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1、嵌入式系统设计 一、 概 述,课程目的,本课程围绕基于ARM的微处理器，介绍了嵌入式系统前沿发展趋势，理解其设计方法，学会嵌入式编程技术。 课程采用讲课与实验相结合的方式。 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。 学生基础：学过C语言、微机原理以及接口技术等。,提 要,1,3,2,4,嵌入式系统的应用领域,嵌入式系统的定义与体系结构,嵌入式系统的教学,嵌入式系统的实践,嵌入式系统的应用领域,嵌入式应用,信息家电,智能玩具,军事电子,通信设备,移动存贮,工控设备,智能仪表,汽车电子,网络设备,消费电子,军事国防,电子商
2、务,网络,工业控制,嵌入式系统的应用,家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。,现代化家庭,社会发展方面：嵌入式Internet应用,汽车电子产品（18个嵌入式控制模块）CAN总线网络,VOLVO S80汽车的CAN总线网络,嵌入式应用汽车电子,嵌入式技术应用工业控制,工业方面：机床、冶金、电子、交通、航空航天等行业技术升级的重要基础。,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。,军事侦察,2002年11月28日，以色列一选举投票点，发生枪击事件，造成至少7人死亡，数十人受伤。以警方用机器人在检查一具巴勒斯坦枪手的尸体。,反恐防暴
3、,微型飞行器-“黑寡妇”,空中飞行器,嵌入式系统与机器人技术,图：卡耐基梅隆大学和瑞士EPFL研制的机器人控制 （采用卡西欧PDA和Windows CE）,基于Win CE的移动机器人平台,智能玩具与机器人,基于RTLinux的仿人机器人,高 48 cm 重: 6 kg 灵活性：20 DOF 操作系统: RT-Linux 接口形式: USB 1.0 (12Mbps) 响应周期: 1ms 能源： DC24V x 6.2A (150W) 制造：富士通,基于VXworks的火星探路者,2004年“勇气号”再次登陆火星,提 要,1,3,2,4,嵌入式系统的发展及应用领域,嵌入式系统的定义与体系结构,嵌
4、入式系统的教学,嵌入式系统的实践,嵌入式系统的发展历史硬件,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。,1981年Read
5、y System发展了世界上第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。 今天RTOS已经在全球形成了1个产业，根据美国EMF（电子市场分析）报告，1999年全球RTOS市场产值达3.6亿美元，而相关的整个嵌入式开发工
6、具（包括仿真器、逻辑分析仪、软件编译器和调试器）则高达9亿美元。,嵌入式系统的发展历史软件,IEEE定义,根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：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）。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。,一般定义,“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的
7、专用计算机系统。”,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：各种类型的工控器、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,微机学会的定义,单片机与嵌入式系统应用定义,嵌入式系统是嵌入到对象体系内部的专用计算机系统,嵌入式系统,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
8、调那些使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有操作系统，具有特定功能，用于特定场合的嵌入式系统。这里所谓的嵌入式系统是指狭义上的嵌入式系统。,嵌入式系统的几个重要特征,（1）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分布式系统，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。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。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
9、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。,（）系统精简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。,（）高实时性OS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。,（5）嵌入式软件开发走向标准化 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。 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（RealTime Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时
10、性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。,（6）嵌入式系统需要开发工具和环境 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。 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。 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。,嵌入式系统简介,处理器,存储器,输入接口,操作系统 (驱动程序),应用程序,软件子系统,硬件子系统,嵌入式系统组成,输出接口,外围设备,嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就 具备以下
11、4个特点: 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。 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。 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至W级。,嵌入式处理器,嵌入式微处理器,全世界只有4%的计算机处理芯片用于计算机中,Source:
12、 Embedded Systems Programming, May 1999,Average car has about 15 microprocessors. Mercedes S-class: 63 microprocessors !,32-bit,嵌入式微处理器,16-bit,8-bit,4-bit,250 million,1 billion,1 billion,1 billion,125 million PCs,Intel, AMD,Motorola, ARM, MIPS, i960, x86, ,其中只有4%的 微处理器,嵌入式微处理器分类,（1）嵌入式微控制器,嵌入式微控制器的典
13、型代表是单片机，这种位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。 单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、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。 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，因此称为微控制器。,（2）嵌入式DSP处理器,DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP
14、获得了大规模的应用。 DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。 目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/ C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。,MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。 与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的
15、功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。,（3）嵌入式微处理器（Micro Processor Unit),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。目前主要的嵌入式处理器类型有Atme186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等,SoC 就是System on Chip ，SoC嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。 它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，像是ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他的微处理器核心，加上通信的接口
16、单元，像是通用串行端口（USB）、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。,（4）嵌入式片上系统(System On Chip),新的发展方向：SOC,ASIC Core,Memory,Embedded Processor Core,Analog Functions,Communication,Sensor Interface,RTOS是32位嵌入式CPU的软件基础,RTOS内核 提供CPU的管理 硬件初时化，MMU，定时器，中断 RTOS内核提供任务，内存管理 RTOS提供设备管理，文件和网络的支持 RTOS提供C/C+，JAVA，图形模块等编程接口,VxWorks,VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地。VxWorks所具有的显著特点是： 可靠性、实时性和可裁减性。 它支持多种处理器，如x86、i960、Sun Sparc、Motorola MC68xxx、MIPS 、POWER PC等等。大多数的VxWorks API是专有的，火星机器人。,
