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1、嵌入式系统 基于32位微处理器与实时操作系统,2006年春季北京航空航天大学计算机学院,联系方法,课程目的,本课程介绍了嵌入式系统的前沿技术和发展趋势，重点讲述了基于ARM微处理器的嵌入式硬件平台、嵌入式操作系统（RTlinux）和嵌入式软硬件系统开发技术。采用理论学习和实践并重的教学方法，着重培养学生的实际动手能力，通过熟悉开发环境与开发流程、编程实践等基础实验，使学生能够掌握嵌入式系统设计的基本方法。此外还增加了嵌入式多媒体应用、游戏开发等开放式实验，使得基础较好的同学能够获得进一步的嵌入式开发实践机会。,需要的基础知识,先导课程计算机操作系统微机原理C语言需要了解的基础知识了解操作系统、
2、单片机和微机原理的基本概念，能够熟练使用C语言。,学时分配,课程属性： 专业基础课总学时数： 48 课内学时： 48讲课学时数：30实验学时数：18学分： 3,课程大纲（约30学时）,时间：周五晚8:00-11:00 地点：4号楼315,专题实验内容（18学时）,地点：2号楼机房（上午9:0012:00）,注：1、实验1-6在实验室统一讲解辅导，要求在课内18个学时内完成,开放式项目实验（约20学时）,地点：开放实验室内容： 学生可以单独或者合作（最多3人）开发一个简单的嵌入式系统设备，可从下面的命题中选取，也可自己设计题目。MP3播放器MP4播放器基于Linux的PDA（记事本、通讯录、备忘
3、录等功能）基于Linux的可视电话便携式旅游信息终端简单Email编辑、收发器（具有RJ45和Wi-fi接口）简单游戏（游戏杆控制）,掌握一种学习方法-理论学习和实践并重学习嵌入式软硬件系统的基本概念、基本原理和设计方法获得嵌入式开发设计的实践经验获得学分为未来职场的发展奠定技术基础,大家能够期望的收获,您的期望合理吗？,通过本门课程的学习，你将获得以下知识：了解嵌入式软件开发流程（期望值：）学会使用实时操作系统，了解多任务（期望值：）掌握基本嵌入式硬件知识（期望值：）提高C语言编程能力（期望值：）独立或合作开发出嵌入式应用软件（期望值：）掌握嵌入式软件编程（期望值：）掌握硬件设计知识（期望值
4、：）学会操作系统移植（期望值：）成为嵌入式系统设计高手（期望值：）,1. 符意德 编著. 嵌入式系统设计原理与应用. 北京：清华大学出版社，20042.孙玉芳 等译. 嵌入式计算系统设计原理（computers as components, principles of embedded computing system design, wayne wolf）.北京：机械工业出版社，2002,参考教材,考核方式平时作业和表现（占20%）+大作业（占30%）+笔试（50%）,考核方式和评分标准,1,C H A P T E R,绪论,主要内容,1,3,2,4,嵌入式系统简介,嵌入式处理器,嵌入式操作
5、系统,嵌入式系统的典型应用,5,嵌入式系统的基本设计过程,嵌入式系统简介,计算机系统的三大领域服务器市场功能强利润最大的市场可用性强可扩展性桌面市场最广阔的市场嵌入式市场潜力最大的市场,嵌入式系统简介,以往计算机分类：大型计算机、中型机、小型机和微计算机目前计算机分类：超级计算机，大型计算机、工作站、微计算机、亚微计算机亚微计算机(嵌入式计算机) 是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中,嵌入式系统简介,嵌入式系统简介,一般定义以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪,应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有特殊要求的专用计算机系统。是将应用程序、操作系统和计算机硬件
6、集成在一起的系统（技术角度）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。（系统角度）术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统（被称之为嵌入的系统）的一个完整子系统。嵌入式的系统可以包含多个嵌入式系统。广义定义任何一个非计算机的计算系统,IEEE定义嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作的机器、设备或装置”（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。通常执行特定功能嵌入式系统的核心-嵌入式微处理器严格的时序和稳定性要
7、求全自动操作循环,嵌入式系统简介,微机学会定义嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统。可分为系统级、板级、片级系统级：各种类型的工控机、PC104模块板级：各种类型的带CPU的主板及OEM产品片级：各种以单片机、DSP、微处理器为核心的产品,嵌入式系统简介,嵌入式系统简介,广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。如各类单片机和DSP系统。这些系统在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点。但由于他们没有操作系统，管理系统硬件核软件的能力有限，在实现复杂多任务功能时，往往困难重重，甚至无法实现。从狭义上讲，我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己操作系
8、统，具有特定功能，用于特定场合的嵌入式系统。本课程中的嵌入式系统是指狭义上的嵌入式系统。,嵌入式系统简介,发展历史 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的MP3和一个PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。 嵌入式系统已经有了近30年的发展历史，它是硬件和软件交替发展的双螺旋式发展。 最早的单片机是Intel公司的8048，它出现在1976年Motorola同时推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4K的ROM、4个8位并口、1个全双工串行口、两个16位定时器。 之后在80年代初，Intel又进一步完善了8048，在
9、它的基础上研制成功了8051。,1981年Ready System开发了世界上第1个商业嵌入式实时内核（VTRX32），包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。随后，出现了如Integrated System Incorporation (ISI)的PSOS、IMG的VxWorks、QNX公司的QNX等，Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，uCOS、Nucleux，以及国内的Hopen、Delta OS等嵌入式操作系统也相继出现。,嵌入式系统简介,嵌入式系统简介,基于8位，16位，32位的嵌入式系统微处理器飞速发展的
10、结果是嵌入式计算成为一门学科 。在嵌入式系统的早期阶段，所有基本硬件构件相对较小也较简单，如：8位的CPU、74系列的芯片及晶体管等，其软件子系统是采用一体化的监控程序，不存在操作系统平台。而今天组成嵌入式系统的基本硬件构件已较复杂，如：16位、32位CPU或特殊功能的微处理器、特定功能的集成芯片、FPGA或CPLD等，其软件设计的复杂性成倍增长。因此研究嵌入式系统的设计原理及技术，提供系统的设计方法和开发工具是嵌入式计算学科的关键技术。,嵌入式系统简介,典型的8位微处理系统MCS-51系列的单片机是低端嵌入式系统中用得最多的微处理器。,嵌入式系统简介,典型的16位微处理系统MCS-96系列单
11、片机和16位DSP芯片,嵌入式系统简介,典型的32位微处理系统ARM系列是应用较广泛的32位微处理器。实际上该系列的MCU芯片很多，但大都是已ARM微内核为核心的。32位的DSP应用的也很广泛。,特点功耗限制嵌入式系统中，尤其是在用电池供电的嵌入式系统中，这是一个主要考虑的因素。大耗电量直接影响到硬件费用，并影响电源寿命以及带来散热问题。低成本包含硬件成本和软件成本。硬件成本主要决定于所使用的微处理器、所需的内存及相应的外围芯片；软件成本通常难于预测，但一个好的设计方法有利于降低软件成本。多速率系统同时运行多个实时性任务，系统必须同时控制这些动作，但这些动作有些速度慢，有些速度快。环境相关性嵌
12、入式系统不是独立的，而是与其被嵌入的设备紧密相关联。,嵌入式系统简介,嵌入式系统简介,特点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实时OS，内核只有5K，而Windows的内核则要大得多。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。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。,嵌入式系统简介,特点不可垄断性PC有WinTel垄断嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片”设
13、计和面向应用的软件产品开发。产品相对稳定性普通处理器18月嵌入式处理器810年,嵌入式系统简介,实时性实时性的本质是任务处理所化费时间的可预测性，即任务需要在规定的时限内完成。任务执行的时间可以根据系统的软硬件的信息而进行确定性的预测。也就是说，如果硬件可以做这件工作，那么基于实时操作系统的软件将可以确定性的做这件工作。实时系统实时系统的正确性依赖于运行结果的逻辑正确性和运行结果产生的时间正确性，即实时系统必须在规定的时间范围内正确地响应外部物理过程的变化。嵌入式系统实时系统有些嵌入式系统没有实时性要求,嵌入式系统简介,硬实时软实时“软”意味着如果没有满足指定的时间约束并不会导致灾难性的后果，
14、而对于硬实时系统来说却是灾难性的 从实践上说，软实时和硬实时之间的区别通常（隐含的和错误的）与系统的时间精度有关：由于这个原因，典型的，软实时任务的调度精度必须大于千分之一秒，而硬实时任务为微秒级。,嵌入式系统简介,实时频谱图,嵌入式系统简介,市场2001年嵌入式系统国际会议年会Jim Turley的报告中，统计得到 PC的数量只占CPU 总耗量的0.1%。据CCID2003年的数据显示，2000年嵌入式软件市场规模为70.33亿元，2001年为95.43亿元，2002年118.56亿元，三年平均增长38.85%。2002年中国软件市场为345.0亿元，嵌入式软件约占软件总市场的34.37。,
15、嵌入式系统简介,市场2004年，软件统计数据为：套装软件共计478亿元，为具有独立产品形态的软件。其中包括系统软件89亿元（操作系统44.19亿元、数据库管理系统20.06亿元、支撑软件25.71亿元）、中间件软件6.98亿元、应用软件304.53亿元（包括通用应用软件（安全软件、办公软件、管理软件、游戏软件、教育软件等）与行业应用软件（金融、电信、政府等）、嵌入式软件（673.62亿元）相关软件服务（937.48亿元）：除生产产品化软件之外的所有的软件研发及相关活动，包括系统集成、软件外包、咨询、数据加工和处理等。,嵌入式系统简介,处理器,存储器,输入接口,操作系统(协议栈),应用程序,软件
16、子系统,硬件子系统,嵌入式系统组成,输出接口,外围设备,嵌入式系统的软/硬件框架,嵌入式系统简介,硬件子系统,嵌入式系统简介,嵌入式外围设备在嵌入式硬件系统中，除了嵌入式处理器之外的完成存储、通信、I/O、调试等功能的其它部件。分类存储器类型：静态易失型存储器(RAM/SRAM)，动态存储器(DRAM)，非易失型存储器(ROM、EPROM、EEPROM、FLASH)。其中，FLASH(闪存)以可擦写次数多，存储速度快，容量大及价格便宜等有点在嵌入式领域得到广泛的应用。接口类型：目前存在的所有接口在嵌入式系统中都有其广泛的应用，但是以下几种接口的应用最为广泛，包括RS-232接口(串口)、IrDA(红外)、SPI(串行设备接口)、I2C、USB、Ethernet和普通并口。显示类型：CRT、LCD和触摸屏等外围显示设备。,
