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1、嵌入式系统,第一讲 嵌入式系统简介, 计算机学院 陈勉,西安电子科技大学计算机学院,2,1.1 引言,由于信息技术、网络技术的高速发展和后PC时代的到来，嵌入式系统已经广泛渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术以及人们的日常生活中。嵌入式系统应用的例子比比皆是。可以说，嵌入式系统无所不在、无处不在。,西安电子科技大学计算机学院,3,应用举例（一）,智能玩具,西安电子科技大学计算机学院,4,应用举例（二）,汽车电子,西安电子科技大学计算机学院,5,应用举例（三）,信息家电,西安电子科技大学计算机学院,6,应用举例（四）,消费电子,西安电子科技大学计算机学院,7,应用举例（五）
2、,工业国防,西安电子科技大学计算机学院,8,嵌入式系统的应用范围如此之广，涉及面如此之大，以至于有些学者断言嵌入式技术将成为后PC时代的主宰。,前景,西安电子科技大学计算机学院,9,何为嵌入式系统,简单的讲，就是嵌入到对象体中的专用计算机系统。 嵌入式系统三要素 ： 嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求 。 专用性：软、硬件按对象要求裁减。 计算机：实现对象的智能化功能 。,西安电子科技大学计算机学院,10,1.2 嵌入式系统定义,IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）的定义 ： devices used to con
3、trol, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants （用于控制、监视或者辅助操作设备和机器的装置 ） 目前国内一个普遍被认同的定义是： 以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬 件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。,西安电子科技大学计算机学院,11,1.3 嵌入式系统的内涵,从技术角度 嵌入式系统是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统。 从系统角度 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。,西安电子科技大学计
4、算机学院,12,1.4 嵌入式系统外延,广义的讲，凡是带有智能处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。,西安电子科技大学计算机学院,13,1.5 嵌入式系统的特点,嵌入式系统是应用于特定环境下执行面对专业领域的应用系统，与通用计算机比起来其具有以下显著特点： 系统内核小（资源有限）； 专用性强； 运行环境差异大； 可靠性要求高（无人值守）； 通常要求有高实时性的操作系统； 具有固化在非易失性存储器中的代码； 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境； 一旦进入市场，就具有较长的生命周期；,西安电子科技大学计算机学院,14,1.6 嵌入式系统历史,20世纪70年代单片机的出现，这时的应用只是使用
5、8位的芯片执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的概念。 20世纪80年代出现商业级的嵌入式“操作系统”，并在其上编写嵌入式应用软件。 1981年，Ready System开发出世界上第一个商业嵌入式实时内核（VTRX32）。 20世纪90年代以后，出现实时多任务操作系统（RTOS），并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。,西安电子科技大学计算机学院,15,1.7 嵌入式系统组成,硬件组成,西安电子科技大学计算机学院,16,嵌入式系统组成,软件组成,西安电子科技大学计算机学院,17,1.8 硬件抽象层,早期的嵌入式系统包含3个部分：硬件平台、嵌入式实时操作系统和应用程序； 经过不
6、断发展，在硬件平台和操作系统之间演化出了新的一层硬件抽象层； 硬件抽象层屏蔽了底层硬件的多样性，操作系统不再直接面对具体的硬件环境，而是由硬件抽象层代表的、逻辑上的硬件环境。 板级支持包是大多数商用嵌入式操作系统实现可移植性所采用的一种方案，是硬件抽象层的一种实现。,西安电子科技大学计算机学院,18,1.9 嵌入式系统的分类,按表现形式分（硬件范畴） ： 系统级：各种类型的工控机、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。,西安电子科技大学计算机学院,19,嵌入式系统的分类,按实时性要求分（软件范畴） ： 非实时系统（PD
7、A）。 软实时系统（消费类产品）。 硬实时系统（工业和军工系统）。,西安电子科技大学计算机学院,20,1.10 处理器的分类和现状,嵌入式系统硬件的核心部件是嵌入式处理器，按嵌入式处理器用途可分为： 嵌入式微控制器（Micro Controller Unit MCU） 嵌入式DSP（Digital Signal Processor） 嵌入式微处理器（Micro Processor Unit MPU） SOC（System On Chip） SOPC（System On Programmable Chip）,西安电子科技大学计算机学院,21,嵌入式微控制器,嵌入式微控制器的典型代表是单片机。 单
8、片机芯片内部集成了ROM/EPROM，RAM，总线，定时器/计数器，看门狗，I/O，串行口，脉宽调制输出，A/D，D/A,FLASH,E2PROM 等。 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丰富，适合用于控制，因此称为微控制器。,西安电子科技大学计算机学院,22,嵌入式DSP,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，具有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、FFT、频谱分析等仪器上，DSP获得了大规模的应用。,西安电子科技大学计算机学院,23,嵌入式微处理器,嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来。具有32位以上
9、的总线，在实际嵌入式应用中，它只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件以实现嵌入式应用的特殊要求。目前主要的嵌入式处理器类型有ARM、MIPS、POWER PC等。 与嵌入式微控制器的区别（大体上） 微控制器存储器在片内 微处理器存储器在片外,西安电子科技大学计算机学院,24,处理器发展举例,Intel 4004 Microprocessor Introduced in 1970 First microprocessor 4 bit architecture ! 2,250 transistors 12 mm2 Clock: 108 kHz,西安电子科技大学计算机学院,25,Intel 8085
10、Microprocessor,Introduced in 1974 8-bit architecture Still used in some microcontroller applications !,西安电子科技大学计算机学院,26,Intel 8086 Microprocessor,Introduced in 1979 29,000 transistors 33 mm2 Clock: 5 MHz 16 bit architecture,西安电子科技大学计算机学院,27,Intel 386 Microprocessor,Introduced in 1985 275,000 transis
11、tors 43 mm2 Clock: 16 MHz 32 bit architecture,西安电子科技大学计算机学院,28,Intel 486 Microprocessor,Introduced in 1989 1,200,000 transistors 81 mm2 Clock: 25 MHz 32 bit architecture 1st pipelined implementation of IA32,西安电子科技大学计算机学院,29,Intel Pentium Microprocessor,Introduced in 1993 3,100,000 transistors 296 mm
12、2 Clock: 60 MHz 32 bit architecture 1st superscalar implementation of IA32,西安电子科技大学计算机学院,30,Pentium Processor Details,State Registers Memory Control ROM Combinational logic,西安电子科技大学计算机学院,31,SOC,将通用处理器的IP核和功能模块的IP核按用户要求组成系统，仿真后提交芯片厂商生产。（也可下载到FPGA中。百万门）绝大部分系统构件都在系统内部。（SOC技术与前三种嵌入式处理器是不一样的）,西安电子科技大学计算机
13、学院,32,SOPC,用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统： 首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能； 其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。,西安电子科技大学计算机学院,33,1.11 嵌入式操作系统分类,嵌入式系统软件一般由嵌入式操作系统和应用软件组成 ；操作系统是连接计算机硬件与应用程序的系统程序，从实时性的角度来看，可分为： 非实时操作系统（如WinCE，Linux等） 实时操作系统（RTOS）：计算的正确性不仅取决于程序的逻辑正确
14、性，更取决于结果产生的时间。,西安电子科技大学计算机学院,34,1.12 软件开发环境的建立,交叉开发环境 在线调试 在线仿真 ROM监控器 软件模拟环境 评估电路板（最为常见）,西安电子科技大学计算机学院,35,1.13 嵌入式系统的应用,工业控制 交通管理 信息家电 家庭智能管理系统 POS网络及电子商务，电子政务 环境检测 机器人 ,西安电子科技大学计算机学院,36,1.14 嵌入式系统的发展趋势,嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持 互联网成为必然趋势 支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本 提供精巧的多媒体人机界面,西安电子科技大学计算机学院,37,西安电子科技大学计算机学院,38,西安电子科技大学计算机学院,39,西安电子科技大学计算机学院,40,西安电子科技大学计算机学院,41,西安电子科技大学计算机学院,42,西安电子科技大学计算机学院,43,西安电子科技大学计算机学院,44,谢谢！,
