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1、嵌入式系统Embedded System河北科技大学 赵哲Before the Beginl你的职业理想：研发工程师本专业相关辅助工作与专业完全无关的工作考研没有理想你的未来掌握在自己的手中 大四对你人生的影响不亚于高考 对这门课的要求l知道什么是嵌入式系统l知道嵌入式系统涉及到哪些知识l知道嵌入式设计的一般流程l了解嵌入式发展的动态和方向l搭建学习嵌入式系统的框架，减少日后自学的盲目性（自学的最大难点是如何客服盲目性）嵌入式系统是一个无限大的系统l嵌入式系统入门的要求：l建立了本专业完整的知识体系l熟悉计算机相关的知识l对编程有感觉l实践l自学第一章 嵌入式系统概况 河北科技大学 赵哲本章内
2、容1.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义1.2 嵌入式技术的应用领域及发展趋势嵌入式技术的应用领域及发展趋势1.3 嵌入式系统组成简介嵌入式系统组成简介 发展历史lARM是Advance Risc Machine的缩写。lARM公司于1990年11月在英国剑桥成立，前身为Acorn计算机公司。lARM公司是知识产权（IP）公司，本身不生产芯片，靠转让设计许可，由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。lARM公司已成为移动通信，手持设备，多媒体数字消费嵌入式解决方案的Risc标准。嵌入式系统的定义3.IEEE定义，嵌入式系统是“用于控制、监视或得辅助操作机器和设备的装置”。可以看出，此定义是从应用
3、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。嵌入式系统的定义 IEEE(国际电气和电子工程师协会)定义原文：devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants. 由此可以看出，从应用上考虑，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。嵌入式系统的定义4. 一般定义：“以应用为中心，以计算机技术为基础，软件、硬件可裁减，功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统的定义
4、 5. 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。总之，嵌入式系统采用“量体裁衣”的方式把所需的功能嵌入到各种应用系统中。6、有些资料甚至把FPGA都称为“嵌入式系统”嵌入式系统的定义6.我的定义外沿：电视、洗衣机、微波炉、飞机、坦克等等应用逻辑控制单元的逻辑控制单元的电子产品或应用电子技术的产品的控制系统控制系统。1.1、嵌入式系统的定义6.我的定义内涵：必要条件：1、计算机系统2、独特的应用3、结合其他部件工作1.1、嵌入式系统的定义6.我的定义内涵：充分条件：1、以操作系统为软件平台；2、专门设计的为应用优化的硬件平台
5、。1.1、嵌入式系统的定义6.我的定义广义：非通用计算机系统。狭义：以嵌入式处理器为硬件核心，以嵌入式操作系统为软件核心，为某专一用途专门设计的计算机系统。嵌入式系统与单片机、PC的区别l单片机系统多为4位、8位、16位机，它们不适合运行操作系统，难以进行复杂的运算及处理功能；l嵌入式系统强调基于平台的设计、软硬件协同设计。单片机大多采用软硬件流水设计；l嵌入式系统设计的核心是软件设计（占70%左右的工作量），单片机系统软硬件设计所占比例基本相同。嵌入式系统与PC之间的区别（1）l通用计算机系统要求的是高速、海量的数值运算和需求多样的应用程序。在技术发展上追求总线速度不断提升、存储容量不断扩大
6、。l嵌入式计算机系统要求的是对象体系的智能化控制能力，任务是专用而确定的。l嵌入式系统对实时性提出较高要求。l实时系统：指系统能够在限定的响应时间内提供所需水平的服务。l嵌入式实时系统可分为： 强实时性：响应时间usms级 一般实时性：响应时间mss级 弱实时性：响应时间s级嵌入式系统与PC之间的区别（2）l嵌入式系统运行需高可靠性保证，比PC机的故障容忍能力弱得多。l嵌入式系统运行需忍受长时间，无人值守条件下的运行。l嵌入式系统运行的环境恶劣。嵌入式系统与PC之间的区别（3）l嵌入式系统大都有功耗约束。 如：珍贵文物微气象环境监测 要求一分钟采样一次，每个采样节点用电池供电，十年更新一次。采
7、用常规方法，能量只能持续5天。 采用间歇式工作方式，节省电能，降低功耗。嵌入式系统与PC之间的区别（4）l嵌入式系统比PC可用资源少的多。 为降低成本和功耗，嵌入式系统的资源配置遵循够用就行。l嵌入式系统的开发需要专用工具和特殊方法。 开发：交叉编译，交叉链接 调试：仿真器，虚拟机 更新：在线升级等。嵌入式系统与PC之间的区别（5）l嵌入式系统开发是一项综合的计算机应用技术。系统结构：状态控制器，中断控制器处理汇编语言：操纵外围设备，端口操作系统：设置运行任务，通讯编译原理：交叉编译嵌入式系统与PC之间的区别（6）计算机系统机器以运算器为中心，输入-输出设备与存储器之间的数据传送都途经运算器。
8、运算器、存储器、输入输出设备的操作以及它们之间的联系都由控制器集中控制。 计计计算机中基本上有计算机中基本上有两股信息两股信息在流动。在流动。一种是数据一种是数据，即各，即各种原始数据、中间结果和程序等。原始数据和程序要由种原始数据、中间结果和程序等。原始数据和程序要由输入设备输入并经运算器存于存储器中，最后结果由运输入设备输入并经运算器存于存储器中，最后结果由运算器通过输出设备输出。在运行过程中，数据从存储器算器通过输出设备输出。在运行过程中，数据从存储器读入运算器进行运算，中间结果也要存入存储器中。人读入运算器进行运算，中间结果也要存入存储器中。人们用机器自身所具有的指令编排的指令序列，即
9、程序，们用机器自身所具有的指令编排的指令序列，即程序，也是以数据的形式由存储器送入控制器，再由控制器向也是以数据的形式由存储器送入控制器，再由控制器向机器的各个部分发出相应的控制信号。机器的各个部分发出相应的控制信号。另一种信息是控另一种信息是控制信息制信息，它控制机器的各部件执行指令规定的各种操作。，它控制机器的各部件执行指令规定的各种操作。 计算机系统l完成功能的方式：l1、取指令和数据：从IO口读取指令和数据，指令指的是“要干什么”，数据指的是指令的对象l2、运算：据指令和事先约定的逻辑关系完成指令功能（数字电路的功能，例如3-8译码器可以理解为只有一条指令的CPU）l3、输出：将结果从
10、IO口输出l4、所有的动作按照约定好的顺序完成计算机系统与数字电路l1、计算机系统是以数字电路为基础的l2、计算机系统是一种较为复杂的数字电路（冯.诺依曼结构的5部分）l3、如果从原理上讲，任何数字电路都可以理解为可以完成“取指令、运算、输出”三个步骤的计算机系统用通用数字电路搭建的CPU用通用数字电路搭建的CPU计算机系统的功能l控制l运算l通信-延伸出来，但是应用越来越广泛嵌入式实时系统在通信系统的应用嵌入式实时系统在通信系统的应用 l嵌入式实时系统的应用范围已经扩展到许多领域，尤其在通信领域更是得到了前所未有的发展。随着网络新业务的开通和新设备的增加，电信网络管理成为个日益突出的问题而备
11、受关注。 l通信网络的扩大、新业务和新设备的大量增加要求网络管理不但具备丰富管理功能，还要具备良好的管理性能效率；也就是说，网络管理必须满足一定的实时性。简言之，现代网络管理具有以下两个突出特点：l完善的管理功能；l良好的管理性能。 l为了实现完善而高效的网络管理，通信设备必须增强自身性能，从而为高层网管提供高性能的软硬件平台。通信系统的设计出现了新的发展趋势，如图3所示。 l出现这种趋势的原因主要在于：（1）先前以单片机为平台，应用程序直接运行于CPU之上的方式具有明显的不足：l硬件功能有限，不能进行高效而复杂的设备管理；l硬件平台简单，不能有效地支持功能繁多而且复杂的网络管理；l软件缺乏操
12、作系统的支持，网络应用程序设计复杂，难以实现功能完善的性能网络管理。（2）通用计算机由于体积、成本以及效率等因素的限制，也不适合这种应用环境。（3）采用嵌入式实时系统是理想的解决方法：l嵌入式实时系统在硬件上使用功能紧凑而高效的CPU，适合“嵌入”设备内部作为控制的硬件核心，可以支持复杂的设备管理；l在软件上，嵌入式实时系统以高性能的嵌入式实时操作系统为核心，除了为系统提供良好的实时性保障以外，还简化了高层应用程序的设计。 各种可以完成逻辑功能的设备1、标准计算机系统（大型机、服务器、工作站、PC、工控器等）2、单片机3、DSP4、数字电路5、可编程逻辑器件6、嵌入式系统非“计算机系统”标准计
13、算机系统l通用，功能更为丰富l系统的升级能力强l结构复杂l功耗高l难以用于“嵌入式”应用单片机l体积小，结构简单，功能单一l应用面广l功耗低，工作频率低l升级困难l一般用作控制器（英文简写MCU）l可以完成一定的“嵌入式”应用DSPl单片机+特殊算法指令l具有单片机的优点，补偿了单片机信号处理功能较弱的缺点。数字电路l数字电路是计算机系统的基础l数字电路也可以完成逻辑控制功能l数字电路也可以完成算法l只是没有人这么用而已可编程逻辑器件（PLD ）lFPGA、CPLDlASIC以非计算机系统的身份完成计算机系统完成的功能l更为灵活l开发较困难l在FPGA、ASIC上完成算法和复杂协议是电子技术发
14、展的新方向嵌入式系统l标准计算机系统、单片机和DSP的结合体l在功耗、通用性、“可嵌入”等方面优势明显l嵌入式系统的优势：可以在“单片”（简单系统，较小功耗，“可以嵌入”）的基础上实现图形界面实现网络协议实现一定的算法实现控制功能1.2、嵌入式技术的应用领域及发展趋势1.2.1 嵌入式技术的应用领域嵌入式技术的应用领域1.2.2嵌入式技术的现状嵌入式技术的现状1.2.3 嵌入式技术的发展趋势嵌入式技术的发展趋势嵌入式技术的应用领域1.嵌入式技术可应用在：n工业控制n交通管理n信息家电 n家庭智能管理n网络及电子商务n环境监测n机器人n工业、军事和日常生活的各个方面。嵌入式技术的应用领域2.在工
15、业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。例如，飞机的电子设备、城市地铁购票系统等都可应用嵌入式系统来实现。嵌入式系统的应用领域如下图所示。嵌入式系统的应用领域示意图工控设备工控设备嵌入式应用嵌入式应用信息家电信息家电智能玩具智能玩具军事电子军事电子通信设备通信设备移动存贮移动存贮智能仪表智能仪表汽车电子汽车电子网络设备网络设备消费电子消费电子军事国防军事国防电子商务电子商务工业控制工业控制网络网络一些典型的嵌入式系统应用实例goReader Internet eBookSamsung An
16、yWebInternet Screen PhoneeRemoteIntelligent Home ControllerTektronix TDS7000 Digital OscilloscopesNixvue Digital AlbumDigital Photo Album典型的嵌入式系统应用实例嵌入式系统的具体应用n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。嵌入式系统的具体应用l家庭智能管理系统：社区建筑的水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，远程点菜器等。嵌入式系统的具体应用l社会发展方面：嵌入式Internet应用，如下图所示。嵌入式系统的具体应用l汽
17、车电子：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总线网络马达控制器车灯l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嵌入式系统的具体应用l智能玩具与机器人嵌入式系统的具体应用l智能机器鱼技术研究嵌入式系统的具体应用l仿人型机器人Humanoid by University of Humanoid by Beijing Defense Technology in 1999Institute of Technology in 2002 嵌入式系统的具体应用l军事侦察阿富汗
18、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。嵌入式系统的具体应用l反恐防暴20022002年年1111月月2828日，以色列日，以色列一选举投票一选举投票点，发生枪点，发生枪击事件，造击事件，造成至少成至少7 7人人死亡，数十死亡，数十人受伤。以人受伤。以警方用机器警方用机器人在检查一人在检查一具巴勒斯坦具巴勒斯坦枪手的尸体。枪手的尸体。嵌入式系统的具体应用l产品介绍-掌上电脑uCPU:intel PXA255 400MHzuFLASH:64MuSDRAM:64MuBluetouthu影音uCompact Flashu电源管理u红外线接口嵌入式系统的具体应用l产品
19、介绍-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 嵌入式系统的具体应用l产品介绍-工程机械智能监控系统嵌入式系统的具体应用l产品介绍-基于VXworks的火星探路者嵌入式技术的现状 1.随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式技术也将获得广阔和发展空间。美国著名学者尼葛洛庞帝（数字化生存）1999年1月访华时预言，4至5年后嵌入式智能工具将是PC和Internet之后最伟大的发明。嵌入式技术的现状l2.在硬件方
20、面,不仅有各大公司的微处理器芯片,还有用于学习和进行研发的各种配套的软件开发包。目前，底层系统和硬件平台已经相对比较成熟，实现各种功能的芯片应有尽有，巨大的市场需求给我们提供了学习嵌入式技术的机遇。1.2.2 嵌入式技术的现状嵌入式技术的现状3.在软件方面，也有相当多的成熟软件系统。国外的嵌入式实时操作系统有WindRiver、QNX和Nuclear等。我国自主开发的嵌入式系统软件产品，如科银京城（CoreTek）公司的DeltaSystem开发平台，中科院推出的Hopen嵌入式操作系统。1.2.2 嵌入式技术的现状嵌入式技术的现状4.嵌入式系统技术的发展，大致经历了以下四个阶段：无操作系统阶
21、段，如单片机；简单操作系统阶段，如Power PC；实时操作系统阶段，如RTLinux；面向Internet阶段。实时性表明操作系统在可预见的时间内响应和处理外部事件的能力，是嵌入式实时操作系统性能的关键指标之一。 l实时系统 指工作在实时计算模式下的计算机系统，简称实时系统。其任务就是执行与外部技术过程相关的程序，程序的处理必须在时间上与外部过程发生的事件同步，即对外来事件在限定时间内能做出反应。l实时系统的认定方法实时系统是对外来事件在限定时间内能做出反应的系统。实时控制系统和实时信息处理系统统称为实时系统。实时控制系统：计算机通过特定的外围设备与被控对象发生联系。在实时信息处理系统中，用
22、户通过终端设备系统交互。l实时系统的性能指标：响应时间（response time）是计算机从识别一个外部事件到做出响应的时间。吞吐量（throughput）指在给定时间内系统可以处理的事件总数。生存时间（survival time）数据有效等待时间。l实时系统的重点实时性：核心特征确定性：实时系统中，各任务的执行过程是确定的。可靠性：硬件设备可靠、软件可靠、容错l实时系统的分类硬实时系统 响应时间超过规定时限将导致灾难性后果的实时系统。软实时系统 响应时间超过规定时限，但后果可以忍受的实时系统。强实时系统 很快的时间反应。微秒级，如信号处理，雷达系统，电视机弱实时系统 反应很慢，时间较长。一
23、般用于分级，如联机查询系统。 实时并不是快！实时并不是快！1.2.2 嵌入式技术的现状嵌入式技术的现状国内最早出现嵌入式系统概念：上世纪九十年代末；国内嵌入式系统起步期：2000-2006；目前国内嵌入式系统正处于快速发展期，即有机会又有竞争。是介入这个行业最佳时期。嵌入式系统的具体应用结论： 事实上，嵌入式技术无外不在， 计算机技术也开始进入一个被称为后PC技术的春天。1.3 嵌入式系统组成简介嵌入式系统组成简介1.3.1 嵌入式系统的重要特征嵌入式系统的重要特征1.3.2 典型嵌式系统的硬件组成典型嵌式系统的硬件组成1.3.3 嵌入式系统的软件组成嵌入式系统的软件组成嵌入式系统的架构输入输
24、入输出输出操作系统操作系统应用程序应用程序软件软件结构结构硬件硬件结构结构嵌入式系统的软嵌入式系统的软/ /硬件框架硬件框架嵌入式系统硬件系统嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为核心，配置必要的外围接口部件。嵌入式处理器嵌入式系统硬件层的核心存储器l嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码。嵌入式系统的存储器包含Cache、主存和辅助存储器。 I/O系统和外设嵌入式系统硬件系统l在嵌入式系统设计中，应尽可能选择适用于系统功能接口的芯片，以最少的外围部件构成一个应用系统，满足嵌入式系统的特殊要求。嵌入式系统的软件系统l操作系统l应用软件l嵌入式系统的开发工具系统软件层由实时多任务操作系统（Real-t
25、ime Operation System，RTOS）、文件系统、图形用户接口（Graphic User Interface，GUI）、网络系统及通用组件模块组成。RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。 l嵌入式操作系统负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。 中间层l硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer，HAL）或板级支持包（Board Support Package，BSP），它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与
26、硬件无关，上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据BSP 层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。BSP具有以下两个特点。 l硬件相关性：因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，而作为上层软 件与硬件平台之间的接口，BSP需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。 l操作系统相关性：不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此，不同的操作系统具有特定的硬件接口形式。 l实际上，BSP是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：嵌入式系统的
27、硬件初始化以及BSP功能，设计硬件相关的设备驱动。lBSP的另一个主要功能是硬件相关的设备驱动。硬件相关的设备驱动程序的初始化通常是一个从高到低的过程。尽管BSP中包含硬件相关的设备驱动程序，但是这些设备驱动程序通常不直接由BSP使用，而是在系统初始化过程中由BSP将他们与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来，并在随后的应用中由通用的设备驱动程序调用，实现对硬件设备的操作。与硬件相关的驱动程序是BSP设计与开发中另一个非常关键的环节。 HALlHAL是位于操作系统内核与硬件电路之间的接口层，其目的是将硬件抽象化，可以通过程序来控制所有硬件电路，如CPU、I/O、存储器等的操作，提高了系统的可移
28、植性。lHAL一般包含相关硬件的初始化、数据的输入输出操作硬件设备的配置操作等功能。 BSPl BSP属于操作系统的一部分，为驱动程序提供访问硬件的手段，即为上层的驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包，方便程序运行。嵌入式系统组成原理架构系统组成系统组成l一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，如图1-1所示，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型的电机，当手机处于震动接收状态时打开；也可以很复杂，
29、如SONY 智能机器狗，上面集成了多个微小型控制电机和多种传感器，从而可以执行各种复杂的动作和感受各种状态信息。 1.3.1 嵌入式系统的重要特征嵌入式系统的重要特征（1）系统内核小 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 1.3.1 嵌入式系统的重要特征嵌入式系统的重要特征 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。1.3.1
30、嵌入式系统的重要特征嵌入式系统的重要特征（）专用性强 嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。1.3.1 嵌入式系统的重要特征嵌入式系统的重要特征（）系统精简和高实时性OSl嵌入式系统不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样既利于控制系统成本，又利于实现系统安全。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。l很多嵌入式系统都需
31、要不断地对所处环境的变化做出反应，而且要实时地得出计算结果，不能延迟。1.3.1 嵌入式系统的重要特征嵌入式系统的重要特征（）高效率地设计l嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。 l目前电子产品更新换代快，要求产品研发周期尽可能短，所以要尽可能的提高设计效率。1.3.1 嵌入式系统的重要特征嵌入式系统的重要特征（5）创新性和有效性 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 为了提高执行速度和系统可靠性
32、，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。1.3.1 嵌入式系统的重要特征嵌入式系统的重要特征（6）嵌入式软件开发走向标准化 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。1.3.1 嵌入式系统的重要特征（7）嵌入式系统开发需要开发工具和环境 由于其本身不具备自主开发能力，即使设计通用计算机上的软硬件设备以及各种完成以后，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逻辑分
33、析仪、混合信号示波器等。 1.3.1 嵌入式系统的重要特征 开发时往往有宿主机（上位机）和目标机（下位机）的概念，宿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。嵌入式系统开发所需的开发工具和环境嵌入式系统的特点l采用32位RISC嵌入式微处理器和实时操作系统组成的嵌入式控制系统，与传统基于单片机的控制系统和基于PC的控制方式相比，具有以下突出优点：u性能方面：采用32位RISC结构微处理器，主频从30MHz到1200MHz以上，接近PC机的水平，但体积更小，能够真正地“嵌入”到设备中.u实时性方面：嵌入式机控制器内嵌实时操作系统（RTOS），能够完全保证控制系统的强实时
34、性。突出优点u人机交互方面：嵌入式控制器可支持大屏幕的液晶显示器，提供功能强大的图形用户界面，这些方面的性能也接近于PC，优于单片机。u系统升级方面：嵌入式控制器可为控制系统专门设计，其功能专一，成本较低，而且开放的用户程序接口（API）保证了系统能够快速升级和更新。 嵌入式处理器体系结构l按体系结构的不同可分为五大类lARMlMIPSlPOWER PClX86lSH系列 据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，体系结构有30多个系列，其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但与全球PC市场不同的是，没有一种嵌入式微处理器可以主导市场，仅以32位的
35、产品而言，就有100种以上的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。 1.3.2 典型嵌入式系统的硬件组成MPU微处理器微处理器电源电源模块模块时钟时钟复位复位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外围电路外围电路Other外设外设嵌入式微处理器（MPU）l嵌入式处理器通常指嵌入式微处理器、嵌入式微控制器和嵌入式数字信号处理器及嵌入式片上系统这四种类型的芯片。l嵌入式微处理器（EMPU）就是和通用计算机的微处理器对应的CPU.即代表一个功能强大的CPU,但不是为任何已有的特定计算目的而设计的芯片。这种芯片往往是个人计算机和高端工作站的核心CPU。最常见的微处理
36、器是Motorola的68K系列和Intel的X86系列。 微控制器（MCU）l早期的微控制器是将一个计算机集成到一个芯片中,实现嵌入式应用,故称单片机(single chip microcomputer)。随后,为了更好地满足控制领域的嵌入式应用,单片机中不断扩展一些满足控制要求的电路单元。目前,单片机已广泛称作微控制器（MCU）。也有由微处理器发展的微控制器。比如,Intel的386EX就是很成功的80386微处理器的微控制器版本。它与嵌入式应用的微处理器一样,也称为嵌入式微处理器。嵌入式处理器的高端产品有：Advanced RISC Machines公司的ARM、Silicon Grap
37、hics公司的MIPS、IBM和Motorola的Power PC 、Intel的X86和i960芯片、AMD的Am386EM、Hitachi的SH RISC芯片。 数字信号处理器（DSP）l数字信号处理器（DSP）里的CPU是专门设计用来极快地进行离散时间信号处理计算的,比如那些需要进行音频和视频通信的场合。DSP内含乘加器,能比其它处理器更快地进行这类运算。最常见的是TI的TMS320CXX系列和Motorola的5600X系列。 嵌入式片上系统（ESoC）lESoC：在一个硅片上实现一个更为复杂的系统。 SoC结合了许多功能模块（例如各类通信接口单元UART、USB、BlueTooth）
38、将整个系统做在一个芯片上。这样应用系统电路板变得很简洁，对于减小体积和功耗，提高可靠性非常有利。 SoC是嵌入式系统实现的最高形式。硬件组成硬件组成l硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用设备接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。 1 1、嵌入式微处理器、嵌入式微处理器 l嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器与通用CPU最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将通用
39、CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。 2.嵌入式处理器的特点 嵌入式系统的核心是嵌入式处理器，嵌入式处理器一般就具备以下4个特点:（1）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。（2）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。嵌入式处理器的特点（3）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。
40、（4）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或W级。 3 3、通用设备接口和、通用设备接口和I/OI/O接口接口 l嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口，如A/D、D/A、I/O等，外设通过和片外其他设备的或传感器的连接来实现微处理器的输入/输出功能。每个外设通常都只有单一的功能，它可以在芯片外也可以内置芯片中。外设的种类很多，可从一个简单的串行通信设备到非常复杂的无线设备。 l目前嵌入式系统中常用的通用设备接口有A/D（模/数转换接口）、D/A（数/模转换接口），I/O接口有RS-232接口（串
41、行通信接口）、Ethernet（以太网接口）、USB（通用串行总线接口）、音频接口、VGA视频输出接口、I2C（现场总线）、SPI（串行外围设备接口）和IrDA（红外线接口）等。 ARM 2410 三星公司三星公司S3C2410S3C2410的最小系的最小系统统提供提供LinuxLinux系统内核系统内核系统稳定工作在系统稳定工作在203MHz203MHz主主频上频上模块包括模块包括64MB SDRAM64MB SDRAM、161664MB 64MB flashROMflashROM模块给出了模块给出了S3C2410S3C2410几乎几乎所有的信号，所有的信号，3232位的数据位的数据总线，保
42、留充分扩展空间总线，保留充分扩展空间为嵌入式技术爱好者提供为嵌入式技术爱好者提供了一个廉价的中高端平台了一个廉价的中高端平台科研人员高效的开发工具科研人员高效的开发工具 1.3.3 嵌入式系统的软件组成嵌入式系统的软件包括嵌入式操作系统和相应的各种应用程序。 嵌入式操作系统EOS 为了使嵌入式系统的开发更加方便和快捷，需要有专门负责管理存储器分配、中断处理及任务调度等功能的软件模块，这就是EOS。EOS是用来支持嵌入式应用的系统软件，是嵌入式系统极为重要的组成部分。 1.3.3 嵌入式系统的软件组成 通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面GUI、标准化浏览
43、器等。嵌入式操作系统具有编码体积小，面向应用，可裁剪和移植，实时性强，可靠性高，专用性强等特点。1.3.3 嵌入式系统的软件组成相应的各种应用程序 根据不同的应用场合，来编写不同的应用程序。嵌入式应用软件不仅要求其准确性、安全性和稳定性等方面能够满足实际的应用的需要，而且还要尽可能的进行优化，以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。所以对嵌入式系统而言，大而全的功能不是目标，少而精才是它的设计目标。1.3.3 嵌入式系统的软件组成嵌入式系统的开发工具和开发系统 开发工具一般用于开发主机（如微机），包括语言编译器、连接定位器、调试器等。开发平台一般有4部分组成：硬件平台、操作系统、编程语言和开发工
44、具。 v注意：嵌入式系统的硬件和软件位于嵌入式系统产品本身，开发工具则独立于嵌入式系统产品之外 。嵌入式操作系统的分类方法1）按其应用对象不同，有如下4类：（1）以图形界面为主要特征，可包括有WindowsCE、嵌入式Linux等；（2）工业和通信类，包括有VxWorks、Psos、QNX等；（3）单片机类，包括有uC/OS、CMX、iRMX；（4）面向Intelnet类包括有Plam、Visor、Hopen、PPSM。嵌入式操作系统的分类方法 2）依据嵌入式系统操作系统的类型划分，有三种形式。 主要有实时系统、分时系统（非实时系统）和顺序执行系统。其中实时系统又分为硬（强）实时和软（弱）实时
45、系统。 （1）实时操作系统：系统内有多个程序运行，每个程序有不同的优先级，只有最高优先级的任务才能占有CPU的控制权。嵌入式操作系统的分类方法（2）分时操作系统：系统内同时可以有多个程序运行，把CPU的时间分按顺序分成若干片，每个时间片内执行不同的程序，如UNIX、Linux、Windows。（3）顺序执行系统：系统内只含有一个程序，独占CPU的运行时间，按语句顺序执行该程序，直至执行完毕，另一程序才能启动运行。如DOS操作系统。嵌入式操作系统的分类方法3）按实时性划分 实时嵌入式系统是为执行特定功能而设计的，可以严格地按时序执行功能。其最大的特征就是程序的执行就有确定性。 具体可分为三种形式
46、：嵌入式操作系统的分类方法（1）具有强(硬）实时特点的嵌入式操作系统 在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务，会导致系统的全面失败，则系统被称为硬（强）实时系统。硬实时系统，其系统响应时间在毫秒或微秒级（数控机床）。一个硬实时系统通常在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片， uc/os和VxWorks是典型的实时操作系统。嵌入式操作系统的分类方法（2）具有弱（软）实特点的嵌入式操作系统 在软实时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会发生致命的错误。软实时系统则主要在软件方面通过编程实现现实的管理。比如Windows CE、uCLinux是一个多任务分时系统。一般软实时系统，其系统响应时间在毫秒或几秒的数量级上，其实时性的要求比强实时系统要差一些（电子菜谱的查询）。（3）没有实时特点的嵌入式操作系统嵌入式系统是一个无限大的系统-何立民推荐文章：我与嵌入式的不解之缘嵌入式系统支柱学科的交叉与融合
