基本概念1)嵌入式系統(tǒng)的定義 2)嵌入式系統(tǒng)與PC的區(qū)別3)嵌入式系統(tǒng)與單片機系統(tǒng)的區(qū)別4)嵌入式系統(tǒng)的特征 5)嵌入式系統(tǒng)的應用 1)嵌入式系統(tǒng)的定義 計算機工業(yè)的分類傳統(tǒng)分類：按照計算機的體系結構、運算速度、結構規(guī)模分為大型計算機、中型機、小型機和微型計算機，并以此來組織學科和產(chǎn)業(yè)分工，這種分類沿襲了約40年。現(xiàn)代分類：按計算機的嵌入式應用和非嵌入式應用將其分為通用計算機和嵌入式計算機。通用計算機即通常所說的個人計算機(PC)，嵌入式計算機即是指嵌入式系統(tǒng)。1)嵌入式系統(tǒng)的定義 嵌入式系統(tǒng)的定義

嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對象體系中的專用計算機系統(tǒng)。微波爐、空調、小汽車、數(shù)碼相機等都由一個計算機系統(tǒng)來控制，或者說計算機系統(tǒng)嵌入在其中。微波爐中的計算機系統(tǒng)—一種嵌入式系統(tǒng)微波爐—一種具體的嵌入式系統(tǒng)1)嵌入式系統(tǒng)的定義 IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）定義：

嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設備的裝置”（原文為devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。

2)嵌入式系統(tǒng)與PC的區(qū)別嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設計、“量體裁衣”、去除冗余，力爭在較少的資源上實現(xiàn)更高的性能；PC的軟硬件都很龐大、臃腫。嵌入式系統(tǒng)的目標代碼通常是固化在非易失性存儲器（ROM，EPROM，EEPROM，F(xiàn)LASH）芯片中；PＣ放在硬盤中。2)嵌入式系統(tǒng)與PC的區(qū)別嵌入式系統(tǒng)使用的操作系統(tǒng)一般是實時操作系統(tǒng)（RTOS），系統(tǒng)有實時性約束；PC無此限制。嵌入式系統(tǒng)需要專用開發(fā)工具和方法進行設計——交叉開發(fā)；PC直接開發(fā)。PC為通用計算機系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)為專用計算機系統(tǒng)通用PC軟、硬件技術高度壟斷；嵌入式系統(tǒng)技術不容易被壟斷。3)嵌入式系統(tǒng)與

單片機系統(tǒng)的區(qū)別嵌入式系統(tǒng)通常指基于32位微處理器設計的系統(tǒng)（往往帶操作系統(tǒng)）；單片機系統(tǒng)指基于4位、8位與16位微處理器設計（不使用操作系統(tǒng)）的系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)設計的核心是軟件設計，約占70%左右的工作量，硬件只占30%；單片機系統(tǒng)軟硬件設計工作所占比例基本相同，即約為1：13)嵌入式系統(tǒng)與

單片機系統(tǒng)的區(qū)別嵌入式軟件職位與硬件職位的需求比約為7:3，單片機系統(tǒng)約為1：1，甚至軟硬件職位不分。單片機系統(tǒng)可看作是低端嵌入式系統(tǒng)，而以32位微處理器為代表的嵌入式系統(tǒng)則是中、高端嵌入式系統(tǒng)。4)嵌入式系統(tǒng)的特征嵌入式系統(tǒng)中至少有一片微處理器，是一專用計算機系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)軟、硬件根據(jù)需要進行定制，一般有功耗低、體積小、集成度高、成本低、可靠性高、時時性強等要求。具體要求隨應用環(huán)境而異。嵌入式系統(tǒng)采取交叉開發(fā)方式進行開發(fā)5)嵌入式系統(tǒng)的應用消費電子嵌入式應用信息家電智能玩具軍事電子通信設備移動存貯工控設備智能儀表汽車電子網(wǎng)絡設備工業(yè)軍事國防電子商務網(wǎng)絡國防工業(yè)、軍事工業(yè)、兵器工業(yè)：各種武器控制（火炮控制、導彈控制、智能炸彈制導引爆裝置）、坦克、艦艇、轟炸機等陸海空各種軍用電子裝備，雷達、電子對抗軍事通信裝備，野戰(zhàn)指揮作戰(zhàn)用各種專用設備等。我國嵌入式計算機最早用于導彈控制。5)嵌入式系統(tǒng)的應用信息家電、民用設備：各種信息家電產(chǎn)品，如數(shù)字電視機、機頂盒，數(shù)碼相機，VCD、DVD音響設備，可視電話，家庭網(wǎng)絡設備，洗衣機，網(wǎng)絡冰箱，網(wǎng)絡空調，智能玩具，其他消費類電子產(chǎn)品等。5)嵌入式系統(tǒng)的應用工業(yè)：各種智能測量儀表、智能卡、數(shù)控裝置、可編程控制器、控制機、分布式控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線儀表及控制系統(tǒng)、工業(yè)機器人、智能機器人、智能傳感器、機電一體化機械設備、車載導航器、汽車電子設備、車輛與交通工程等。5)嵌入式系統(tǒng)的應用商業(yè)：各類收款機、電子秤、條形碼閱讀機、商用終端、銀行點鈔機、IC卡輸入設備、取款機、自動柜員機、自動服務終端、防盜系統(tǒng)、各種銀行專業(yè)外圍設備、智能金融器具、遠程教育。5)嵌入式系統(tǒng)的應用辦公自動化：復印機、打印機、傳真機、掃描儀、其他計算機外圍設備、掌上電腦、激光照排系統(tǒng)、安全監(jiān)控設備、媒體手機、移動電話、尋呼機、個人數(shù)字助理（PDA）、變頻空調設備、通信終端、程控交換機、網(wǎng)絡瀏覽器、網(wǎng)絡設備（路由器、交換機、Webserver、網(wǎng)絡接入盒等）、網(wǎng)絡工程、錄音錄象及電視會議設備、數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)等。5)嵌入式系統(tǒng)的應用5)嵌入式系統(tǒng)的應用交通管理、環(huán)境監(jiān)測中的應用：

車輛導航、流量控制、信息監(jiān)測、汽載GPS設備；水文資料實時監(jiān)測，防洪體系及水土質量監(jiān)測、堤壩安全、地震監(jiān)測網(wǎng)、實時氣象信息網(wǎng)、水源和空氣污染監(jiān)測。加油站停車場管理……醫(yī)療保健設備：各種醫(yī)療電子儀器，X光機、超聲診斷儀、計算機斷層成像系統(tǒng)、心臟起博器、監(jiān)護儀、輔助診斷系統(tǒng)、遠程醫(yī)療、專家系統(tǒng)等。其他領域：農(nóng)業(yè)技術、光學系統(tǒng)、氣象預報、衛(wèi)星通信網(wǎng)、數(shù)字通信、移動數(shù)據(jù)庫、語音處理。5)嵌入式系統(tǒng)的應用第1章嵌入式系統(tǒng)概述13254嵌入式系統(tǒng)基本概念嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式應用軟件嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)軟件硬件2嵌入式系統(tǒng)的組成操作系統(tǒng)硬件2嵌入式系統(tǒng)的組成應用軟件普通微機的組成或操作系統(tǒng)硬件2嵌入式系統(tǒng)的組成應用軟件中間芯片為:ARM嵌入式操作系統(tǒng)：UC/OS或者linux等在嵌入式系統(tǒng)上編程--應用程序2嵌入式系統(tǒng)的組成中間芯片為:ARM嵌入式操作系統(tǒng)：UC/OS或者linux等在嵌入式系統(tǒng)上編程--應用程序1、嵌入式操作系統(tǒng)的內核存放在flash存儲器中（移植）2、內核中需要添加設備驅動程序3、flash中需要存放系統(tǒng)引導bootloader2嵌入式系統(tǒng)的組成

嵌入式系統(tǒng)為一個專用計算機系統(tǒng)，具有普通計算機系統(tǒng)的共同特征，可看作由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)組成。基于S3C44B0X嵌入式結構1)嵌入式系統(tǒng)硬件MPU微處理器電源模塊時鐘復位RAMROMUSBLCDKeyboard外圍電路Other外設I/O1)嵌入式系統(tǒng)硬件外圍電路RAM：隨機存取存儲器，

SRAM：靜態(tài)隨機存儲器，速度高，體積大，成本高，無需刷新，片上用

DRAM：動態(tài)隨機存儲器，速度低，體積小，成本低，需刷新，片外用ROM：只讀存儲器FLASH，閃存EEPROM，電可擦除的只讀存儲器1)嵌入式系統(tǒng)硬件電源模塊：提供嵌入式系統(tǒng)所需電源，一般為±3/5VDC時鐘：提供嵌入式系統(tǒng)所需時鐘信號，可由一外部時鐘源或一晶振電路產(chǎn)生復位電路：提供嵌入式系統(tǒng)復位信號，可由專用芯片產(chǎn)生I/O：輸入/輸出接口，提供嵌入式處理器與外設之間連接所需的控制信號及數(shù)據(jù)通道，是嵌入式系統(tǒng)中最龐大的部分外設：外部設備，鍵盤、LCD、USB接口等1)嵌入式系統(tǒng)硬件微處理器：嵌入式系統(tǒng)最關鍵的部分ARM7系列ARM9系列ARM9E系列ARM10E系列SecurCore系列Inter的XscaleInter的StrongARMARM公司開發(fā)了很多系列的ARM處理器核，目前最新的系列已經(jīng)是ARM11。2)嵌入式系統(tǒng)軟件應用軟件系統(tǒng)軟件-操作系統(tǒng)啟動程序（BootLoader）2)嵌入式系統(tǒng)軟件BootLoader是什么？BootLoader是嵌入式系統(tǒng)上電復位后執(zhí)行的第一個程序-開機程序，負責初始化硬件、裝載代碼到RAM等工作。PC機中類似工作由BIOS（BasicInput/OutputSystem）完成，嵌入式系統(tǒng)中無通用BIOS，用戶必須自行編寫B(tài)ootLoader程序。嵌入式系統(tǒng)的啟動通常有兩種方式，一種是直接從Flash啟動，另一種是可以將壓縮的內存映像文件從Flash中復制、解壓到RAM，再從RAM啟動。2)嵌入式系統(tǒng)軟件BootLoader完成基本軟硬件環(huán)境初始化后，若有操作系統(tǒng)，則將控制權轉交操作系統(tǒng)；若沒有操作系統(tǒng)，則直接執(zhí)行應用程序或等待用戶命令第1章嵌入式系統(tǒng)概述13254嵌入式系統(tǒng)基本概念嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式應用軟件嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)3嵌入式處理器3嵌入式處理器嵌入式微控制器MCU（MicrocontrolUnit）嵌入式微控制器主要用于控制領域，典型代表是8051系列、PIC系列的4位、８位及16單片機。單片機芯片內部集成ROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A等各種適宜控制用的功能模塊和外設。MCU用于低端嵌入式系統(tǒng)3嵌入式處理器嵌入式DSP（DigitalSignalProcessor）

DSP是專門用于信號處理方面的處理器，在系統(tǒng)結構和指令算法方面進行了特殊設計。如采用哈佛體系結構（如下圖），硬件乘法器、硬件乘累加器。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析、音視頻處理等各種儀器上獲得了大規(guī)模的應用。

DSP芯片商有TI（德州儀器）、Motorloa、Lucent等。DSP主要用于需進行音視頻處理的嵌入式系統(tǒng)3嵌入式處理器嵌入式微處理器MPU(MicroProcessorUnit)MPU是由通用計算機中的CPU演變而來的，主要類型有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、Sparc、ARM/StrongARM等系列MPU用于中高端嵌入式系統(tǒng)中，為通用嵌入式處理器3嵌入式處理器嵌入式片上系統(tǒng)SoC（SystemonChip）SoC將許多功能模塊做在一個芯片上。如將USB、TCP/IP、GPRS、GSM、IEEE1394、藍牙等模塊都集成在一塊芯片上，而這些單元以往都是一個個獨立的IC。3嵌入式處理器SoC在聲音、圖像、影視、網(wǎng)絡等應用領域中將發(fā)揮重要作用。嵌入式系統(tǒng)微處理器在中國的發(fā)展：中國龍芯，多媒體處理芯片珠海矩力的MP3/4，音頻處理SoC，歐比特的S698，稅控機用SoC上海交大和上海高清的HD2802A、HD2201A，數(shù)字高清晰度電視系列芯片。SoC的變種SoPC

(SystemOnProgrammableChip)，即可編程片上系統(tǒng)，其結合了SoC和PLD/FPGA各自的技術優(yōu)點，使得系統(tǒng)具有可編程的功能，是可編程邏輯器件在嵌入式應用中的完美體現(xiàn)，極大的提高了系統(tǒng)的在線升級、換代能力。嵌入式處理器的以上劃分是歷史上形成的，并不一定合理，實際上有時很難將一款嵌入式處理器歸為以上的哪一類。所以往往不加區(qū)分地統(tǒng)統(tǒng)稱為嵌入式處理器。3嵌入式處理器第1章嵌入式系統(tǒng)概述13254嵌入式系統(tǒng)基本概念嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式應用軟件嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)4嵌入式操作系統(tǒng)

1)嵌入式操作系統(tǒng)概述2)典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹1)嵌入式操作系統(tǒng)概述嵌入式操作系統(tǒng)一般僅指操作系統(tǒng)的內核（或者微內核），其他部分（如窗口界面、文件、以及通訊協(xié)議等模塊）則不被包括，可以另外選擇。嵌入式操作系統(tǒng)通常提供以下管理功能多任務管理存儲管理周邊資源管理中斷管理1)嵌入式操作系統(tǒng)概述大多嵌入式系統(tǒng)應用在實時環(huán)境中，因此嵌入式操作系統(tǒng)跟實時（Real-Time）操作系統(tǒng)密切聯(lián)系在一起，但嵌入式操作系統(tǒng)并非都是實時系統(tǒng)。實時操作系統(tǒng)可再分為硬實時與軟實時兩類

2)典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹嵌入式操作系統(tǒng)有近百種，典型的有：Linux、

WindowsCE、VxWorks、Psos、PalmOS、OS-9LynxOS、QNX、LYNX、μC/OS-II。2)典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹VxWorks美國WindRiver公司于1983年設計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），具有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實時操作系統(tǒng)領域牢牢占據(jù)著一席之地。顯著特點是：可靠性、實時性和可裁減性好。支持多種處理器，如x86、i960、SunSparc、MotorolaMC68xxx、MIPS、POWERPC等。2)典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹WindowsCE微軟開發(fā)的一種針對小容量、移動式、智能化32位設備的模塊化實時嵌入式操作系統(tǒng)。主要用于手機、掌上電腦、GPS等不夠實時，屬于軟實時操作系統(tǒng)，由于其Windows背景，界面比較統(tǒng)一認可。操作系統(tǒng)的基本內核需要至少200K的ROM。2)典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹PalmOS著名的網(wǎng)絡設備制造商3COM旗下的PalmComputing掌上電腦公司的產(chǎn)品。PalmOS在PDA市場上占有很大的市場份額，PalmOS的市場份額占到將近90%，最近下降70％，目前主要與WINCE進行激烈競爭。2)典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹

QNX加拿大QNX公司的產(chǎn)品QNX是一個實時的、可擴充的操作系統(tǒng)，它部分遵循POSIX相關標準，由于QNX具有強大的圖形界面功能，因此很適合作為機頂盒、手持設備（手掌電腦、手機）、GPS設備的實時操作系統(tǒng)使用。2)典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹uC/OS-II

源碼開放、可裁剪、結構小巧、搶先式、實時、多任務（64個任務，分0~63級）。內核最小可達2K，包括信號量、消息隊列及相關函數(shù)等全部功能的內核僅為6~10k.已移植到40多種處理器上。不支持文件系統(tǒng),無GUI。適用于小型控制系統(tǒng)。經(jīng)過美國聯(lián)幫航空管理局認證,可用于商用飛機.2)典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹Linux源碼開放、網(wǎng)絡功能強、內核小、功能強大、運行穩(wěn)定、系統(tǒng)健壯、效率高，易于定制剪裁、不僅支持x86CPU，還可以支持其他數(shù)十種CPU芯片，故在嵌入式領得到廣泛應用。在嵌入式領域應用的Linux通常有以下幾種：Linux，通用操作系統(tǒng)、非實時，服務器用得多RTLinux（RealTimeLinux)，針對實時應用開發(fā)的LinuxClinux(MicroControlLinux)，針對無MMU的微處理器開發(fā)的Linux2)典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹Andriod：針對手機應用開發(fā)的，由內核、中間件、用戶界面和應用軟件組成的開發(fā)平臺。BruceScharlau,UniversityofAberdeen,2010中間件層：由函數(shù)庫和Android運行時構成函數(shù)庫。主要提供一組基于C/C++函數(shù)庫，包括：SurfaceManager，支持顯示子系統(tǒng)的訪問，提供應用程序與2D、3D圖像層的平滑連接MediaFramework，實現(xiàn)音視頻的播放和錄制功能SQLite，輕量級的關系數(shù)據(jù)庫引擎OpenGLES，基于3D圖像加速FreeType，位圖與矢量字體渲染W(wǎng)ebKit，Web瀏覽器引擎SGL,2D圖像引擎SSL，數(shù)據(jù)加密與安全傳輸?shù)暮瘮?shù)庫Libc，標準C運行庫，Linux系統(tǒng)中底層應用程序開發(fā)接口2)典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹2)典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹Android運行時構成核心庫，提供Android系統(tǒng)的特有函數(shù)功能和Java語言函數(shù)功能Dalvik虛擬機，實現(xiàn)基于Linux內核的線程管理和底層內存管理2)典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹應用程序框架ResourceManager，允許應用程序使用非代碼資源LocationManager，管理與地圖相關的服務功能NotificationManager，允許應用程序在狀態(tài)欄中顯示提示信息2)典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹應用程序提供一系列的核心應用程序包括電子郵件客戶端、瀏覽器、通訊錄和日歷等第1章嵌入式系統(tǒng)概述13254嵌入式系統(tǒng)基本概念嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式應用軟件嵌入式微處理器嵌入式操作系統(tǒng)5嵌入式應用軟件1)嵌入式軟件交叉開發(fā)環(huán)境

2)嵌入式應用軟件開發(fā)的基本流程 3)嵌入式軟件的可移植性1)嵌入式軟件交叉開發(fā)環(huán)境交叉開發(fā)是指在一臺通用計算機上進行軟件的編輯、編譯及連接，然后下載到嵌入式設備中進行調試的開發(fā)方法。通用PC稱為宿主機，嵌入式設備稱為目標機。交叉開發(fā)環(huán)境通常用包括:集成開發(fā)環(huán)境IDE（IntergratedDevelopmentEnvironment）調試仿真器評估板。PCIDE一般為一個整合了編輯、編譯、匯編、鏈接、調試、工程管理及函數(shù)庫等功能模塊的軟件平臺ARM公司ADS、SDTIDE，Embest公司EmbestIDE等。1)嵌入式軟件交叉開發(fā)環(huán)境調試仿真器指令集模擬器:一種利用PC機端的仿真開發(fā)軟件進行模擬調試的方法----軟件仿真器。JTAG仿真器:基于JTAG的ICD（In-CircuitDebugger）,