《嵌入式系统原理与开发 教学课件 ppt 作者 范延滨 于忠清 郑立爱编著 Ch1-嵌入式系统概述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《嵌入式系统原理与开发 教学课件 ppt 作者 范延滨 于忠清 郑立爱编著 Ch1-嵌入式系统概述（54页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、嵌入式系统原理与开发,V1.0,概述 本课程的主要内容,主要内容,嵌入式系统概述概述 1.1嵌入式系统的概念 1.2嵌入式系统分类 1.3嵌入式系统组成结构 1.4嵌入式处理器简介 1.5嵌入式操作系统 1.6嵌入式系统设计流程,嵌入式系统概述,概述 嵌入式系统（Embedded System）。 嵌入式系统是计算机技术、半导体技术、微电子技术、制造技术等多种先进技术的高度融合。 嵌入式技术是继网络技术之后，又一主流技术。 嵌入式系统已经渗透到人类社会的每个角落，如科学教育、工业生产、军事国防、航空航天、医疗卫生、汽车电子、网络设备、消费电子、信息家电等等，无不都在广泛地、深入地应用着嵌入式系
2、统。 例如，小到微型机器人、手机、PDA等，大到飞机、导弹、航天器等，其中都嵌入着一个乃至多个独立的“嵌入式系统”。,嵌入式系统概述,概述 计算机系统有两大分支：通用计算机系统和嵌入式计算机系统（简称嵌入式系统）。 通用计算机系统采用标准化设计：例如PC机。 嵌入式计算机系统是非标准化设计：虽然嵌入式系统具有通用计算机系统的一般特点，但它是以服务于所嵌入的应用对象为目标的，是一种专用计算机系统，具有很多的特殊性。例如，一款手机除了具有一般的通话功能外，还可以有具有GPRS功能、照相功能、MP3功能等。因此，嵌入式系统需要根据具体应用量身定制，通过选择合适的嵌入式处理器、外围功能模块等来定制硬件
3、系统，通过选择合适的嵌入式操作系统、应用协议等来定制软件系统。,1.1 嵌入式系统的概念,嵌入式系统定义 1.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”（Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。 这个定义主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的融合体，还可以涵盖机械等附属装置。 2.国内的定义 嵌入式系统是“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
4、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统”。 国内从事嵌入式系统工作者一般认为IEEE的定义并没有充分体现出嵌入式系统的精髓，而认为国内的专家学者所给出了的定义更为深刻、更为确切、更具有普遍意义。,1.1 嵌入式系统的概念,嵌入式系统定义 3.行业的定义 AMD认为“除桌面微型电脑与笔记微型电脑之外，其它的都叫做嵌入式产品”。显然，这个定义极为宽泛。在这种定义之下，x86系列的嵌入式产品市场变得巨大，因此对生产x86体系结构CPU的厂商更加实用。 4.本书的注解 实际上，嵌入式系统是一个外延极广的名词。本书认为凡是结合产品功能的、含有嵌入式处理器的、运行嵌入式操作系统的、设计专门
5、化的计算系统都叫嵌入式系统。 一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、IO控制器和软件（包括操作系统和应用软件）。这样的定义更便于读者明确对嵌入式系统学习的目标、方向、内容等。,1.1 嵌入式系统的概念,嵌入式系统定义 一个嵌入式系统开发者，需要具有如下知识结构： 1.以嵌入式处理器为核心的知识体系：包括计算机组成与结构、具体嵌入式微处理器（如ARM、MIPS等）、数字电子技术、汇编语言程序设计、硬件描述语言等。 2.以嵌入式操作系统为核心的知识体系：操作系统原理、具体嵌入式操作系统（如C/OS-II、CLinux等）、C/C+语言程序设计、数据结构等。 3.以产品应用为核
6、心的知识体系：模拟电子技术、传感器技术、与应用相关的专业知识（如机械原理、医疗技术等）等。 4.以设计技术为核心的知识体系：硬件设计技术、软件设计技术、软硬件协同设计方法学、编译技术等。 本书的注解不在于对嵌入式系统定义的标准化，而是注重定义的通俗性、功能性、层次性和知识性，便于初学者依照自己的知识体系来理解和学习。,1.1 嵌入式系统的概念,嵌入式系统定义 嵌入式系统的课程体系结构,1.1 嵌入式系统的概念,嵌入式系统特点 从整体上看，嵌入式系统包括嵌入式处理器、定时器、控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片与器件和嵌入在存储器中的嵌入式操作系统、控制应用软件组成，实现诸如实时控制、监视、
7、管理、移动计算、数据处理等各种自动化处理任务。 以应用为中心，以微电子技术、控制技术、计算机技术和通讯技术为基础，强调硬件软件协同性与整合性，软件与硬件可剪裁，以满足系统对功能、成本、体积和功耗等要求。,1.1 嵌入式系统的概念,嵌入式系统特点 1.嵌入性：嵌入到“特定对象体系”中的实体。 2.系统性：嵌入式系统是一个计算系统。 3.智能性：嵌入式系统的核心是嵌入式处理器。 4.专用性：是为“特定对象体系”专门设计的。 5.实时性：要有很好的实时性，满足对象的要求。 6.恰适性：要恰好满足“特定对象体系”的需要。 7.系统设备电子化 8.编程语言低级化 9.操作系统实时化 10.系统性能可测化
8、 11.开发系统专用化,1.2 嵌入式系统分类,分类标准 嵌入式系统可有许多不同的分类方法。 按照嵌入式系统的复杂度分类； 按照嵌入式系统的组成分类； 按照嵌入式处理器的位数分类； 按照嵌入式系统的实时性分类； 按照嵌入式系统的领用领域分类等。,1.2 嵌入式系统分类,1.按照嵌入式系统的复杂度分类 简单嵌入式系统的软硬件复杂度都比较低。例如，常用的有8位或16位单片机系统，不使用操作系统，只有一个监控程序和应用程序。 复杂嵌入式系统的软硬件复杂度都比较高。通常，在硬件上需要使用32微处理器，在软件上含有嵌入式操作系统，这类嵌入式系统集成度高、接口丰富、功能强大。,1.2 嵌入式系统分类,2.
9、按照嵌入式系统的实时性分类 硬实时系统 硬实时系统是指系统要确保在最坏情况下的服务时间，即对于事件响应时间的截止期限必须得到满足，而且其响应时间时刻计算的。比如汽车、舰船、飞机、导弹、卫星的控制等就是这样的系统；通常，工业控制系统也是实时系统。 软实时系统 软实时系统就是那些从统计的角度来说，一个任务能够得到确保的处理时间，到达系统的事件也能够在截止期限前得到处理，但违反截止期限并不会带来致命的错误。如手机就是一种软实时系统；MP3等媒体播放器也是软实时系统。 非实时系统 系统对实时性没有明确的要求，也就是说没有事件响应时间的截止期限，对事件的响应完全由系统自身工作状态所决定。,1.2 嵌入式
10、系统分类,3.按照嵌入式处理器的位数分类 嵌入式处理器是嵌入式系统的硬件核心。嵌入式处理器一般可分为8位、16位、32位嵌入式处理器。那么，嵌入式系统一般也可根据所采用的嵌入式处理器分为8位、16位、32位嵌入式系统。 8位和16位的嵌入式系统通常是以8位和16位微控制器（单片机）为核心构成的简单嵌入式系统，广泛地应用于控制系统、家用电器、汽车电子等。 32位嵌入式系统通常是以32位微处理器或微控制器为核心构成的复杂嵌入式系统，广泛地应用于需要进行手机、消费电子、医疗电子、网络设备等。,1.2 嵌入式系统分类,4.按嵌入式系统的组成分类 嵌入式系统是嵌入式计算系统。按照其组成，可分为嵌入式系统
11、硬件和嵌入式系统软件两大构建。 嵌入式系统硬件 以嵌入式处理器为核心，以丰富的功能接口部件为外围扩展层构建的。外设接口部件一般是以其接口控制器芯片（如USB控制器）为核心搭建的，通过标准的扩展总线与嵌入式处理器实现连接。在嵌入式系统硬件设计中，通常只要把处理器和控制器进行物理连接就可以实现外设接口扩展了。 嵌入式处理器又以处理器核（如ARM核）为核心，片内集成适当的接口控制器（称为片内外设）构成的。例如，基于ARM核处理器S3C44B0X的内部就封装了Cache、I2C、UART、USB、LCD控制器等十几种片内外设。在嵌入式系统设计中，所需要的外围接口电路越来越少。,1.2 嵌入式系统分类,
12、4.按嵌入式系统的组成分类 嵌入式系统软件 嵌入式系统软件一般来说是由嵌入式操作系统和应用软件两部分组成的。本书中的嵌入式系统软件可以分成启动代码（BootLoader）、操作系统内核与驱动、文件系统与应用程序等几部分。 BootLoader是嵌入式系统的启动代码，主要用来初始化处理器、必须使用的控制器、传递内核启动参数给嵌入式操作系统内核，使得内核可以按照所设定的参数要求启动。操作系统内核则主要有4个任务：进程管理、进程间通信与同步、内存管理及I/O资源管理。驱动程序主要提供给上层应用程序，是处理器、外设接口控制器和外部设备进行通信的一个媒介。文件系统则可以让嵌入式软件工程师灵活方便地管理系
13、统。应用程序才是真正针对需求的、才有可能是嵌入式软件工程师完全自主开发的。,1.3 嵌入式系统组成结构,嵌入式系统组成结构概述 嵌入式系统由硬件平台和软件平台两部分组成。 硬件平台主要由嵌入式处理器、外设控制器芯片和硬件设备组成； 软件平台主要由BootLoader、嵌入式操作系统、驱动程序和应用软件组成。 随着芯片技术的不断发展，嵌入式处理器的主频也越来越高，多处理器、多核处理器平台也逐渐应用在嵌入式领域。嵌入式系统的组成也将由单核、低频设计进入多核、高频设计。,1.3 嵌入式系统组成结构,1.典型嵌入式系统的组成结构 图1.1完整地描述了 典型嵌入式系统的硬 件和软件的组成结构。,1.3
14、嵌入式系统组成结构,1.典型嵌入式系统的组成结构 图1.1完整地描述了典型嵌入式系统的硬件和软件各部分的组成结构。 从硬件上大致可分为：内核层、芯片级外设层、用户级外设层； 从软件上大致可分为：启动层、操作系统层、应用层。 对于一个具体的嵌入式系统，图1.1中的各种资源并不一定全部使用、是可裁剪的，但是这一切都需要嵌入式系统开发者根据需求自己去取舍，这就要求嵌入式系统开发者必须同时具有较好的软硬件知识和专业知识。,1.3 嵌入式系统组成结构,2.典型嵌入式系统的硬件结构 硬件层大致可分为三层：内核层、芯片级外设层（内接口层）、用户级外设层（外接口层）。 (1)内核层 内核层主要包括嵌入式处理器
15、核、存储器管理、缓存、调试单元等部件，内核层由处理器核开发商设计。目前，处理器体系结构有50多个系列： 基于CISC结构的嵌入式处理器核有Intel公司的x86系列； 基于RISC结构的嵌入式处理器核有IBM公司的Power PC系列、MIPS公司的MIPS系列和ARM公司的ARM系列等。 ARM公司是ARM核的生产商，流行的ARM核有：ARM7TDMI、strong ARM、ARM9、ARM10、XScale、ARM11、Cortex-A/R/M等。,1.3 嵌入式系统组成结构,2.典型嵌入式系统的硬件结构 (2)芯片级外设层 芯片级外设位于嵌入式处理器芯片内部，也称为片内外设。芯片级外设层
16、主要包括各种接口控制器、总线控制器、协处理器、逻辑控制单元等，决定了嵌入式处理器本身的扩展能力。 在ARM嵌入式处理器中，ARM公司仅仅提供了基于ARM核的系统芯片解决方案和技术授权，而芯片级外设是由各个半导体厂商根据自己产品的市场定位和应用领域来设计开发的，其功能是预设计的、可编程的。 基于SoC技术，将内核层和芯片级外设层集成在一个芯片之中，可以形成一个基于应用的解决方案。以SoC为核心应用最少的外围部件和连线就能完成一个应用系统，极大地简化了系统设计的复杂度。,1.3 嵌入式系统组成结构,2.典型嵌入式系统的硬件结构 (3)用户级外设层 用户级外设是以嵌入式处理器为核心，依据系统功能设计外围接口电路，实现对外设的控制、匹配、驱动等，达到服务于嵌入对象的目标。用户级外设层一般包括存储设备、通信接口设备、扩展设备和机电设备等。这些接口和设备是需要用户根据具体工程要求来具体设计、开发的。 例如，用户选取S3C44B0X嵌入式处理器开发一款数据终端设备，要求系统具有串行口、以太网口、USB口、LCD口等。因为S3C44B0X具有串行口、LCD口等片内外设，因此用
