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1、大连理工大学软件学院大连理工大学软件学院邱铁邱铁办公楼办公楼413Tel：E_mail:参考教材：参考教材：ARM嵌入式系统结构与编程嵌入式系统结构与编程清华大学出版社清华大学出版社2009年年3月出版月出版嵌入式系统结构与编程嵌入式系统结构与编程嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础 最新最新最新最新2TM第一讲第一讲 嵌入式系统基础嵌入式系统基础本讲介绍了嵌入式系统开发的基础知本讲介绍了嵌入式系统开发的基础知识，从嵌入式计算机的历史由来、嵌入识，从嵌入式计算机的历史由来、嵌入式系统的定义、嵌入式系统的基本特点、式系统的定义、嵌入式系统的基本特点、嵌入式系统的分类及应用、嵌
2、入式系统嵌入式系统的分类及应用、嵌入式系统软硬件各部分组成、嵌入式系统的开发软硬件各部分组成、嵌入式系统的开发流程、嵌入式技术的发展趋势等方面进流程、嵌入式技术的发展趋势等方面进行了介绍。行了介绍。3TM3一一.嵌入式系统基本概念嵌入式系统基本概念在电子计算机发展的初期，计算机一直是在电子计算机发展的初期，计算机一直是“供养”在特殊的机房中的大型、昂贵的专用设备，主在特殊的机房中的大型、昂贵的专用设备，主要是实现一些特殊的数值计算。要是实现一些特殊的数值计算。n1971年年11月月15日，日，Intel发布了自己的首款微处发布了自己的首款微处理器，型号理器，型号4004”，这也是首次将一台编程
3、计算，这也是首次将一台编程计算机所需的各种元素融合在一颗单独的芯片上。一机所需的各种元素融合在一颗单独的芯片上。一个崭新的微处理器时代开始了。个崭新的微处理器时代开始了。同时微处理器表现出的智能化水平引起了设备制同时微处理器表现出的智能化水平引起了设备制造、机电控制等专业人士的兴趣，要求将造、机电控制等专业人士的兴趣，要求将微型机嵌入到一个控制对象的体系中，实现对象体系的，实现对象体系的智能化控制。智能化控制。4TM4第一片集成式微处理器第一片集成式微处理器40045TM58086、2866TM6386、4867TM7Pentium8TM8PentiumII、PentiumIII9TM9 嵌入
4、式计算机微处理器微处理器(MCU)的问世极大的促进了控制领域的发展，的问世极大的促进了控制领域的发展，极大的提高了系统的可控性和智能化。极大的提高了系统的可控性和智能化。到到80年代初微处理器及微控制器各自已发展为一个庞大年代初微处理器及微控制器各自已发展为一个庞大的家族，以的家族，以Intel公司公司x86为主流的应用于个人计算机为主流的应用于个人计算机PC的微处理器格局已形成。的微处理器格局已形成。为了区别于原有使用在为了区别于原有使用在PC的通用计算机，把嵌入到对象的通用计算机，把嵌入到对象体系中、实现对象体系智能化控制的微控制器的计算机，体系中、实现对象体系智能化控制的微控制器的计算机
5、，称作嵌入式计算机。称作嵌入式计算机。因此因此,嵌入式计算机是诞生于微处理器发展时代嵌入式计算机是诞生于微处理器发展时代10TM10嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念随随着着计计算算机机技技术术对对其其它它行行业业的的广广泛泛渗渗透透和和与与其其它它行行业业应应用用技技术术的的相相互互结结合合，以以应应用用为为中中心心的的分分类类方方法法变变得得似乎更加切合实际发展似乎更加切合实际发展;按按计计算算机机的的嵌嵌入入式式应应用用和和非非嵌嵌入入式式应应用用将将其其分分为为通通用用计算机和嵌入式计算机。计算机和嵌入式计算机。11TM11嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念而而非非通通用用计计算算机机的的
6、计计算算机机嵌嵌入入式式计计算算机机，则则是是非非通通用用计计算算机机形形态态的的计计算算机机应应用用，它它是是以以作作为为嵌嵌入入式式系系统统的的核核心心部部件件的的形形式式隐隐藏藏在在各各种种装装置置、设设备备、产产品品和和系系统中。统中。因因此此嵌嵌入入式式计计算算机机是是计计算算机机技技术术发发展展中中的的一一种种计计算算机机存在的形式，是从计算机技术的发展中分离出来的。存在的形式，是从计算机技术的发展中分离出来的。12TM12嵌入式系统的行业定义嵌入式系统的行业定义nIEEE的定义：的定义：nDevices used to control, monitor, or assist th
7、e operation of equipment, machinery or plants.n从中可以看出，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置13TM13我国嵌入式系统的行业定义我国嵌入式系统的行业定义n以应用为中心以应用为中心,以计算机技术为基础以计算机技术为基础,软件软件硬件可裁剪适应应用系统对功能、可靠硬件可裁剪适应应用系统对功能、可靠性、成本、功耗严格要求的专用计算机性、成本、功耗严格要求的专用计算机系统。系统。14TM14二二. .嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类嵌入式系统嵌入式系统按表现形式及使用硬件种类分为：按表现形式及使用硬件种类分为：系统中使用含程序或算
8、法的处理器的嵌入式系统为芯片系统中使用含程序或算法的处理器的嵌入式系统为芯片级嵌入；级嵌入；系统中使用某个核心模块的嵌入式系统为模块级嵌入；系统中使用某个核心模块的嵌入式系统为模块级嵌入；嵌入式系统按软件实时性需求分：嵌入式系统按软件实时性需求分：非实时系统（如非实时系统（如PDA）；）；软实时系统（如消费类产品）；软实时系统（如消费类产品）；硬实时系统（工业实时控制系统）硬实时系统（工业实时控制系统）15TM15三三.嵌入式系统的应用与发展嵌入式系统的应用与发展16TM16嵌入式系统的应用范围嵌入式系统的应用范围消费电子消费电子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
9、电子通信设备通信设备移动存贮移动存贮工控设备工控设备智能仪表智能仪表汽车电子汽车电子网络设备网络设备工业工业军事国防军事国防电子商务电子商务网络网络17TM17崭新的崭新的数字世界数字世界多彩的嵌入式应用多彩的嵌入式应用无线电的发展无线电的发展BTH矿石收音机 单二极管Bush收音机收音机 7个晶体管单二极管Evoke DAB收音机收音机1亿个晶体管2-3个嵌入式处理器18TM18电话的发展电话的发展电话电话 无晶体管BTDECT1千万个晶体管3个处理器诺基亚手机诺基亚手机超过7亿个晶体管(多数用于存储器)5-6个处理器新式诺基新式诺基亚手机亚手机19TM19计算机的发展计算机的发展+=App
10、leMacintosh 黑白显示器1 MIP 处理器AcornArchimedes彩色显示器10 MIP 处理器 RISC集惠普康柏掌上电脑惠普康柏掌上电脑 彩色显示200 MIP 处理器64MB 内存袖珍型袖珍型20TM20嵌入式Internet应用21TM21航海仪器的发展航海仪器的发展地图、时钟、指南针地图、时钟、指南针 印刷及磁技术无晶体管Raytheon 船用航海仪器GPS定位器定位器 约1亿个晶体管1-2个处理器 + 4个人造卫星个人造卫星!GPS定位器定位器 约5亿个晶体管2-4个处理器超过10个人造卫星个人造卫星!22TM22军事国防领域军事国防领域23TM23航天领域航天领域
11、24TM24嵌入式系统在机器人控制中的应用嵌入式系统在机器人控制中的应用( (大工大工) )25TM25智能玩具与机器人智能玩具与机器人26TM26其他产品发展其他产品发展Disc on KeyKonica Revio27TM27我们正步入一个崭新的我们正步入一个崭新的“数字世界数字世界”无线连接是无线连接是“数字胶水数字胶水”嵌入式应用嵌入式应用28TM28四四. .嵌入式系统的组成结构嵌入式系统的组成结构应用程序实时操作系统（RTOS）输入输出接口处理器/ARM核MMU/CacheSOC/SOPCUSBGPIOIISLCDUART和IrDAADC/DACFPGA/CPLDDSP/浮点运算协
12、处理器DMA电源管理典型的嵌入式系统组成人机交互接口LCD/触摸屏、键盘、鼠标设备驱动程序文件系统/图形用户应用程序接口驱动层OS层应用层软件硬件以太网看门狗及复位电路Timer/RTCCANFlashEEPROMSDRAMSRAM内存29TM291.1.硬件基本结构硬件基本结构嵌入式系统的硬件架构，是以嵌入式处理器为中心，配嵌入式系统的硬件架构，是以嵌入式处理器为中心，配置存储器、置存储器、I/O设备、通信模块以及电源等必要的辅助接设备、通信模块以及电源等必要的辅助接口组成。口组成。嵌入式系统是嵌入式系统是“量身定做量身定做”的的“专用计算机应用系统专用计算机应用系统”。（。（Customi
13、ze），非常经济、可靠。），非常经济、可靠。 30TM典型的嵌入式系统组成典型的嵌入式系统组成 31TM31硬件基本结构硬件基本结构嵌入式系统硬件核心是嵌入式微处理器，有时为了提高嵌入式系统硬件核心是嵌入式微处理器，有时为了提高系统的信息处理能力，常常外接系统的信息处理能力，常常外接DSP和和DSP协处理器协处理器（也可内部集成）完成高性能信号处理。（也可内部集成）完成高性能信号处理。以微处理器为核心的集成多种功能的以微处理器为核心的集成多种功能的SoC系统芯片已成系统芯片已成为嵌入式系统的核心为嵌入式系统的核心32TM322.嵌入式系统软件的层次结构如如当当设设计计一一个个简简单单的的应应用
14、用程程序序时时，可可以以不不使使用用操操作作系系统统，但但是是当当设设计计较较复复杂杂的的程程序序时时，可可能能就就需需要要一一个个操操作作系系统统（OS），减少应用程序员的负担。），减少应用程序员的负担。对对于于使使用用操操作作系系统统的的嵌嵌入入式式系系统统来来说说，结结构构三三个个层层面面：设设备备驱驱动动层层、实实时时操操作作系系统统（RTOS）、实实际际应应用用程程序序层层。由由于于硬硬件件电电路路的的可可裁裁减减性性和和嵌嵌入入式式系系统统本本身身的的特特点点，其其软软件部分也是可裁减的。件部分也是可裁减的。33TM333.启动程序BootLoader介绍对对于于PC机机，启启动动
15、初初始始化化由由BIOS完完成成的的，对对于于嵌嵌入入式式系系统统来来说说必必须须自自行行编编写写系系统统初初始始化化程程序序，在在嵌嵌入入式式中中称称为为BootLoader程序。程序。因因此此在在系系统统加加电电复复位位后后，处处理理器器将将首首先先执执行行 BootLoader程序。程序。34TM34五五. .嵌入式操作系统嵌入式操作系统F计算机由硬件和软件两部分组成，操作系统计算机由硬件和软件两部分组成，操作系统OS(OperatingSystem)是配置在计算机硬件上的第一层软件；是配置在计算机硬件上的第一层软件；F操作系统可以解释或理解为补平硬件差异的界面或是说隐藏操作系统可以解释
16、或理解为补平硬件差异的界面或是说隐藏硬件，让应用程序可以在上面运行。硬件，让应用程序可以在上面运行。F通过由操作系统统一所提供出来的系统界面来写应用程序，通过由操作系统统一所提供出来的系统界面来写应用程序，无须考虑到不同硬件所造成的差异，让程序设计人员能够专无须考虑到不同硬件所造成的差异，让程序设计人员能够专注于所擅长领域的开发注于所擅长领域的开发35TM35 嵌入式操作系统嵌入式操作系统F从用户的观点看从用户的观点看OS是用户与计算机硬件系统之间的接口；是用户与计算机硬件系统之间的接口；F从资源管理观点可以把从资源管理观点可以把OS视为计算机系统资源的管理者。视为计算机系统资源的管理者。F嵌
17、入式操作系统在知识体系和技术本质上与通用操作系统没嵌入式操作系统在知识体系和技术本质上与通用操作系统没有太大的区别，一般用于比较复杂的嵌入式系统软件开发中。有太大的区别，一般用于比较复杂的嵌入式系统软件开发中。36TM36 嵌入式操作系统嵌入式操作系统F嵌入式操作系统出现大大提高了嵌入式系统开发的效率，减嵌入式操作系统出现大大提高了嵌入式系统开发的效率，减少了系统开发的总工作量，而且提高了嵌入式应用软件的可少了系统开发的总工作量，而且提高了嵌入式应用软件的可移植性。移植性。F嵌入式操作系统必须包括操作系统的一些最基本的功能，如嵌入式操作系统必须包括操作系统的一些最基本的功能，如中断处理与进程调
18、度，用户可以通过中断处理与进程调度，用户可以通过API来使用操作系统。来使用操作系统。37TM37嵌入式操作系统嵌入式操作系统n目前大多数的嵌入式操作系统必须提供以下管理功能：目前大多数的嵌入式操作系统必须提供以下管理功能：n多任务管理多任务管理n存储管理存储管理n周边资源管理周边资源管理n中断管理中断管理38TM38典型嵌入式操作系统介绍典型嵌入式操作系统介绍n嵌入式操作系统可分为两种嵌入式操作系统可分为两种商用型和免费型。n商用型的操作系统主要有商用型的操作系统主要有VxWorks、WindowsCE、Psos、PalmOS、OS-9、LynxOS、QNX、LYNX等等n免费型的操作系统主
19、要有免费型的操作系统主要有Linux和和C/OS-II39TM39典型嵌入式操作系统介绍典型嵌入式操作系统介绍nC/OS-II嵌入式操作系统内核嵌入式操作系统内核nVxWorks嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统nWinCE操作系统操作系统nLinux操作系统操作系统40TM40C/OS-II C/OS-II 嵌入式操作系统内核嵌入式操作系统内核 C/OS-II是是一一个个可可裁裁减减的的、源源码码开开放放的的、结结构构小小巧巧、可可剥剥夺夺型型的的实实时时多多任任务务内内核核，主主要要面面向向中中小小型型嵌嵌入入式式系系统统，具具有有执执行效率高、占用空间小、可移植性强、实时性能优良等特点
20、。行效率高、占用空间小、可移植性强、实时性能优良等特点。C/OS-II中中最最多多可可以以支支持持64个个任任务务，分分别别对对应应优优先先级级063，其其中中0为为最最高高优优先先级级。实实时时内内核核在在任任何何时时候候都都是是运运行行就就绪绪了了的最高优先级的任务。的最高优先级的任务。C/OS-II最最大大程程度度上上使使用用ANSIC语语言言开开发发，现现已已成成功功移移植植到到近近40多种处理器体系上。多种处理器体系上。41TM41 WinCEWinCE操作系统操作系统 MicrosoftWindowsCE是是针针对对有有限限资资源源的的平平台台而而设设计计的的多多线程、完整优先权、
21、多任务的操作系统。线程、完整优先权、多任务的操作系统。高高度度模模块块化化是是WinCE的的一一个个特特性性，有有利利于于对对从从掌掌上上电电脑脑到到专专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。用的工业控制器的用户电子设备进行定制。WinCE操操作作系系统统的的基基本本内内核核需需要要至至少少200K的的ROM，它它支支持持Win32API子子集集、多多种种用用户户界界面面硬硬件件、多多种种的的串串行行和和网网络络通通讯讯技技术术、COM/OLE和和其其他他的的进进程程间间通通讯讯的的先先进进方方法法。Microsoft公公司司为为WindowsCE提提供供了了PlatformBuilder和和
22、EmbeddedVisualStudio开发工具。开发工具。42TM42 WinCEWinCE操作系统操作系统WindowsCE嵌入式操作系统能提供与嵌入式操作系统能提供与PC机类似的图形界机类似的图形界面和主要的应用程序。面和主要的应用程序。这样只要是对这样只要是对PC机上的机上的Windows比较熟悉的用户，可以很比较熟悉的用户，可以很快地使用移植有快地使用移植有WindowsCE嵌入式操作系统的设备。嵌入式操作系统的设备。六六.典型应用：嵌入式机器人控制系统典型应用：嵌入式机器人控制系统6.1硬件设计硬件设计6.2RTOS的移植与任务设计的移植与任务设计6.3系统调试与运行系统调试与运行
23、嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础 最新最新最新最新6.1硬件设计硬件设计嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础 最新最新最新最新主控制板主控制板嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础 最新最新最新最新6.2RTOS的移植与任务设计的移植与任务设计实时操作系统实时操作系统C/OS-II 在在LPC2136下文件配置下文件配置任务运行机制任务运行机制系统调试与运行系统调试与运行嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础 最新最新最新最新C/OS-II软/硬件体系硬件体系嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础
24、 最新最新最新最新系统中任务状态转换图系统中任务状态转换图嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础 最新最新最新最新在在LPC2136下下C/OS-II的文件配置的文件配置设置堆栈增长方向设置堆栈增长方向声明声明3个宏（开、关中断及任务切换）个宏（开、关中断及任务切换）声明与编译器相关的数据类型声明与编译器相关的数据类型C语言编写与操作系统相关的函数语言编写与操作系统相关的函数汇编编写与处理器相关的函数汇编编写与处理器相关的函数嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础 最新最新最新最新任务任务划分过程划分过程 驱动电机1、脉冲编码器1驱动电机2、脉冲编码器2转向
25、舵机（控制机器人的运动方向）任务4任务3七路光电检测（巡地面颜色标记）任务5行程开关、微动开关检测（报警或置终止标志）任务7LCD动态显示（运行状态、参数或出错信息）任务9超声波检测（避开障碍物、预测目标点距离）任务6机械手电磁铁（控制机械手开合或拾取物品）任务8监视按键状态任务2起动机器人系统（硬件电路及运行参数初始化）任务1嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础 最新最新最新最新多任务机制多任务机制机器人起动后，第一个应用任务对机器人系统初始化，机器人起动后，第一个应用任务对机器人系统初始化，初始化完成后，这个应用任务被删除。接下来实时系初始化完成后，这个应用任务被删除。
26、接下来实时系统开始根据时间片轮转法，进行多任务的执行与切换，统开始根据时间片轮转法，进行多任务的执行与切换，实时控制机器人的运行。实时控制机器人的运行。 嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础 最新最新最新最新6.3系统调试与运行系统调试与运行嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础 最新最新最新最新系统初始化嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础 最新最新最新最新实时控制显示嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式系统基础 最新最新最新最新55TM55嵌入式技术的发展趋势嵌入式技术的发展趋势n时代的发展使得嵌入式产品获得了巨大的商时
27、代的发展使得嵌入式产品获得了巨大的商机，为嵌入式产品提供了广阔的市场前景，机，为嵌入式产品提供了广阔的市场前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战。56TM56n1随着信息化与数字化的发展，嵌入式设备进行网随着信息化与数字化的发展，嵌入式设备进行网络互联是未来发展的趋势。络互联是未来发展的趋势。n未来的嵌入式设备为了适应信息化与数字化的发展，未来的嵌入式设备为了适应信息化与数字化的发展，网络化成为发展的方向。要进行网络互联，在硬件网络化成为发展的方向。要进行网络互联，在硬件设计上要提供各种网络通信接口设计上要提供各种网络通信接口。n在应用软件方面，要提供可
28、以在设备上安装嵌入式在应用软件方面，要提供可以在设备上安装嵌入式Web浏览器，实现网页浏览和远程数据库的访问。浏览器，实现网页浏览和远程数据库的访问。57TM57n2优化嵌入式系统软硬件内核，提高系统运行速度，优化嵌入式系统软硬件内核，提高系统运行速度，降低功耗和硬件成本。降低功耗和硬件成本。n嵌入式产品是软件和硬件相结合的设备，为了提高嵌入式产品是软件和硬件相结合的设备，为了提高运行速度、降低功耗和成本，要求开发人员尽量裁运行速度、降低功耗和成本，要求开发人员尽量裁剪系统的硬件资源和软件内核，利用最少的硬件资剪系统的硬件资源和软件内核，利用最少的硬件资源和软件结构实现最多的功能。在实现过程中
29、要不源和软件结构实现最多的功能。在实现过程中要不断的优化硬件电路并改进算法，达到最佳的控制功断的优化硬件电路并改进算法，达到最佳的控制功能。能。58TM58n3指令级的并行计算技术将引入嵌入式微处理器。指令级的并行计算技术将引入嵌入式微处理器。n在工程的实际应用中会出现大量的数据执行相同的运在工程的实际应用中会出现大量的数据执行相同的运算功能，比如向量计算，这就需要在单个时钟周期内算功能，比如向量计算，这就需要在单个时钟周期内实现多个数据的运算操作。实现多个数据的运算操作。n在在CPU中设计多个执行部件来完成此功能，这种中设计多个执行部件来完成此功能，这种CPU的架构形式称为单指令流多数据流体
30、系结构，也的架构形式称为单指令流多数据流体系结构，也称之为指令级的并行计算技术。称之为指令级的并行计算技术。59TM59n4嵌入式微处理器将会向多核技术发展。嵌入式微处理器将会向多核技术发展。n无所不在的智能必将带来无所不在的计算，大量的无所不在的智能必将带来无所不在的计算，大量的图像信息也需要高速的处理器来处理，面对海量数图像信息也需要高速的处理器来处理，面对海量数据，单个处理器可能无法在规定的时间完成处理。据，单个处理器可能无法在规定的时间完成处理。n引入并行计算技术，可以采用多个执行单元同时处引入并行计算技术，可以采用多个执行单元同时处理，这就是处理器的多核技术。理，这就是处理器的多核技
31、术。60TM60n5嵌入式技术将引领信息时代嵌入式技术将引领信息时代n嵌入式产品具有自身的优点，如体积小、低功耗等，嵌入式产品具有自身的优点，如体积小、低功耗等，这也正是在走可持续发展的战略这也正是在走可持续发展的战略；n使我们无论身处何时、何地，想要什么信息都可以使我们无论身处何时、何地，想要什么信息都可以信手拈来信手拈来；n“无所不在的智能无所不在的智能”的观点，它是嵌入式系统应用的观点，它是嵌入式系统应用的最高境界。的最高境界。61TM61下次课内容提示下次课内容提示:ARM体系统结构体系统结构三级流水线与五级流水线三级流水线与五级流水线请同学学们查阅相关资料做好预习请同学学们查阅相关资料做好预习
