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1、嵌入式系统基础,我们正步入一个崭新的“数字世界”,嵌入式应用,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。,无处不在的计算机,施乐公司PaloAlto研究中心主任MarkWeiser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(象手写纸一样)等等，随用随取、伸手可及”。,嵌入式系统无处不在,各种使用嵌入式技术的电子产品，如：MP3、PDA、手
2、机、智能玩具，网络家电、智能家电、车载电子设备等。在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。,巨大的市场,计算机应用的普及、互联网技术的实用以及纳米微电子技术的突破，正有力推动着21世纪工业生产，商业活动科学试验和家庭生活等领域自动化和信息化进程。嵌入式产品的巨大商机全过程自动化产品制造、大范围电子商务活动、高度协同科学实验以及现代化家庭起居。你接触的每一样东西将装有芯片和嵌入式软件。,人才需求量巨大、就业前途非常光明收入高，真正的白领,创新的机遇,通用计算机产业是垄断的。嵌入式系统与技
3、术是一个分散的工业，充满竞争、机遇与创新。没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场即便在体系结构上存在着主流，但各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司，少数产品垄断全部市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的，留给各个行业的中小规模高技术公司的创新余地很大。肩负着我国IT业崛起的重任,嵌入式系统的应用领域,嵌入式系统的产品,网络设备:交换机、路由器,MODEM消费电子:手机、MP3、PDA、可视电话、电视机顶盒、数字电视、数码照相机、数码摄像机、信息家电办公设备:打印机、传真机、扫描仪汽车电子:ABS(防死锁刹车系统)、供油喷射控制系统、车载GPS。工业控制:各种自动控
4、制设备,身边的嵌入式系统,时尚的嵌入式系统,嵌入式技术典型应用,先进的嵌入式系统,可穿可戴的嵌入式系统,WearableComputing,微若尘粒的嵌入式系统,SmartDust,彼此互连的嵌入式系统,穿梭太空的嵌入式系统,“哥伦比亚”号，整个系统的起飞重量达2000吨，高56米。,游弋大海的嵌入式系统,“小鹰”号标准排水量为60100吨，满载排水量达81123吨，舰长323.6米，舰宽39.6米，吃水11.4米，是世界上最大的常规动力航空母舰。舰员2930名，其中军官155名；航空人员2480名，其中军官320名。飞机：F-14D战斗机20架，F/A-18战斗机36架，E-2C预警机和EA
5、-6B电子干扰机各4架，6架S-3B反潜机，6架直升机，2架ES-3A。,即使远在火星和土星,面对6万年才有一次的机会，科学家们积极行动起来从6月开始，先后有欧洲的“火星快车”、美国“勇气号”和“机遇号”等三颗火星探测器飞往火星，而日本一颗本已在太空“迷失方向”的火星探测器也在关键时刻及时“醒”来，开始了久违的火星之旅。,火星与地球，这一对在星空中遥遥相望的“兄弟”，将迎来6万年来“最亲密的接触”，在2003年8月27日这一天，火星距离地球最近达到55756622(5千多万)公里。,勇气号,通用计算机与嵌入式系统对比,嵌入式系统与PC的不同,一般专用于特定的任务，而PC是一个通用计算机。使用多
6、种类型的处理器和处理器体系结构。及其关注成本有实时约束使用实时多任务操作系统软件故障造成的后果比PC系统更严重大多有功耗约束经常在极端的环境下运行系统资源比PC少的多通常所有的目标代码存放在ROM中需要专用工具和方法进行开发设计嵌入式系统的数量远远超过PC,嵌入式系统基础,目录,1嵌入式系统的定义和组成2嵌入式微处理器与接口3启动程序BootLoader介绍,1.1嵌入式系统的定义,嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。人们很少会意识到他们往往随身携带了好几个嵌入式系统MP3、手机或者智能卡，而且他们在与汽车、电梯、厨房设备、电视、录像机以及娱乐系统的嵌入式系统交互时也往往对此毫无察觉。嵌入式系
7、统早期主要应用于军事和航空、航天等领域，以后逐步广泛地应用于工业控制、仪器仪表、汽车电子、通信和家用消费类等领域。正是“表面上看不见,其实随处可见”这一特性将嵌入式计算机与通用PC计算机区分开来。,根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”（原文为devicesusedtocontrol，monitor，orassisttheoperationofequipment，machineryorplants）。这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。,目前国内一个普遍被认同的定
8、义是：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。分析:计算机系统;应用为中心;软硬件可裁剪;要求功能、可靠性、成本、体积、功耗嵌入式系统采用“量体裁衣”的方式把所需的功能嵌入到各种应用系统中，它融合了计算机软/硬件技术、通信技术和半导体微电子技术，是信息技术IT（InformationTechnology）的最终产品。,如何理解”嵌入”,硬件嵌入到大系统中软件(操作系统)嵌入到硬件中,1.2嵌入式系统的发展概述,自20世纪60年代中期,第一个应用的嵌入式系统-阿波罗导航计算机AGC(appolloguidanceco
9、mputer)诞生,嵌入式系统到目前为止分四个阶段,第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简单、价格低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业控制和新兴信息家电等领域的需求。,第二阶段80年代中期是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。主要特点是：CPU种
10、类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统达到一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业化，用户界面不够友好。,第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具有文件和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面GUI等功能；具有大量的应用程序接口API，开发应用程序较简单；嵌入式应用软件丰富。,第四阶段是以Internet为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展以及Interne
11、t技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将代表嵌入式系统的未来。,新的微处理器层出不穷，嵌入式操作系统自身结构的设计更加便于移植，能够在短时间内支持更多的微处理器。嵌入式系统的开发成了一项系统工程，开发厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还要提供强大的硬件开发工具和软件支持包。通用计算机上使用的新技术、新观念开始逐步移植到嵌入式系统中，嵌入式软件平台得到进一步完善。各类嵌入式Linux操作系统迅速发展，由于具有源代码开放、系统内核小、执行效率高、网络结构完整等特点，很适合信息家电等嵌入式系统的需要，目前已经形成了能与WindowsCE、PalmOS等嵌
12、入式操作系统进行有力竞争的局面。网络化、信息化的要求随着Internet技术的成熟和带宽的提高而日益突出，以往功能单一的设备（如电话、手机、冰箱、微波炉等）功能不再单一，结构变得更加复杂，网络互联成为必然趋势。精简系统内核，优化关键算法，降低功耗和软硬件成本。提供更加友好的多媒体人机交互界面。,嵌入式系统的发展趋势,嵌入式系统的分类,根据不同的分类标准，嵌入式系统有不同的分类方法。这里根据嵌入式系统的复杂程度，可以将嵌入式系统分为以下4类。1单个微处理器这类系统一般由单片嵌入式处理器组成，嵌入式处理器上集成了存储器I/O设备、接口设备（如A/D转换器）等，嵌入式处理器加上简单的元件如电源、时钟
13、元件等就可以工作。单个微处理器这类系统可以在小型设备中（如温度传感器、烟雾和气体探测器及断路器）找到。这类设备是供应商根据设备的用途来设计的。常用的嵌入式处理器如Philips公司的89LPCxxx公司系列，Motorola公司的MC68HC05、08系列等。,2嵌入式处理器可扩展的系统这类嵌入式系统使用的处理器根据需要，可以扩展存储器，也可以使用片上的存储器，处理器一般容量在64KB左右，字长为8位或16位。在处理器上扩充少量的存储器和外部接口，以构成嵌入式系统。这类系统可在过程控制、信号放大器、位置传感器及阀门传动器等中找到。,3复杂的嵌入式系统组成这样的嵌入式系统的嵌入式处理器一般是16
14、位、32位等，用于大规模的应用，由于软件量大，因此需要扩展存储器。扩展存储器一般在1MB以上，外部设备接口一般仍然集成在处理器上，常用的嵌入式处理器有ARM系列、Motorola公司的PowerPC系列等。这类系统可见于开关装置、控制器、电话交换机、电梯、数据采集系统、医药监视系统、诊断及实时控制系统等。它们是一个大系统的局部组件，由它们的传感器收集数据并传递给该系统。这种组件可同计算机一起操作，并可包括某种数据库（如事件数据库）。,4在制造或过程控制中使用的计算机系统对于这类系统，计算机与仪器、机械及设备相连来控制这些装置的工作。这类系统包括自动仓储系统和自动发货系统。在这些系统中，计算机用
15、于总体控制和监视，而不是对单个设备直接控制。过程控制系统可与业务系统连接（如根据销售额和库存量来决定订单或产品量）。在许多种情况下，两个功能独立的子系统可在一个主系统操作下一同运行。如控制系统和安全系统：控制子系统控制处理过程，以使系统中的不同设备能正确地操作和相互作用于生产产品；而安全子系统则用来降低那些会影响人身安全或危害环境的误操作风险。,1.3嵌入式系统的组成,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。组成:嵌入式系统由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成,一硬件层,嵌入式微处理器有各种不同的体系，即使
16、在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度，或集成了不同的外设和接口。据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，体系结构有30多个系列，其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。,嵌入式微处理器的分类,字符宽度：8位，底端；16位，精密应用32位，高性能运算(RISC),存储体系,CacheCache是一种容量小、速度快的存储器阵列，它位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。在需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能的从Cache中读取数据，而不是从主存中读取在嵌入式系统中Cache全部集成在嵌入式微处理器内，可分为数据Cache、指令Cache或混合Cache,主存是嵌入式微处理器能直接访问的寄存器，用来存放系统和用户的程序及数据。它可以位于微处理器的内部或外部，其容量为256KB1GB常用作主存的存储器有：ROM类NORFlash、EPROM和PROM等。RAM类SRAM、DRAM和SDRAM等。其中NORFlash凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点
