嵌入式系統(tǒng)原理與開(kāi)發(fā)(第三版)課件：嵌入式系統(tǒng)概述

嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展

1.2嵌入式系統(tǒng)的概念

1.3嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域

1.4嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

思考與練習(xí)題

1.1嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展

嵌入式系統(tǒng)起源于微型計(jì)算機(jī)時(shí)代。20世紀(jì)70年代，微處理器的出現(xiàn)使得計(jì)算機(jī)發(fā)生了歷史性的變化，以微處理器為核心的微型計(jì)算機(jī)走出機(jī)房，深入到千家萬(wàn)戶。這一時(shí)期被人們稱為PC時(shí)代。

由微型機(jī)不斷強(qiáng)大的計(jì)算能力所表現(xiàn)出來(lái)的智能化水平，人們首先想到的就是將其用于自動(dòng)控制領(lǐng)域中。然而更多的場(chǎng)合要求將計(jì)算機(jī)嵌入到對(duì)象體系中，實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系的智能化控制在如此眾多的應(yīng)用背景下，這類計(jì)算機(jī)便逐漸失去了原來(lái)的形態(tài)和通用的計(jì)算功能，從而成為一種嵌入到對(duì)象體系中，實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系智能化控制的計(jì)算機(jī)，我們稱之為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱嵌入式系統(tǒng)。分析嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的產(chǎn)生背景，可以發(fā)現(xiàn)它與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有著完全不同的技術(shù)要求和技術(shù)發(fā)展方向。通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要求的是高速、海量的數(shù)值運(yùn)算，在技術(shù)發(fā)展方向上追求總線速度的不斷提升、存儲(chǔ)容量的不斷擴(kuò)大。而嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要求的是對(duì)象體系的智能化控制能力，在技術(shù)發(fā)展方向上追求針對(duì)特定對(duì)象系統(tǒng)的嵌入性、專用性和智能化。這種技術(shù)發(fā)展的分歧導(dǎo)致20世紀(jì)末計(jì)算機(jī)進(jìn)入了通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兩大分支并行發(fā)展的時(shí)期。這一時(shí)期被人們稱為后PC時(shí)代。?世界上最早的單片機(jī)是1976年Intel公司開(kāi)發(fā)的8048，幾年后Intel公司又在它的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了著名的8051，同時(shí)期的還有Motorola公司的68HC05、Zilog公司的Z80等。Philips公司又進(jìn)一步將MCS-51發(fā)展成為MCU(MicroControllerUnit，微控制器)。單片機(jī)一般都集成了8/16位微處理器、RAM、ROM、串口、并口、定時(shí)器、ADC/DAC、看門狗、PWM定時(shí)器、中斷控制器等。用戶在單片機(jī)的外圍增加若干接口電路、設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制程序就可以實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用。單片機(jī)被廣泛用于消費(fèi)電子、醫(yī)療電子、智能控制、通信、儀器儀表、工業(yè)控制、安全報(bào)警、交通管理等各領(lǐng)域。根據(jù)應(yīng)用的需求，單片機(jī)的發(fā)展方向主要有兩個(gè)：一個(gè)是提升CPU的性能，如提高微處理器的運(yùn)行速度、降低芯片的功耗等；另一個(gè)是擴(kuò)充各種功能，把各種不同的外圍設(shè)備繼續(xù)向芯片內(nèi)部集成，并與成本相結(jié)合，衍生出面向不同應(yīng)用的各種型號(hào)。

數(shù)字信號(hào)處理(DigitalSignalProcessing，DSP)在20世紀(jì)60～70年代主要處于理論研究階段。進(jìn)入80年代，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了DSP器件，這些器件的出現(xiàn)使得各種DSP的算法得以實(shí)現(xiàn)，使DSP從僅限于理論研究進(jìn)而推廣到實(shí)際應(yīng)用。1983年，美國(guó)TI公司推出TMS320系列的第一個(gè)產(chǎn)品，標(biāo)志著實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的重大突破。DSP技術(shù)的迅速發(fā)展，使其應(yīng)用范圍拓展到通信、控制、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。

20世紀(jì)80年代后，嵌入式系統(tǒng)的另一個(gè)發(fā)展來(lái)源得益于軟件技術(shù)的進(jìn)步，一方面體現(xiàn)在編程語(yǔ)言上，另一方面體現(xiàn)在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的使用上。20世紀(jì)80年代初，一些軟件公司開(kāi)始推出商業(yè)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和各種開(kāi)發(fā)工具，如ReadySystem公司的VRTX和XRAY，IntegratedSystemIncorporation(ISI)的pSOS和PRISM+，WindRiver公司的VxWorks和Tornado，QNX公司的QNX等。嵌入式系統(tǒng)的全面發(fā)展是從20世紀(jì)90年代開(kāi)始的，主要被分布式控制、數(shù)字化通信、信息家電、網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用需求所牽引?，F(xiàn)在，人們可以隨處發(fā)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，如手機(jī)、MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)、VCD、機(jī)頂盒、路由器、交換機(jī)等。嵌入式系統(tǒng)在軟、硬件技術(shù)方面迅速發(fā)展：首先，面向不同應(yīng)用領(lǐng)域、功能更加強(qiáng)大、集成度更高、種類繁多、價(jià)格低廉、低功耗的32位微處理器逐漸占領(lǐng)統(tǒng)治地位，DSP器件向高速、高精度、低功耗發(fā)展，而且可以和其他的嵌入式微處理器相集成；其次，隨著微處理器性能的提高，嵌入式軟件的規(guī)模也呈指數(shù)型增長(zhǎng)，所體現(xiàn)出的嵌入式應(yīng)用具備了更加復(fù)雜和高度智能的功能，軟件在系統(tǒng)中體現(xiàn)出來(lái)的重要程度越來(lái)越大，嵌入式操作系統(tǒng)在嵌入式軟件中的使用越來(lái)越多，所占的比例逐漸提高，同時(shí)，嵌入式操作系統(tǒng)的功能不斷豐富，在內(nèi)核基礎(chǔ)上發(fā)展成為包括圖形接口、文件、網(wǎng)絡(luò)、嵌入式Java、嵌入式CORBA、分布式處理等完備功能的集合；最后，嵌入式開(kāi)發(fā)工具更加豐富，已經(jīng)覆蓋了嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程的各個(gè)階段，現(xiàn)在主要向著集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和友好人機(jī)界面等方向發(fā)展。

1.2嵌入式系統(tǒng)的概念

1.2.1嵌入式系統(tǒng)的定義

《嵌入式計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理》里這樣定義：“不嚴(yán)格地說(shuō)：它是任意包含一個(gè)可編程計(jì)算機(jī)的設(shè)備，但是這個(gè)設(shè)備不是作為通用計(jì)算機(jī)而設(shè)計(jì)的。因此，一臺(tái)個(gè)人電腦并不能稱之為嵌入式計(jì)算系統(tǒng)，盡管個(gè)人電腦經(jīng)常被用于搭建嵌入式計(jì)算系統(tǒng)?！?/p>

IEEE(國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì))的定義是：“Deviceusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants”。微機(jī)學(xué)會(huì)的定義是：“嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應(yīng)用為目的的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，并將其分為系統(tǒng)級(jí)、板級(jí)、片級(jí)。系統(tǒng)級(jí)包括各類工控器、PC104模塊等；板級(jí)包括各類帶CPU的主板和OEM產(chǎn)品；片級(jí)包括各種以單片機(jī)、DSP、微處理器為核心的產(chǎn)品。

目前被大多數(shù)人接受的一般性定義是：“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)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積和功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?！?/p>

1.2.2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

1．專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

(1)形式多樣。在共同的基本計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)上，針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)造不盡相同，處理器、硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等種類繁多。不同的嵌入式微處理器的體系結(jié)構(gòu)和類型的適應(yīng)面不同。嵌入式系統(tǒng)工業(yè)成為不可壟斷、高度分散的工業(yè)。

(2)對(duì)運(yùn)行環(huán)境的依賴性。在眾多應(yīng)用背景下，溫度、濕度、震動(dòng)、干擾、輻射等因素構(gòu)成了嵌入式系統(tǒng)賴以生存的環(huán)境，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就需要充分考慮其運(yùn)行環(huán)境的各種因素。

(3)綜合考慮成本、資源、功耗、體積因素。這些原本在基于通用計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需考慮或無(wú)需過(guò)多考慮的因素，在基于專用計(jì)算平臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都需要充分考慮。對(duì)于大量的消費(fèi)類數(shù)字化產(chǎn)品，成本是影響產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素之一。為了節(jié)省成本，就必須精簡(jiǎn)使用和合理利用資源。進(jìn)一步講，在很多情況下，由于環(huán)境、功耗、體積等因素的存在，系統(tǒng)能夠使用的資源可能會(huì)受到限制。

(4)軟、硬件緊密結(jié)合，高效設(shè)計(jì)。嵌入式微處理器與通用微處理器的最大區(qū)別在于每種嵌入式微處理器大多專用于某種或幾種特定應(yīng)用，工作在為特定用戶群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中。它通常具有功耗低、體積小、集成度高等特點(diǎn)。把通用微處理器中許多由板卡完成的功能集成在芯片內(nèi)部，有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)小型化，增強(qiáng)移動(dòng)能力，增強(qiáng)與網(wǎng)絡(luò)的耦合度。嵌入式軟件是應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)兩種軟件的一體化程序。對(duì)于嵌入式軟件而言，系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的界限并不明顯，原因在于嵌入式環(huán)境下應(yīng)用系統(tǒng)的配置差別較大，所需操作系統(tǒng)的裁剪配置不同，I/O操作沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化，驅(qū)動(dòng)程序通常需要自行設(shè)計(jì)。

2．代碼固化

3．實(shí)時(shí)性要求

4．可靠性要求

5．操作系統(tǒng)的支持

6．專門的開(kāi)發(fā)工具、環(huán)境和方法

交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境由宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)組成，如圖1-1所示。圖1-1交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境

7．知識(shí)集成系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的專用技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。這一特點(diǎn)決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和巨大的發(fā)展?jié)摿σ咽顾蔀?1世紀(jì)IT技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。1.2.3嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，嵌入式系統(tǒng)雖然呈現(xiàn)出不同的外觀和形式，但是其核心的計(jì)算系統(tǒng)仍然可以抽象出一個(gè)典型的組成模型。嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)一般可劃分為硬件層、中間層、軟件層和功能層，如圖1-2所示。圖1-2嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

1．硬件層

硬件層由嵌入式微處理器、存儲(chǔ)系統(tǒng)、通信接口、人機(jī)交互接口、其他I/O接口(A/D、D/A、通用I/O等)以及電源等組成。嵌入式系統(tǒng)的硬件層以嵌入式微處理器為核心，附帶有電源電路、時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)器電路(RAM和ROM等)。它們共同構(gòu)成了一個(gè)嵌入式核心控制模塊，操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以固化在ROM中。

2．中間層

硬件層與軟件層之間為中間層，它把系統(tǒng)軟件與底層硬件部分隔離，使得系統(tǒng)的底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與硬件無(wú)關(guān)。中間層一般包括硬件抽象層(HardwareAbstractLayer，HAL)和板級(jí)支持包(BoardSupportPackage，BSP)。

3．軟件層

軟件層由實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RealTimeOperatingSystem，RTOS)、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口(GraphicalUserInterfaces，GUI)、網(wǎng)絡(luò)組件組成。RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開(kāi)發(fā)平臺(tái)。大多數(shù)RTOS都是針對(duì)不同微處理器優(yōu)化設(shè)計(jì)的高效實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，可以在不同微處理器上運(yùn)行而為用戶提供相同的API接口。因此，基于RTOS開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序具有非常好的可移植性。

4．功能層

功能層由基于RTOS開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序組成，用來(lái)完成實(shí)際所需的應(yīng)用功能。功能層是面向被控對(duì)象和用戶的，當(dāng)用戶操作時(shí)往往需要提供一個(gè)友好的人機(jī)界面。1.2.4嵌入式系統(tǒng)的分類

嵌入式系統(tǒng)可按照嵌入式微處理器的位數(shù)、實(shí)時(shí)性、軟件結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用領(lǐng)域等進(jìn)行分類。

1．按照嵌入式微處理器的位數(shù)分類

按照嵌入式微處理器字長(zhǎng)的位數(shù)，嵌入式系統(tǒng)可分為4位、8位、16位、32位和64位。

2．按照實(shí)時(shí)性分類

實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指系統(tǒng)執(zhí)行的正確性不僅取決于計(jì)算的邏輯結(jié)果，還取決于結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)是否具有實(shí)時(shí)性，可將其分為嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)和嵌入式非實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

3．按照嵌入式軟件結(jié)構(gòu)分類

按照嵌入式軟件的結(jié)構(gòu)分類，嵌入式系統(tǒng)可分為循環(huán)輪詢系統(tǒng)、前后臺(tái)系統(tǒng)和多任務(wù)系統(tǒng)。

1)循環(huán)輪詢系統(tǒng)

循環(huán)輪詢(pollingloop)是最簡(jiǎn)單的軟件結(jié)構(gòu)，程序依次檢查系統(tǒng)的每個(gè)輸入條件，如果條件成立就執(zhí)行相應(yīng)處理。其流程圖如圖1-3所示。圖1-3循環(huán)輪詢流程圖

2)前后臺(tái)系統(tǒng)

前后臺(tái)(foreground/background)系統(tǒng)屬于中斷驅(qū)動(dòng)機(jī)制。后臺(tái)程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，通過(guò)調(diào)用函數(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操作，又稱任務(wù)級(jí)。前臺(tái)程序是中斷處理程序，用來(lái)處理異步事件，又稱中斷級(jí)。設(shè)計(jì)前后臺(tái)的目的主要是通過(guò)中斷服務(wù)來(lái)保證時(shí)間性很強(qiáng)的關(guān)鍵操作(criticaloperation)。通常情況下，中斷只處理需要快速響應(yīng)的事件，將輸入/輸出數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存的緩沖區(qū)里，再向后臺(tái)發(fā)信號(hào)，由后臺(tái)來(lái)處理這些數(shù)據(jù)，如運(yùn)算、存儲(chǔ)、顯示、打印等。其流程圖如圖1-4所示。圖1-4前后臺(tái)系統(tǒng)流程圖

3)多任務(wù)系統(tǒng)

對(duì)于較復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)而言，許多互不相關(guān)的過(guò)程有時(shí)需要計(jì)算機(jī)同時(shí)處理，在這種情況下就需要采用多任務(wù)(multitasking)系統(tǒng)。采用多任務(wù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件有利于降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可維護(hù)性。

多任務(wù)系統(tǒng)的軟件由多個(gè)任務(wù)、多個(gè)中斷服務(wù)程序以及嵌入式操作系統(tǒng)組成。任務(wù)是順序執(zhí)行的，并行性通過(guò)操作系統(tǒng)完成。操作系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)任務(wù)切換、任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間以及任務(wù)與中斷服務(wù)程序之間的通信、同步、互斥、實(shí)時(shí)時(shí)鐘管理、中斷管理等。其流程圖如圖1-5所示。圖1-5多任務(wù)系統(tǒng)流程圖多任務(wù)系統(tǒng)的特點(diǎn)包括如下內(nèi)容：

(1)每個(gè)任務(wù)都是一個(gè)無(wú)限循環(huán)的程序，等待特定的輸入，從而執(zhí)行相應(yīng)的處理。

(2)這種程序模型將系統(tǒng)分成相對(duì)簡(jiǎn)單、相互合作的模塊。

(3)不同的任務(wù)共享同一個(gè)CPU和其他硬件，嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)這些共享資源進(jìn)行管理。

(4)多個(gè)順序執(zhí)行的任務(wù)在宏觀上看是并行執(zhí)行的，每個(gè)任務(wù)都運(yùn)行在自己獨(dú)立的CPU上。

表1-1對(duì)這三種系統(tǒng)的優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。表1-1三種系統(tǒng)的比較

4．按照應(yīng)用領(lǐng)域分類

按照應(yīng)用領(lǐng)域分類，嵌入式系統(tǒng)可分為信息家電類、消費(fèi)電子類、醫(yī)療電子類、移動(dòng)終端類、通信類、汽車電子類、工業(yè)控制類、航空電子類、軍事電子類等。 1.3嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域

1．消費(fèi)電子領(lǐng)域

隨著技術(shù)的發(fā)展，消費(fèi)電子產(chǎn)品正向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。嵌入式技術(shù)和其他電子技術(shù)緊密結(jié)合，應(yīng)用到各種消費(fèi)電子產(chǎn)品中，產(chǎn)生出各種新型的產(chǎn)品，使產(chǎn)品的功能和性能都大大提高。

2．通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域

通信領(lǐng)域大量應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)，主要包括程控交換機(jī)、路由器、IP交換機(jī)和其他傳輸設(shè)備等。隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，xDSLModem/Router等設(shè)備的數(shù)量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在企業(yè)和家庭網(wǎng)絡(luò)中，這些主要基于32位的嵌入式系統(tǒng)將提供更加廉價(jià)、方便、靈活的網(wǎng)絡(luò)解決方案。

3．工業(yè)控制領(lǐng)域

在工業(yè)控制領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用于各種智能儀器儀表、數(shù)控裝置、可編程控制器、分布式控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線儀表及控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、機(jī)電一體化設(shè)備等。

4．汽車電子領(lǐng)域

據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般家用汽車大約擁有24個(gè)以上的嵌入式微處理器，高檔汽車中大約有60個(gè)以上的嵌入式微處理器在工作。圖1-6所示為VOLVOS80汽車的CAN總線網(wǎng)絡(luò)。圖1-6VOLVOS80汽車的CAN總線網(wǎng)絡(luò)

5．醫(yī)療儀器領(lǐng)域

在醫(yī)療儀器領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用在各種醫(yī)療電子儀器中，如X光機(jī)、超聲診斷儀、計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)、心臟起搏器、監(jiān)護(hù)儀、輔助診斷系統(tǒng)和專家系統(tǒng)等。

6．航空航天與軍事領(lǐng)域

嵌入式系統(tǒng)最早的應(yīng)用是在軍事和航空航天領(lǐng)域。目前軍事應(yīng)用的范圍繼續(xù)拓展，如各種武器控制系統(tǒng)(火炮控制、導(dǎo)彈控制、智能炸彈的制導(dǎo)引爆)，坦克、艦艇、戰(zhàn)斗機(jī)等陸、海、空軍用電子裝備，雷達(dá)、電子對(duì)抗軍事通信裝備，各種野戰(zhàn)指揮作戰(zhàn)專用設(shè)備等。航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用更是不勝枚舉，航空電子設(shè)備、衛(wèi)星、導(dǎo)航、航天測(cè)控等系