嵌入式系统软件开发 -- 概述

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1、嵌入式系统软件开发 概述西安交通大学 软件学院A103杜小智2为什么要学习嵌入式系统l市场需求 中国具有世界最大嵌入式技术市场，将成为世界 第一，手持仪器设备、信息家电、城市建设、工业控制、军事 应用嵌入式技术无处不在。l企业人才需求 软硬件设计人才，应用开发人才，综合性人 才l技术发展趋势要求8位、16位、32位，实时操作系统3引言vHelloworld.cv #include v void main() v vprintf(“Hello, worldn“); v 4提纲v课程简介v嵌入式系统概述5课程简介v 内容 介绍嵌入式系统的发展趋势、设计方法以及嵌入式编程技术v 方式 讲课与实验相结

2、合v 目的 培养学生的实际动手能力，使学生能够掌握嵌入式系统软件开发的 基本方法6课程简介v 考核方式 考勤 （10%） 作业 （10%） 考试 （80%）v 教材及参考书目 田泽 编著 嵌入式系统开发与应用教程（第2版），北京航 空航天大学出版社，2010 俞辉等编著ARM嵌入式Linux系统设计与开发，机械工业 出版社，2010 孟庆洪、侯宝稳 编著 ARM嵌入式系统开发与编程，清华 大学出版社，2011 陈丽蓉 等编著 嵌入式微处理器系统及应用，清华大学出版 社，20107嵌入式系统概述1 13 32 2嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的定义及特点嵌入式系统的组成结构8嵌入式系统的应用领域

3、v工业控制 工控设备研祥IPC-8462（嵌入式一体式工作站 ） 数控冲床送料机 三菱伺服系统 9嵌入式系统的应用领域v工业控制 智能仪表智能电表 智能水表 智能热量表 智能煤气表10嵌入式系统的应用领域v工业控制 汽车电子11嵌入式系统的应用领域v工业控制 航空电子12嵌入式系统的应用领域v军事电子13阿富汗参加反恐作战的“赫 耳墨斯”价值4万美元，可 携带2架摄像机，发挥了很 好作用。嵌入式系统的应用领域v军事电子 军事侦察14嵌入式系统的应用领域v军事电子 反恐防暴15嵌入式系统的应用领域v网络设备交换机 路由器 嵌入式网络设备服务器系统的硬件结构图 16嵌入式系统的应用领域v消费电子

4、信息家电17嵌入式系统的应用领域v消费电子 智能玩具18嵌入式系统的应用领域v消费电子 娱乐19嵌入式系统的应用领域v医疗电子20v其它应用嵌入式系统的应用领域21嵌入式系统的应用领域vPC键盘 鼠标 硬盘 软驱 显卡 显示器 Modem 网卡 声卡 打印机 扫描仪 USB集线器 2222v 嵌入式软件产业现已成为中国IT产业中的一个重要新兴产业和增 长点。 v 嵌入式系统在家电、电子、汽车、通信、交通、金融、网络、监 控、工业自动化等领域有广泛应用 。嵌入式系统应用现状2323v 分析：2011年中国嵌入式软件市场规模为4650亿左右，嵌 入式行业已成为当前信息产业中最热门、最有发展前途的行

5、业 之一嵌入式系统市场现状24嵌入式系统概述1 13 32 2嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的定义及特点嵌入式系统的组成结构25嵌入式系统的定义vIEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：v嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助 操作机器和设备的装置”（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。v可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入 式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等 附属装置。26嵌入式系统的定义v一般定义 “以应用为中心、以计算机技

6、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。”嵌入式系统的知识体系28v1.系统内核小v 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。v 比如ENEA公司的OSE分布式系统，内核只有5KB，而 Windows的内核则要大得多。嵌入式系统的特点29v.专用性强v 嵌入式系统的个性化很强，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。v 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。v 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

7、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。 嵌入式系统的特点30v3.系统精简v 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。嵌入式系统的特点31v.高实时性OSv 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。 嵌入式系统的特点32v5.嵌入式软件开发走向标准化v 嵌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。v 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（Real

8、 Time 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。嵌入式系统的特点33v6.嵌入式系统需要开发工具和环境v 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。 v 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。 v 开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作 为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。 嵌入式系统的特点34嵌入式系统概述1 13 32 2嵌入式系统的应用领域嵌入式

9、系统的定义及特点嵌入式系统的组成结构35嵌入式系统的组成结构应用程序实时操作系统（RTOS）输入输出接口处理器/ARM核MMU/CacheSOC/SOPCUSBGPIO IISLCD UART和IrDAADC/DACFPGA/CPLDDSP/浮点运算协处理器DMA电源管理典型的嵌入式系统组成人机交互接口LCD/触摸屏、键盘、鼠标设备驱动程序、HAL、BSP文件系统/图形用户应用程序接口驱动层OS层应用层软件硬件以太网看门狗及 复位电路Timer/RTC CAN FlashEEPROMSDRAMSRAM内存嵌入式系统硬件组成及开发嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器或微处理器核为核心的SoC/SOP

10、C，配置必要的外围接口部件。 嵌入式处理器 嵌入式外围接口电路和设备接口37嵌入式系统的核心-嵌入式微处理器第一颗微处理器的诞生：1971年，Intel Ted Hoff，40041）嵌入式微处理器38v 对实时多任务有很强的支持能力。v 具有功能很强的存储区保护功能。v 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最 高性能的嵌入式微处理器。v 嵌入式微处理器必须功耗很低。 嵌入式处理器特点39v通用微处理器： 目标：高速海量的数字处理能力 路线：总线速度的无限提升，存储量的无限扩大 其他：功耗的增加；体积的增加v嵌入式微处理器： 目标：与对象系统密切相关的嵌入式性能、控制能力、控制的可

11、靠 性 路线：单芯片实现，多样性 其他：低功耗、小体积、接口丰富微处理器的两个发展分支40以Intel为例，从1978年8086的诞生开始 飞速发展，经历186，286，386，486 ，奔腾I，II，III，P4，Core，Core 2 Quad，Core i7 2600 特点： v 硬件上的高处理性能，大容量存储介质 v 软件上庞大而日益完善的操作系统 v 开发团队上的高度专业化 v 通常都很贵，很热通用微处理器的发展道路41嵌入式微处理器独立发展的标志为Intel MCS-51单片机的诞生，后经 多家厂商的8、16、32位嵌入式微处理器不断出新，到最新的SoC技 术，呈现百家争鸣的状态。

12、特点：v 硬件上的多样性，单芯片解决方案 v 软件上精简、可靠、实时的系统 v 开发领域的广泛化嵌入式微处理器的发展道路42v速度、体积、功耗、外设接口电路通用处理器与嵌入式处理器的差异嵌入式处理器 嵌入式微处理器（Microprocessor） 嵌入式微控制器MCU（Microcontroller Unit） 嵌入式DSP（Digital Signal Processor） SoC/SOPC44v 通用计算机的CPU v 专门设计的电路板 只保留和嵌入式应用有关的主板功能 v 增强温度范围、抗电磁干扰、可靠性等方面 v 功能与和工业控制计算机相似 v 嵌入式微处理器目前主要有Am186/88

13、、386EX、SC-400、 Power PC、68000、MIPS、ARM系列等嵌入式微处理器(MPU)45v 又称单片机 v 以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM或EPROM、 RAM、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 v 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。 v 代表性的通用系列包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296 、C166/167、AT89C51/52、MC68HC05/11/12/16、 68

14、300等嵌入式微控制器(MCU)46v 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。 v 在数字滤波、FFT、频谱分析等方面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 渡到采用嵌入式DSP处理器。 v 有代表性的产品是Texas Instruments的 TMS320系列和 Motorola的DSP56000系列。TMS320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C8000系列等嵌入式DSP处理器(DSP)47v 在一个硅片上实现一个复杂的系统 v

15、整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去 v 应用系统电路板将变得很简洁 SOC可以分为通用和专用两类v 通用系列包括Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core ，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片 ，以及大规模的可编程逻辑CPLD、FPGA等。v 专用SOC一般专用于某个或某类系统中。嵌入式片上系统(SOC)SoC 1553系统架构SoC-FC系统架构 用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作可编程片上系统SOPC SOPC是一种特殊的嵌入式系统：首先它是SoC，即由单个芯片完成整个系统的主要逻

16、辑 功能，具有一般SoC的基本属性；其次，它又具备软硬件在系统可编程的功能，是可编程 系统，具有可裁减、可扩充、可升级等灵活的设计方式； SOPC技术是可编程逻辑器件在嵌入式应用中的完美体现。 SOPC结合了SoC和PLD、FPGA各自的优点。嵌入式SOPCSOPC技术基础 超大规模可编程逻辑器件及其开发工具的成熟；v FPGA密度提高；v FPGA制造成本大大下降；v FPGA设计、综合、仿真、测试工具功能及性能快速发展。 微处理器/DSP以IP核的形式方便的嵌入到FPGA中； 基于IP 核的开发模式深入人心。v SOPC是PLD和SoC技术融合的结果，具有设计费用低、 风险小、开发周期短、灵活性好等优点。v 目前的SoC产品设计、制造价格仍然相当昂贵，相反，