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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2联系方法主讲教师:白跃彬 副教授牛建伟 副教授地 址:体育馆南配楼404房间如新楼307房间电 话:0108231999001082317601邮件地址:课程网址:ftp:/es: 交3课程目的n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。n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
2、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。4需要的基础知识n先导课程 计算机操作系统 微机原理 C语言n需要了解的基础知识 了解操作系统、单片机和微机原 理的基本概念，能够熟练使用C语言 。5学时分配n课程属性： 专业基础课n总学时数： 48 n课内学时： 48n讲课学时数：30n实验学时数：18n学分： 36课程大纲（约30学时）课次学时形式内容 第2周3讲课绪论 第3周3讲课嵌入式硬件基础第4周3讲课ARM微处理器体系结构 第5周3讲课ARM指令集第6周3讲课基于ARM的嵌入式硬件接口设计 第8周3讲课嵌入式硬件设计工具使用
3、Cadence 第10周3讲课嵌入式操作系统概述 第12周3讲课嵌入式Linux 第14周3讲课嵌入式软件开发方法概述 第16周3讲课嵌入式系统设计实例分析 第19周2考试时间：周五晚8:00-11:00 地点：4号楼315 7专题实验内容（18学时）地点：2号楼机房（上午9:0012:00）课次学时形式内宾 第 7周3实验实验一：熟悉基本开发环境及软硬件平台C和ARM汇编程序混合设计（整数排序算法） 第 9周3实验实验二：嵌入式Linux程序设计（串口通信程序）第11周3实验实验三：嵌入式linux内核第13周3实验实验四：嵌入式Linux图形程序设计第15周3实验实验五：触摸屏及LED驱动
4、程序设计（大作业）第17周3实验实验六：触摸屏及LED驱动程序设计（大作业）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8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）9n掌握一种学习方法-理论学习和实践并重n学习嵌入式软硬件系统的基本概念、基本
5、原理和设计方法n获得嵌入式开发设计的实践经验n获得学分n为未来职场的发展奠定技术基础大家能够期望的收获10您的期望合理吗？通过本门课程的学习，你将获得以下知识：n了解嵌入式软件开发流程（期望值：）n学会使用实时操作系统，了解多任务（期望值： ）n掌握基本嵌入式硬件知识（期望值：）n提高C语言编程能力（期望值：）n独立或合作开发出嵌入式应用软件（期望值： ）n掌握嵌入式软件编程（期望值：）n掌握硬件设计知识（期望值：）n学会操作系统移植（期望值：）n成为嵌入式系统设计高手（期望值：）111. 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
6、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12n考核方式n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131C H A P T E R绪论14主要内容1 13 32 24 4嵌入式系统简介嵌入式处理器嵌入式操作系统嵌入式系统的典型应用5 5嵌入式系统的基本设计过程15嵌入式系统简介n计算机系统的三大领域n服务器市场n功能强n利润最大的市场n可用性强n可扩展性n桌面市场n最广阔
7、的市场n嵌入式市场n潜力最大的市场16嵌入式系统简介n以往计算机分类：n大型计算机、中型机、小型机和 微计算机n目前计算机分类：n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17嵌入式系统简介18嵌入式系统简介n 一般定义n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 机硬件集成在一起的系统（技术角度）n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
8、）n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。n广义定义n任何一个非计算机的计算系统19nIEEE定义n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）。n通常执行特定功能n嵌入式系统的核心-嵌入式微 处理器n严格的时序和稳定性要求n全自动操作循环嵌入式系统简介20n微机学会定义n嵌入式系统是以嵌入式应用为目 的的
9、计算机系统。可分为系统级、板级、 片级n系统级：各种类型的工控机、PC104模 块n板级：各种类型的带CPU的主板及OEM产 品n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21嵌入式系统简介n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。n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，具有自己操作系统，具有特定功能，用于特定场合的嵌入式系统。本课程中的
10、嵌入式系统是指狭义上的嵌入式系统。22嵌入式系统简介n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，在它的 基础上研制成功了8051。 231981年
11、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24嵌入式系统简介n基于8位，16位，32位的嵌入式系统n微处理器飞速发展的结果是嵌入 式计算成
12、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。25嵌入式系统简介n典型的8位微处理系统nMCS-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。26嵌入式系统简介n典型的16位微处理系统nMC
13、S-96系列单片机和16位DSP芯片27嵌入式系统简介n典型的32位微处理系统nARM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。28n特点n功耗限制n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 。n低成本n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。n多速率n系统同时运行多个实时性任务，系统必 须同时控制这
14、些动作，但这些动作有些速度慢，有些速 度快。n环境相关性n嵌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29嵌入式系统简介n特点n系统内核小n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。n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。n专用性强n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。n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。30嵌入式系
15、统简介n特点n不可垄断性nPC有WinTel垄断n嵌入式系统工业的基础是以应 用为中心的“芯片”设计和面向应用的软件 产品开发。n产品相对稳定性n普通处理器18月n嵌入式处理器810年31嵌入式系统简介n实时性n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。n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。n实时系统n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。n嵌入式系统实时系统n有些嵌入式系统没有实时性要求32嵌入式系统简介n硬实时软实时n“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， 而对于硬实时系统来说却是灾难性的 n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。 33嵌入式系统简介n实时频谱图34嵌入式系统简介n市场n2001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%。n据CCID2003年的数据显示，2000 年嵌入式软
