1-嵌入式系统概述

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1、1 嵌入式系统概述,1.1 嵌入式系统 1.2 嵌入式处理器 1.3 嵌入式操作系统 1.4 嵌入式系统基本组成,1.1 嵌入式系统,概述 嵌入式系统诞生于微型计算机时代，与通用计算机的发展道路完全不同，形成了单芯片为基础的技术发展道路。 通用计算机按高速、海量的技术发展 嵌入式系统则为满足对象要求，按照嵌入式、智能化控制的要求发展 随着半导体工艺的提高，经过最近二十几年的发展，已经在很大程度上改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变还在加速 应用广泛，具有无数的种类，每类都具有自己独特的个性 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

2、容易驾驶,3,什么是嵌入式系统？,1.1 嵌入式系统,现实中的嵌入式系统 无处不在 嵌入式系统也无处不在。工业自动化、国防、运输和航天领域。如神州飞船和长征火箭中肯定有很多嵌入式系统，导弹制导系统也是嵌入式系统，高档汽车中有多达几十个嵌入式系统 难以分开（相当重要） 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。,1.1 嵌入式系统,现实中的嵌入式系统,6,用于水下勘测的螃蟹机器人,英国巴斯大学一位研究生设计的，它目前可以在陆地上任意移动，未来的开发设计将计划将它用于完全的

3、水下勘测任务操作。,1.1 嵌入式系统,1.1 嵌入式系统,嵌入式系统示例汽车控制系统,1.1 嵌入式系统,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,1.1 嵌入式系统,嵌入式系统示例电动汽车,10,嵌入式系统示例Finepix数码相机的解剖照片,1.1 嵌入式系统,嵌入式系统的概念 嵌入机械或电气系统内部、具有专属功能的智能化计算机算机系统。通常要求实时计算性能，具有一定的复杂性。被嵌入的系统通常是包含硬件和机械部件的完整设备。 由于微型计算机无法满足绝大多数对象体系嵌入式要求的体积、价位、

4、可靠性，因此嵌入式系统的发展需要依靠集成度的提高。 首先是计算机芯片化，成为单片微型计算机(SCMP) 其后是满足对象体系的控制要求，单片机不断从SCMP向微控制器（MCU）和片上系统（SoC）发展 软件具有可裁剪性、通用性、可移植性 无论怎么发展变化，都改变不了以下技术本质 内含计算机 嵌入到对象体系中 满足对象智能化控制要求,1.1 嵌入式系统,嵌入式系统的定义 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系统 从系统

5、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 根据IEEE（国际电机工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment,machinery orplants）。,1.1 嵌入式系统,嵌入式系统的特点 嵌入性：嵌入产品内部 内含计算机：嵌有微处理器或微计算机 专用性：按要

6、求的软、硬件剪裁 嵌入式系统的相关技术 多学科：计算机、电子技术、集成电路、通信技术等 更新速度快:应用要求、硬件技术、软件技术 嵌入式系统的前沿技术 基于集成开发环境的应用开发 应用系统的用户SoC设计 操作系统的普遍应用 普遍的网络接入 先进的电源技术 多处理器SoC技术,14,用4个阶段来刻画嵌入式系统的发展简史 第一阶段 以4到8位单片机为核心的可编程控制器系统 第二阶段 以8到16位嵌入式处理器（CPU）为基础 第三阶段 32位RISC嵌入式中央处理器 嵌入式操作系统 第四阶段 基于Internet接入为标志的嵌入式系统,1.1 嵌入式系统,15,按照控制技术的复杂度来描述嵌入式系统

7、 低端嵌入式系统 以4到8位单片机为核心，以循环程序为主控制程序。 中端嵌入式系统 采用简单的操作系统 高端嵌入式系统 采用实时操作系统 按照用途可以把嵌入式系统分成以下三类 工业用/军用/民用,1.1 嵌入式系统,16,有以下发展趋势： 32位处理器更广泛地得到普及 单核向多核过渡，64位处理器核逐步普及 向网络化功能发展 更加友好的多媒体人机界面 MCU、FPGA、ARM、DSP等齐头并进 嵌入式操作系统呈多元化趋势 无线应用（GPS、GPRS、4G、FRID）将普及 平台技术更加成熟,1.1 嵌入式系统,17,主要包括以下几个边缘学科 物联网 普适计算 人机交互 多媒体技术 无线传感器网

8、络 信息安全 轻量级数据库,1.1 嵌入式系统,18,简明扼要地了解一个嵌入式系统,为了简洁地描述描述一个嵌入式产品和与之配套的专用计算机系统，我们主要了解它的三个核心要素： 功能和性能 处理器芯片 操作系统或者监控程序,1 嵌入式系统概述,1.1 嵌入式系统 1.2 嵌入式处理器 1.3 嵌入式操作系统 1.4 嵌入式系统基本组成,1.2 嵌入式处理器,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分为以下几类： 注重嵌入式处理器的尺寸

9、、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 Embedded Micro-Processor Uint，EMPU 微控制器 Micro-Controller Uint，MCU DSP处理器 Digital Signal Processor Uint，DSP 片上系统（SOC） System on Chip，SoC,1.2 嵌入式处理器,分类嵌入式微处理器 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU 将微

10、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，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，嵌入式微处理器在功能上和标准微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 单板计算机 和工控计算机相比，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，又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,1.2 嵌入式处理器,分类嵌入式微处理器,1.2 嵌入式处理器,分类

11、嵌入式微控制器 又称单片机 是将整个计算机系统集成到一块芯片中。以某一种微处理器内核为核心，内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、PWM、A/D、D/A、Flash、EEPROM等必要功能和外设。为适应不同应用，一个系列的具有多种衍生品，衍生品处理器内核一样，不同的是存储器、外设的配置及封装。可以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 微控制器 和嵌入式微处理器相比，最大特点是单片化，体积大大减小，功耗和成本下降、可靠性提高。是目前嵌入式系统工业的主流。片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器 数量

12、最多 品种和数量最多，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,1.2 嵌入式处理器,分类嵌入式微控制器,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,1.2 嵌入式处理器,分类嵌入式DSP处理器 特殊设计 对系统结构和指令进行了特殊设计，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

13、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 TI、Motorola 有代表性的产品是Texas Instruments的TMS320系列、Motorola的DSP56000系列。TMS320包括用于控制的C2000系列、移动通信的C5000系列、性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000、56100、56200、56300等几个不同系列。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

14、用目标是大批量消费类产品,1.2 嵌入式处理器,分类嵌入式DSP处理器,1.2 嵌入式处理器,分类嵌入式片上系统(SOC) EDA / VLSI 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

15、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、提高可靠性非常有利 通用 / 专用 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 嵌入式系统概述,1.1

16、嵌入式系统 1.2 嵌入式处理器 1.3 嵌入式操作系统 1.4 嵌入式系统基本组成,1.3 嵌入式操作系统,概述 监控程序 计算机系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 操作系统 随着计算机技术发展，计算机系统硬件、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： 多道批处理操作系统 分时操作系统 实时操作系统,1.3 嵌入式操作系统,概述,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,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实时UNIX分会认