大学计算机课件第1章 嵌入式系统概述

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1、周一课程调整 单片机与嵌入式技术 周一调整到 3、4节 地点：E325 1.嵌入式系统 2.嵌入式处理器 3.嵌入式操作系统嵌入式系统概述1.1 嵌入式系统 概述经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度 改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变 还在加速。嵌入式系统具有无数的种类，每类都具有 自己独特的个性。例如，MP3、数码相机与打印机就 有很大的不同。汽车中更是具有多个嵌入式系统，使 汽车更轻快、更干净、更容易驾驶。 现实中的嵌入式系统即使不可见，嵌入式系统也无处不在。嵌入式系 统在很多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些 产业，包括工业自动化、国防、运输和航天领域。例 如神州飞

2、船和长征火箭中肯定有很多嵌入式系统，导 弹的制导系统也是嵌入式系统，高档汽车中也有多达 几十个嵌入式系统。在日常生活中，人们使用各种嵌入式系统，但未 必知道它们。事实上，几乎所有带有一点“智能”的家 电（全自动洗衣机、电脑电饭煲）都是嵌入式系统 。嵌入式系统广泛的适应能力和多样性，使得视听、 工作场所甚至健身设备中到处都有嵌入式系统。 现实中的嵌入式系统 嵌入式系统的概念目前，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： 从技术的角度定义：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

3、系统。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。 嵌入式系统示例汽车控制系统马达控制器车灯 嵌入式系统示例汽车控制系统尾灯控制 系统后车门控 制系统前车门控 制系统座椅控制 系统发动器控 制系统所有的控 制系统都 是一个完 整的嵌入 式系统 嵌入式系统的未来早在1990年之前，嵌入式系统通常是很简单的且 具有很长的产品生命周期的自主设备。近些年来，嵌 入式工业经历了巨大的变革。 产品市场窗口现在预计翻番的周期狂热到69个 月。

4、 全球重新定义市场的机会和膨胀的应用空间。 互联现在是一个需求而不是辅助性的，包括用有 线和刚刚显露头角的无线技术。 基于电子的产品更复杂化。 互联嵌入式系统产生新的依赖网络基础设施的应 用。 微处理器的处理能力按莫尔定律（Moores L aw ）预计的速度在增加。该定律认为集成电路和晶体 管个数每18个月翻一番。 1.嵌入式系统 2.嵌入式处理器 3.嵌入式操作系统嵌入式系统概述 简介早期的嵌入式系统通常使用普通个人计算机（PC ）中的通用处理器。近年来，随着大量先进的微处理 器制造技术的发展，越来越多的嵌入式系统用嵌入式 处理器建造，而不是用通用目的的处理器。 这些嵌入 式处理器可以大致

5、分为以下几类： 注重嵌入式处理器的尺寸、能耗和价格。应用于 PDA等不注重计算的设备； 注重嵌入式处理器的性能。应用于路由器等计算 密集型的设备； 注重嵌入式处理器的性能、尺寸、能耗和价格。 应用于蜂窝电话等设备；1.2 嵌入式处理器 分类嵌入式处理器可以分为以下几大类：嵌入式微处理器； 嵌入式微控制器； 嵌入式DSP处理器； 嵌入式片上系统（SOC）。 嵌入式微处理器嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将 微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的 母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式 应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微

6、处理器基 本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做 了各种增强。 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，但是在电路板上必须包括ROM、 RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技 术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装 在一块电路板上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。CPUROMRAM外设1外设2单板计算机 嵌入式微控制器嵌入式微控制器又称单片机单片机，它是将整个计算机系统集成到一 块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯 片内部集成ROM/EPROM、RAM、

7、总线、总线逻辑、定时/计数器 、WatchDog、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。为适应不同的应用需求， 一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器 内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以 使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少 功耗和成本。 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，因此称微控制器微控制器。 嵌入式微控制器目前

8、的品种和数量最多，比较有代表性的通用 系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、 MC68HC05/11/12/16、68300、数目众多ARM芯片等。目前MCU 占嵌入式系统约70的市场份额。复位 部件看门狗 部件晶振 部件I/O 部件中断 部件ROM 部件SRAM 部件定时器 部件CPU核 嵌入式DSP处理器DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行 DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT 、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在 通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡

9、到采用嵌入式DSP处理 器。 嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000 系列。TMS320系列处理器包括 用于控制的 C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的 C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000， DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。另外 PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功 耗技术上制造的R. E. A. L DSP处理器，特点是具备双Harvard结构和 双乘/累加单元，应用

10、目标是大批量消费类产品。 嵌入式片上系统(SOC)随着EDA的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展 ，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是 System On Chip(SOC)。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的 标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为 VLSI设计中一种标 准的器件，用标准的 VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只 需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体 工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统 大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很 简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非

11、常有利。 SoC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon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。专用SoC一般专用于某个或某类系统中，不 为一般用户所知。一个有代表性的产品是Philips的Smart XA，它将 XA单片机内核和支持超过2048 位复杂RSA算法的CCU单元制作在 一块硅片上，形成一个可加载JAVA或C语言的专用的SOC，可用于 公众互联网如Internet安全方面。 1.嵌入式系统 2.嵌入式处理器 3.嵌入式操作系统嵌入式系统概述1.3 嵌入式操作系统 概述计算机系

12、统由硬件和软件组成，在发展初期没有 操作系统这个概念，用户使用监控程序来使用计算机 。随着计算机技术的发展，计算机系统的硬件、软件 资源也愈来愈丰富，监控程序已不能适应计算机应用 的要求。于是在六十年代中期监控程序又进一步发展 形成了操作系统(Operating System)。发展到现在，广 泛使用的有三种操作系统即多道批处理操作系统、分 时操作系统以及实时操作系统。 1.3 嵌入式操作系统 概述监 控 程 序操 作 系 统 实时操作系统分时操作系统多道批处理操作系统时 间 先 后 适用于多个用户共享系 统资源适用于计算中心等较大 的计算机系统适用于嵌入式设备和有 实时性要求的系统中1.3

13、嵌入式操作系统 概述监 控 程 序操 作 系 统 实时操作系统分时操作系统多道批处理操作系统时 间 先 后 适用于多个用户共享系 统资源适用于计算中心等较大 的计算机系统适用于嵌入式设备和有 实时性要求的系统中实时操作系统是我 们介绍的重点1.3 嵌入式操作系统 实时操作系统的特点IEEE 的实时UNIX分委会认为实时操作系统应具 备以下的几点: 异步的事件响应 切换时间和中断延迟时间确定 优先级中断和调度 抢占式调度 内存锁定 连续文件 同步 总的来说实时操作系统是事件驱动的，能对来自 外界的作用和信号在限定的时间范围内作出响应。它 强调的是实时性、可靠性和灵活性, 与实时应用软件相 结合成

14、为有机的整体起着核心作用, 由它来管理和协调 各项工作,为应用软件提供良好的运行软件环境及开发 环境。从实时系统的应用特点来看实时操作系统可以分 为两种：一般实时操作系统一般实时操作系统和嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统。一般实时操作系统一般实时操作系统应用于实时处理系统的上位机和 实时查询系统等实时性较弱的实时系统，并且提供了开 发、调试、运用一致的环境。 嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统应用于实时性要求高的实时控 制系统，而且应用程序的开发过程是通过交叉开发来完 成的，即开发环境与运行环境是不一致。嵌入式实时操 作系统具有规模小(一般在几K几十K 内)、可固化， 使用实时性强(在毫

15、秒或微秒数量级上)的特点 。1.3 嵌入式操作系统 基本概念对基于芯片的开发来说，应用程序一般是一个无 限的循环，可称为前后台系统或超循环系统。很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计， 例如微波炉、电话机、玩具等。在另外一些基于微处 理器应用中，从省电的角度出发，平时微处理器处在 停机状态，所有事都靠中断服务来完成。前后台系统 基本概念中断服务程 序处理异步事件 ，这部分可以看 成前台行为，前 台也叫中断级。 时间相关性很强 的关键操作一定 是靠中断服务程 序来保证的。循环中调用 相应的函数完成 相应的操作，这 部分可以看成后 台行为，后台也 可以叫做任务级 。这种系统在处 理的及时性上比

16、实际可以做到的 要差。 ISRISRISRISR后台前台中断服务程序时间前后台系统1.3 嵌入式操作系统 基本概念操作系统是计算机中最基本的程序。操作系统负 责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与 协调等并发的活动；操作系统提供用户接口，使用户 获得良好的工作环境；操作系统为用户扩展新的系统 功能提供软件平台。 操作系统硬件硬件驱动操作系统用户程序1.3 嵌入式操作系统 基本概念实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执 行的背景程序，用户的应用程序是运行于RTOS之上的 各个任务，RTOS根据各个任务的要求，进行资源(包 括存储器、外设等)管理、消息管理、任务调度、异常 处理等工作。在RTOS支持的系统中， 每个任务均有 一个优先级，RTOS根据各个任务的优先级，动态地切 换各个任务，保证对实时性的要求。 实时操作系统（RTOS）1.3 嵌入式操作系统 基本