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1、共56页,1,1,第1章 嵌入式系统基础 1学时,本章主要内容,1、嵌入式系统简介；,2、嵌入式处理器；,3、嵌入式系统开发环境；,4、嵌入式操作系统。,共56页,2,2,本章教学要求,1、了解,2、理解,嵌入式系统的特点，嵌入式系统的应用，嵌入式处理器，常见的嵌入式操作系统。,嵌入式计算机系统 与 通用计算机系统，开发环境，嵌入式操作系统，实时操作系统。,共56页,3,3、掌握,嵌入式系统定义，嵌入式系统的组成，嵌入式系统的分类，嵌入式处理器的选择，开发工具的选择，硬件调试工具的选择，软件组件的选择。,共56页,4,4,1.1 嵌入式系统简介,1.1.1 嵌入式系统定义,（1）嵌入式系统定义
2、,嵌入到 对象体系 中的专用计算机系统。嵌入性、专用型 与 计算机系统 是嵌入式系统的 三个基本要素。对象系统 则是指嵌入式系统所嵌入的 宿主系统。,（2）对嵌入式系统的理解,嵌入式系统是 面向用户、面向产品、面向应用的；,共56页,5,5,嵌入式系统 是将 先进的计算机技术、半导体技术、电子技术 和 各个行业的具体应用 相结合的产物；,嵌入式系统 必须根据应用需求对 软硬件进行裁剪，满足应用系统的 功能、可靠性、成本、体积等要求。,凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统。嵌入式系统在功能上可以是独立的系统，如：网络路由器。,共56页,6,6,1.1.2 嵌入式系统的
3、组成,包括 硬件 和 软件 两部分。硬件部分是整个系统的物理基础，它提供软件运行平台和通信接口；软件部分实际控制系统的运行。,（1）嵌入式系统硬件部分,嵌入式系统的硬件包括：核心处理器、外围电路 和 外部设备三部分，如下图所示：,共56页,7,共56页,8,8,核心处理器,嵌入式系统的硬件层的 核心 是嵌入式微处理器。,嵌入式微处理器 与 通用 CPU 的最大的不通在于：嵌入式微处理器大都工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将 通用CPU 许多由板卡 完成的任务集成在 芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。,共56页,9,9,A、嵌入式微处理器的体
4、系结构和指令系统,B、冯.诺依曼体系结构,可以采用 冯.诺依曼体系结构 和 哈佛体系结构；指令系统可以采用 精简指令系统 和 复杂指令系统。,冯.诺依曼结构 也称为 普林斯顿结构，是一种将 程序指令存储器 和 数据存储器 合并在一起的存储器结构。,程序指令 和 数据的宽度相同。,共56页,10,C、哈佛结构,哈佛结构：是一种将 程序指令存储 和 数据存储 分开的存储器结构。,程序指令存储 和 数据存储 分开，可以使 指令 和 数据 有 不同 的 数据宽度。,共56页,11,11,RISC 和 CISC 之间主要的差别,共56页,12,外围电路,外围电路包括：嵌入式系统的存储器、I/O端口、复位
5、电路、模数转换器/数模转换器（ADC/DAC）和 电源。,外部设备,外部设备指嵌入式系统 与 真实环境交互的各种设备，包括：通用串行总线（USB）、存储设备、键盘、鼠标、液晶显示器（LCD）、红外数据传输（IrDA） 和 打印设备等。,共56页,13,（2）嵌入式系统软件部分,由 嵌入式操作系统 和 嵌入式应用软件 两大 部分组成。,嵌入式系统软件 一般包含 四个 层面：实际应用程序、应用程序接口 API、实时操作系统 RTOS、设备驱动层。,有的版本将应用程序接口 API 归属于 OS 层，就是按照 三层来划分的。,共56页,14,嵌入式系统的硬件 是嵌入式软件运行的物理平台的通信接口，它的
6、存在使嵌入式系统的优越性得以实现。嵌入式操作系统 和 嵌入式应用软件 控制着整个系统的运行，提供人机交互等。两者缺一不可，相辅相成。,共56页,15,15,1.1.3 嵌入式系统的特点,嵌入式系统的 核心 是 嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下 四个特点：,（1）对实时任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断相应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度；,（2）具有功能很强的存储区保护功能；,共56页,16,16,（3）可扩展的处理器结构，能最迅速的开发出满足应用的最高性能的嵌入式处理器；,（4）嵌入式微处理器必须 功耗很低。,嵌入式系统 同 PC系统 相比有
7、以下特点：,（1）嵌入式系统功耗低、体积小、专用性强；,（2）为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中软件一般都固化在 存储器芯片或 单片机中；,共56页,17,17,（3）嵌入式系统的 硬件 和 软件 都必须高效地设计，系统要精简；,（4）对软件代码质量要求很高，应该尽最大可能避免 “死机” 的发生；,（5）嵌入式系统开发需要专门的 开发工具 和 开发环境。,共56页,18,1.1.4 嵌入式系统的分类,（1）按照系统组成分类,嵌入式系统硬件 和 嵌入式系统软件。,（2）按照系统应用分类,嵌入式系统的应用广泛，它主要应用于以下几个方面：,消费类电子产品；,共56页,19,智能仪器、仪表类；
8、,通信信息类产品；,过程控制类；,国防武器设备；,生物微电子。,共56页,20,硬实时系统指系统要确保在最坏情况下的服务时间，即对于事件响应时间的截止期限必须要得到满足；,（3）按照系统实时性分类,软实时系统从统计的角度来说，是一个任务能够得到确保的处理时间，到达系统的事件也能够在截止前得到处理。但违反截止期限并不会带来致命的错误，像实时多媒体系统等。,共56页,21,1.1.5 嵌入式系统的应用,嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域主要包括以下方面：,（1）工业控制；,（2）交通管理；,（3）信息家电；,（4）家庭智能管理系统；,（5）POS网络及电子商务；,（6）环境工程与自然
9、；,（7）机器人。,共56页,22,1.2 嵌入式处理器,1.2.1 嵌入式处理器简介,目前具有嵌入式功能特点的处理器已有 千种 ，流行体系结构包括 MCU、MPU 等 几十个系列。,鉴于嵌入式系统广阔的应用前景，很多半导体制造商都大规模生产嵌入式处理器，并且自主设计处理器也已经成为未来嵌入式领域的一大趋势。,共56页,23,嵌入式处理器包括从 单片机、DSP 到 FPGA 有着各式各样的品种，运算速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。,1.2.2 嵌入式处理器分类,（1）嵌入式微处理器（MPU）,嵌入式微处理器 是由 通用计算机中的 CPU 演变而来的。,共56页,24,嵌入式微处理器
10、的 特征 是具有较高的性能，但价格也较高。,但在实际的嵌入式应用中，只保留 和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去掉其他冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。,和工业控制计算机相比：嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。,共56页,25,（2）嵌入式微控制器（MCU）,嵌入式微控制器的典型代表就是 单片机。,和嵌入式微处理器相比：微控制器的最大特点是 单片化，体积大大减少，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。,由于 MCU 低廉的价格、优良的功能，所以拥有的品种和数量最多。目前 MCU 占嵌入式系统 70% 的市场份额。,共56页,26,（3）嵌入式DS
11、P处理器,DSP 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统的结构和指令算法方面进行了特殊的设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上，DSP获得了大规模的应用。,目前最为广泛应用的是 TI 的TMS320C2000/C5000/C6000系列等。,共56页,27,（4）SOC片上系统,一个芯片就是一个系统，或将一个系统放在一个芯片中。,1.2.3 嵌入式计算机系统与通用计算机系统,由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制，因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。,共56页,28,（1）通用计算机系统,高速、
12、海量数值计算的技术要求。技术的发展方向是 ：总线速度无限提升，存储容量的无限扩大。,（2）嵌入式计算机系统,对象的智能化控制能力。技术发展方向是：与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。,共56页,29,1.2.4 嵌入式处理器的选择,设计者进行工作之前首先需要选择适合的处理器，应从以下几方面考虑：,（1）对上市的 CPU 供应商进行调查；,（2）处理器的处理速度、技术指标；,（3）处理器的低功耗；,（4）软件支持工具、资料；,（5）后续升级换代能力。,共56页,30,1.3 嵌入式系统开发环境,（1）开发工具的选择,嵌入式系统的开发工具可以分为：硬件开发工具 和 软件开发工具。
13、,硬件开发工具具有 在线实时仿真器和 其他检测工具，如示波器等。,软件开发工具包括：编辑、交叉编译、链接、定位软件 和 调试软件等。,共56页,31,在选择开发工具时要考虑系统调试器的功能，特别是远程调试的功能，还有该工具支持的库函数。,还要考虑开发工具的后续升级支持，支持的文件格式 和 符号格式 等。,（2）硬件调试工具的选择,实时在线仿真器（ICE）；,逻辑分析仪；,共56页,32,ROM仿真器；,源程序模拟器。,（3）软件组件的选择,（4）开发环境,交叉环境；,指令模拟器；,电路开发板。,共56页,33,1.4 嵌入式操作系统,1.4.1 嵌入式操作系统,嵌入式操作系统EOS（Embed
14、ded Operating System）是软、硬件资源的控制中心，它以尽量合理有效的方法组织多个用户共享计算机的各种资源，目的是提供一台功能强大的虚拟机，给用户一个方便、有效、安全的工作环境。,共56页,34,嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度工作由 EOS 负责，控制协调并发活动。,EOS 是相对于一般操作系统而言的，它除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等外，还有以下特点：,（1）可装卸性；,（2）强实时性；,共56页,35,（3）统一的接口；,（4）操作方便、简单，提供友好的图形GUI、图形界面，追求易学易用；,（5）提供强大的网络功能，支持
15、TCP/IP 协议及其他协议；,（6）强稳定性，弱交互性；,（7）固化代码；,（8）更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。,共56页,36,1.4.2 实时操作系统,嵌入式操作系统可分为：实时操作系统 和 非实时操作系统。,实时操作系统是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做出响应的计算机系统。其操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且与这些操作进行的时间有关。,共56页,37,实时操作系统的特征：,（1）多任务；,（2）有线程优先级；,（3）多种中断级别。,下面介绍几个实时操作系统中的重要概念：,（1）系统响应时间,系统发出处理要求到系统给出应答信号的时间。,共56页,38,
16、（2）任务换道时间,任务之间切换使用的时间。,（3）中断延迟,计算机接收到中断信号到操作系统作出响应，并完成换道转入中断服务程序的时间。,实时操作系统中的任务有 四个状态：运行、就绪、挂起、冬眠。,共56页,39,（1）运行,获得 CPU 的控制权。,（2）就绪,进入任务等待队列，通过调度转为运行状态。,（3）挂起,任务发生阻塞，移出任务就绪队列，等待系统实时事件的发生而唤醒，从而转为 就绪 或 运行。,共56页,40,（4）冬眠,任务完成 或 错误 等原因被清除的任务，也可以认为是系统中不存在的任务。,1.4.3 常见的嵌入式操作系统,（1）Linux操作系统简介,嵌入式 Linux 的特点：,第一：Linux 是开放源代码的；,共56页,41,第二：Linux 的内核小、效率高，内核的更新速度很快；,第三：Linux 是免费的 OS，在价格上极具竞争力。,uCLinux 是一个完全符合 GNU/GPL 公约的操作系统，完全开放源代码。,uCLinux 从 Linux2.0/2.4内核派生出来，沿袭了主流 Linux 的绝大部分特
