嵌入式系统基本概念教材

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1、国内一般定义 “以应用为中心、以计算机技术为基础 、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、 体积、功耗严格要求的专用计算机系统。” 嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分 。 硬件: 微处理器、存储器及外围设备器件和IO端口、 图形控制器等。 软件: 嵌入式操作系统软件（OS）（要求实时和多任务 操作）和应用程序软件。 应用程序控制着系统的运作；而操作系统控制着应用程 序编程与硬件的交互作用。 2. 嵌入式系统组成 （1）嵌入式微控制器 嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这 种位、16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/EPROM、RA

2、M、总 线、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。 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。 （2）嵌入式DSP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

3、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。 MPU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。 （3）、嵌入式微处理器 （Micro Processor Unit) l和工业控制计算机相比，嵌入式微

4、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、Power PC、68000、MIPS、 ARM/StrongARM系列等 SoC嵌入式系统微处理器是一种电路系统。 它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上 ，如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，如通用串行端 口（USB）、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、 GSM通信接口、蓝牙模块接口等（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）。 （4）嵌入式片上系统 (System On Chip) SoC嵌入式系统微处

5、理器所具有的其他优点 如下： 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。 嵌入式系统 PC机 嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算 平台 嵌入式系统的资源比PC少得多 嵌入式系统软件故障带来的后果比PC机大得多 嵌入式系统一般采用实时操作系统 嵌入式系统大都有成本、功耗的要求 嵌入式系统得到多种微处理器体系的支持 嵌入式系统需要专用的开发工具 嵌入式系统 单片机系统 l目前嵌入式系统的主流是以32位嵌入式微处理器为核心

6、的硬件设计和基于实时操作系统（RTOS）的软件设计； l单片机系统多为4位、8位、16位机，不适合运行操作系 统，难以进行复杂的运算及处理功能； l嵌入式系统强调基于平台的设计、软硬件协同设计，单 片机大多采用软硬件流水设计； l嵌入式系统设计的核心是软件设计（占70%左右的工作量 ），单片机系统软硬件设计所占比例基本相同。 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。 (2)专用性强 嵌入式系统的个性化很强

7、，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、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。 (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。 (5)嵌入式软件开发走向标准化 嵌

8、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、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。 (6)嵌入式系统需要专用开发工具和环境 由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以 后，用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改 ，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件 设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。 开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序 的

9、开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交 替结合进行。 1.2 嵌入式操作系统介绍 嵌入式软件的核心:嵌入式实时多任务操作系统 (RTOS real time operation system)。 嵌入式操作系统：支持嵌入式系统的工作的操作系统 。嵌入式系统一般具有实时特点，这里把嵌入式操作系统 和实时操作系统不加区别对待。 实时操作系统的概念 实时系统：系统的正确运行要同时满足特定的逻辑和时 间关系。 实时操作系统RTOS（real time operation system)： 是指能支持实时控制系统工作的操作系统。 硬实时(hard)与软实时(soft)的概念 硬实时：通过系统特定的时

10、序得不到满足，将 会引起灾难性的后果。 软实时：通过系统特定的时序得不到满足，系 统的性能会严重下降。 deadlinetime 0 1 Hard System Soft System 嵌入式操作系统的分类 从嵌入式系统的应用来分类，可以分为面 向低端设备的嵌入式操作系统和面向高端设备 的嵌入式操作系统。 低端：各种工业控制系统、计算机外设、 民用消费品的微波炉、洗衣机、冰箱、ucos等 高端：信息化家电、掌上电脑、机顶盒、 WAP手机、路由器 、VxWorks、QNX、 wince、linux。 从实时性的角度来分： 具有强实时特点的嵌入式操作系统：其系统响应 时间在毫秒或微秒级（航空/航天

11、控制装配）， 如 VxWORKS 具有弱实时特点的嵌入式操作系统：其系统响应 时间在毫秒几秒的数量级上，其实时性的要求 比强实时系统要差一些（电子菜谱的查询）。 没有实时特点的嵌入式操作系统。 常见的嵌入式操作系统 嵌入式实时操作系统的种类繁多，大体 上可分为两种，商用型和免费型。 商用型的实操作系统功能稳定、可靠，有完 善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵 。 免费型的实时操作系统在价格方面具有优势 ，目前主要有Linux和C/OS，稳定性与服 务性存在挑战。 VxWorks VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年 设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS）， 具

12、有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友 好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域 牢牢占据着一席之地。 VxWorks所具有的显著特点是： 可靠性、实时性和可裁减性。 它支持多种处理器，如x86、i960、Sun Sparc、Motorola MC68xxx、MIPS 、POWER PC等 等。 大多数的VxWorks API是专有的，火星机器人。 Windows Embedded Windows CE 3.0：一种针对小容量、移动式、智 能化、32位、连接设备的模块化实时嵌入式操作 系统。 针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务 提供了一种功能丰富的操作系统平台， WindowsCE

13、嵌入但不够实时，属于软实时操作系 统， 由于其Windows背景，界面比较统一认可。 操作系统的基本内核需要至少200K的ROM。 Palm OS Palm OS是著名的网络设备制造商3COM旗下的 Palm Computing掌上电脑公司的产品。 3COM、CISCO竞争 Palm OS在PDA市场上占有很大的市场份额， Palm OS的市场份额占到将近90%，最近下降70 ，目前主要与WIN CE进行激烈竞争。 uC/OS uC/OS是一个典型的实时操作系统。目前流行的是第 二个版本,即:uC/OS II 。 该操作系统短小精悍，是研究和学习实时操作系统 的首选。 特点:公开源代码,代码结

14、构清晰,注释详尽,组织有 条理,可移植性好;可裁减,可固化等。 QNX 加拿大QNX公司的产品。 QNX是在X86体系上面开发出来的，这和别的RTOS 不一样，别的好多RTOS都是从68K的CPU上面开发 成熟，然后再移植到X86体系上面来的。 QNX是一个实时的、可扩充的操作系统，它部分 遵循POSIX相关标准，由于QNX具有强大的图形界 面功能，因此很适合作为机顶盒、手持设备（手 掌电脑、手机）、GPS设备的实时操作系统使用。 嵌入式Linux 嵌入式系统越来越追求数字化、网络化和智能化。因此原来 在某些设备或领域中占主导地位的软件系统越来越难以为继 ，整个系统必须是开放的、提供标准的AP

15、I，并且能够方便 地与众多第三方的软硬件沟通。 Linux是开放源码的，不存在黑箱技术，遍布全球的众多 Linux爱好者又是Linux开发的强大技术后盾。 Linux的内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高 ，易于定制剪裁，在价格上极具竞争力。 Linux不仅支持x86 CPU，还可以支持其他数十种CPU芯片。 嵌入式Linux(Embedded Linux)是指对Linux经过小型 化裁剪后，能够固化在容量只有几百K字节或几兆字节 的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的 专用Linux操作系统。嵌入式Linux的开发和研究是目 前操作系统领域的一个热点。主要有RTLinux和

16、CLinux 嵌入式Linux及应用 Linux优点 1.开放源代码,丰富的软件资源 2.功能强大的内核,性能高效、稳定、多任务 3.支持多种体系结构 4.完善的网络通信、图形和文件管理机制 5.支持大量的硬件设备,驱动丰富 6.大小功能都可定制 1.4 嵌入式Linux开发环境 通用计算机: 可以直接安装发行版的Linux 操作系统，使用编辑器 、编译器等工具为本机开发软件，甚至可以完成整个Linux 系统的升级。 嵌入式系统: 硬件一般有很大的局限性，或者处理器频率很低，或 者存储空间很小，或者没有键盘、鼠标设备。这样的硬件 平台无法胜任（或者不便于）庞大的Linux 系统开发任务 。 因此，开发者提出了交叉开发环境模型。 交叉开发环境 交叉开发环境是由开发主机和目标板两套计算机系 统构成的。目标板Linux