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1、本节提要,1,3,2,4,嵌入式系统的定义、特点及架构,嵌入式系统的应用领域,嵌入式系统与单片机、PC的区别,嵌入式系统的分类,5,嵌入式系统的发展趋势,2,计算机发展的三大阶段,第一阶段：始于五十年代的由IBM, Burroughs, Honeywell等公司率先研制的大型机。 第二阶段：始于七十年代的个人计算机。 第三阶段：计算机正迈入下一个充满机遇的阶段“后PC时代”或“无处不在的计算机”阶段。,3,无处不在的计算机,施乐公司Palo Alto研究中心主任Mark Weiser认为：“从长远来看，PC机和计算机工作站将衰落，因为计算机变得无处不在：例如在墙里、在手腕上、在手写电脑中(象手
2、写纸一样)等等，随用随取、伸手可及”。,4,通用计算机看得见的计算机,如：PC机、服务器、大型计算机等。,显示器,主 机,鼠 标,键 盘,硬 件,诸如主机、显示器、键 盘、鼠标等看得见部件,5,软件,应用程序可按用户 需要随时改变, 即重新编制。,通用计算机看得见的计算机,6,嵌入式系统无处不在,彼此互连,7,嵌入式系统(Embedded System)定义,看不见的计算机，一般不能被用户编程, 它有一些专用的I/O设备, 对用户的接口是应用专用的。 An embedded system is a computer system contained within some larger dev
3、ice or product with the intent purpose of providing monitoring and control services to that device. “Any sort of device which includes a programmable computer but itself is not intended to be a general-purpose computer.” 通常将嵌入式计算机系统简称为嵌入式系统。,8,IEEE: “Device used to control，monitor，or assist the oper
4、ation of equipment，machinery or plants”. 嵌入式系统是用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置。,嵌入式系统(Embedded System)定义,可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。,9,目前对嵌入式系统的定义多种多样，但没有一种定义是全面的。下面给出两种比较合理定义：,嵌入式系统(Embedded System)定义,从技术的角度定义：嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。,10,嵌入式系统(Embed
5、ded System)定义,从系统的角度定义：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。,11,嵌入式系统的几个重要特征,(1) 系统内核小 由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。 比如ENEA公司的OSE分布式系统，内核只有5K，而Windows的内核则要大得多。,12,(2) 专用性强 嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。 即使在同一品牌
6、、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。 同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。,13,(3)系统精简 嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。,(4)高实时性OS 这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。,14,(5) 嵌入式软件开发走向标准化 嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。 为了合理地调度多任务、利用系统资源、
7、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS（RealTime Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。,15,(6) 开发需要专门工具和特殊方法,多数嵌入式系统开发意味着软件与硬件的并行设计和开发，其开发过程一般分为几个阶段： 产品定义 软件与硬件设计与实现 软件与硬件集成 产品测试与发布 维护与升级,16,由于嵌入式系统资源有限，一般不具备自主开发能力，产品发布后用户通常也不能对其中的软件进行修改，必须有一套专门的开发环境。 该开发环境包括专门的开发工具（包括设计、编译、调试、测试等工具），采用交叉开发的方式
8、进行，交叉开发环境如图所示。,17,嵌入式系统的组成,嵌入式系统一般由嵌入式硬件和软件组成 硬件以微处理器为核心集成存储器和系统专用的输入/输出设备 软件包括：初始化代码及驱动、嵌入式操作系统和应用程序等，这些软件有机地结合在一起，形成系统特定的一体化软件。,18,嵌入式系统硬件基本结构,19,嵌入式系统软件体系结构,20,嵌入式系统的硬件是以嵌入式微处理器为核心，主要由嵌入式微处理器、总线、存储器、输入/输出接口和设备组成。 嵌入式微处理器 总线 存储器 输入/输出接口和设备,21,每个嵌入式系统至少包含一个嵌入式微处理器 嵌入式微处理器体系结构可采用冯诺依曼（Von Neumann）结构或
9、哈佛（Harvard）结构,冯诺依曼结构,哈佛结构,嵌入式处理器,22,传统的微处理器采用的冯诺依曼结构将指令和数据存放在同一存储空间中，统一编址，指令和数据通过同一总线访问。 哈佛结构则是不同于冯诺依曼结构的一种并行体系结构，其主要特点是程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编制、独立访问。与之相对应的是系统中设置的两条总线（程序总线和数据总线），从而使数据的吞吐率提高了一倍。,嵌入式处理器,23,嵌入式微处理器的指令系统可采用精简指令集系统RISC（Reduced Instruction Set Computer）或复杂指令集系统C
10、ISC（Complex Instruction Set Computer）,嵌入式处理器,24,嵌入式微处理器有许多不同的体系，即使在同一体系中也可能具有不同的时钟速度和总线数据宽度、集成不同的外部接口和设备。 据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理器的品种总量已经超过千种，有几十种嵌入式微处理器体系，主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、SH、 X86等。,嵌入式处理器,25,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就具备以下4个特点: 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，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。 具有功能很强的存
11、储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至W级。,嵌入式处理器,26,嵌入式微处理器分类,27,嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU),嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。 单片机芯片内部集成ROM/E
12、PROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。,28,微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。 微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。,29,嵌入式DSP处理器(Digital Signal Processor , DSP),DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，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。 DSP的理论
13、算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。 1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。 DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。 目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。,30,MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。 与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功
14、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。,嵌入式微处理器（Micro Processor Unit),31,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。目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等,32,SoC 就是System on Chip ，SoC嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。 它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，像是ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，像是通用串行端口（
15、USB）、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。,嵌入式片上系统(System On Chip),33,SoC是追求产品系统最大包容的集成器件，SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。 运用VHDL等硬件描述语言不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。,34,由于SOC往往是专用的，所以大部
16、分都不为用户所知，如 Philips的Smart XA。Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。 SOC芯片也将在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中发挥重要作用。,35,SoC嵌入式系统微处理器所具有的其他的好处可以分为下列几点： 利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。 减少芯片对外管脚数，简化制造过程。 减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，可以加快微处理器数据处理的速度。 内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成系统杂讯。,36,总线,嵌入式系统的总线一般集成在嵌入式微处理器中。 从微处理器的角度来看，总线可分为片外总线(如：PCI、ISA等)和片内总线（如：AMBA、 AVALON、OCP、WISHBONE等）。 选择总线和选择嵌入式微处理器密切相关，总线的种类随不同的微处理器的结构而不同。,37,存储器,嵌入式系统的存储器包括主存和外存。 大多数嵌入式系统的代码和数据都存储在处理器可直接访问的存储空间即主存中。
